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Kraftstoff

Kraftstoffe sind meist flüssige oder gasförmige brennbare Stoffe, die zum Antrieb von Kraftmaschinen dienen, insbesondere von Verbrennungsmotoren. Sie werden in großem Umfang im Verkehr benötigt, aber auch für die Erzeugung elektrischer Energie in stationären Anlagen, z. B. in Blockheizkraftwerken.

Vor allem im Zusammenhang mit dem Flugverkehr und Schiffsverkehr spricht man meist von Treibstoffen. Dieser Begriff kommt mit unterschiedlichen Bedeutungen vor; er schließt manchmal Kraftstoffe mit ein, manchmal auch nicht, und gilt manchmal als gleichbedeutend mit Kraftstoffen. In der Schweiz wird häufig von Treibstoffen gesprochen, wenn Kraftstoffe gemeint sind.

Flüssige Kraftstoffe

Für Verbrennungsmotoren werden vor allem die folgenden flüssigen Kraftstoffe eingesetzt:

• Benzin (Ottokraftstoff) ist in Ottomotoren verwendbar. Es ist erhältlich in verschiedenen Varianten wie Normalbenzin und Superbenzin. Für Zweitaktmotoren wird Zweitaktgemisch (Benzin mit beigemischtem Schmieröl) verwendet. Früher wurde Benzin häufig mit bleihaltigen Additiven zur Erhöhung der Klopffestigkeit versehen, was aber seit der breiten Einführung des Abgaskatalysators kaum mehr der Fall ist.
• Dieselkraftstoff wird in Dieselmotoren eingesetzt. Er ähnelt chemisch dem Heizöl EL (extraleicht). Meist wird er wie Heizöl aus Erdöl gewonnen, aber es gibt auch Biodiesel, hergestellt aus Pflanzen wie Raps. Schweröl kann ebenfalls in bestimmten großen Dieselmotoren (z. B. auf großen Schiffen) eingesetzt werden.
• Ethanol, ein meist durch Vergärung von Pflanzenteilen gewonnener Alkohol (dann als Bioethanol bezeichnet), kann in entsprechend angepassten Ottomotoren statt Benzin verwendet werden. Seltener wird der leichtere Alkohol Methanol verwendet.
• Flüssiggas ist ein für Transport und Lagerung durch Druck verflüssigtes Propan-Butan-Gemisch, welches ebenfalls für Ottomotoren gut geeignet ist. Es lässt sich mit moderatem technischem Aufwand so einsetzen, dass die Abgasqualität sehr hoch ist.
• Spezielle Rennkraftstoffe sind für die Erzielung sehr hoher Motorleistung optimiert. Sie sind meist Gemische, die erhebliche Anteile von Alkoholen wie Ethanol oder Methanol enthalten können, aber auch Nitromethan (CH₃NO₂), Aceton, Diethylether, Benzol oder Nitrobenzol. Sie entfalten ihre Vorteile vor allem in speziell angepassten Verbrennungsmotoren und sind in der Regel begrenzt verfügbar und extrem teuer.
• Bestimmte synthetische Designer-Kraftstoffe könnten unter Umständen zukünftig auch in großen Mengen nachhaltig herstellbar werden, beispielsweise unter Verwendung von Biomasse. Gegenüber bisher eingesetzten Kraftstoffen wie Biodiesel und Ethanol handelt es sich hier um Substanzen, die wesentlich weitgehenderen chemischen Umsetzungen unterworfen werden. Beispielsweise lassen sich aus Methanol Kohlenwasserstoff-Kraftstoffe wie Oxymethylenether (OME) herstellen, die dem Benzin ähnlicher sind als Alkoholen.

Sowohl Ethanol als auch Methanol können insbesondere dem Benzin beigemischt werden – bei kleineren Anteilen auch ohne Anpassung der Motoren, und teils mit Vorteilen für die Durchführung der Verbrennungsprozesse. Allerdings besteht bei Methanol das Problem, dass es sich um eine toxische Substanz handelt, die zudem leicht verdampft.

Als Flugzeugtreibstoff dominiert das Kerosin. Es wird in Düsen- und Turbopropflugzeugen eingesetzt, ebenfalls in stationären Gasturbinen.

Man unterscheidet oft Leichtkraftstoffe und Schwerkraftstoffe. Die ersteren bestehen aus Substanzen, die schon bei Zimmertemperatur relativ leicht verdampfen; Beispiele hierfür sind Benzin, Kerosin und Alkohol. Bei diesen kann es zu erheblichen Verdunstungsemissionen kommen, was gesundheitlich und ökologisch bedenklich ist und erst in zweiter Linie ein Problem von Verlusten. Schwerkraftstoffe dagegen (z. B. Dieselkraftstoff und Schweröl) verdampfen bei Zimmertemperatur nur recht langsam.

Ein großer genereller Vorteil von flüssigen Kraftstoffen ist, dass diese leicht gelagert, transportiert und über Rohrleitungen der Anwendung zugeführt werden können. Ebenfalls weisen sie eine sehr hohe Energiedichte auf. Dies gilt insbesondere für Kohlenwasserstoffe; dagegen sind die Energiedichten von Substanzen mit sauerstoffhaltigen Molekülen (z. B. von Alkoholen und Ethern) deutlich geringer. Andererseits weisen sauerstoffhaltige Kraftstoffe oder Kraftstoffzusätze ebenfalls Vorteile auf, beispielsweise die Unterstützung einer sauberen unvollständigen Verbrennung.

Gasförmige Kraftstoffe

Diverse gasförmige Kraftstoffe sind:

• Erdgas und ähnliche (vor allem aus Methan bestehende) Gase wie Biogas und Deponiegas sind in Ottomotoren z. B. von Erdgasfahrzeugen verwendbar.
• Wasserstoff kann ebenfalls in Ottomotoren verbrannt werden. Jedoch ist seine Nutzung in Brennstoffzellen wesentlich effizienter.
• Holzgas entsteht bei der Vergasung von Holz. Es enthält diverse brennbare Gase wie Kohlenmonoxid (CO), Methan (CH₄), Wasserstoff (H₂) und Ethylen (C₂H₄) nebst nicht brennbaren Gasen wie Stickstoff und Kohlendioxid.

(Flüssiggas wurde bereits unter den flüssigen Kraftstoffen genannt, weil es zumindest bei Transport und Lagerung flüssig ist.)

Gasförmige Kraftstoffe lassen sich leicht durch Rohre und Schläuche transportieren, aber weniger gut lagern als flüssige Treibstoffe. Ihre Verbrennung z. B. in Verbrennungsmotoren ist meist schneller und sauberer als die von flüssigen Kraftstoffen. Sie eignen sich deswegen besonders für stationäre Motoren, die z. B. an das Erdgasnetz angeschlossen werden können.

Manche bei Raumtemperatur und Normaldruck gasförmigen Kraftstoffe lassen sich für vereinfachten Transport verflüssigen, wenn auch mit teilweise erheblichem Aufwand, auch an Energie. Beispiele hierfür sind Flüssiggas (siehe unten) und Flüssigerdgas. Letzteres benötigt recht viel Energie zur Verflüssigung (rund 10 bis 25 % des Heizwerts des Erdgases).

Feste Kraftstoffe

Feste Kraftstoffe (Festbrennstoffe) wie Holz sind bei mobilen Anwendungen wenig gebräuchlich, vor allem weil ihre Verbrennung langsam und oft nicht vollständig ist. Sie dienen in Kombination mit Oxidationsmitteln ebenfalls zum Antrieb von Feststoffraketen, gelten dann aber als Treibstoffe.

Anforderungen an Kraftstoffe

Kraftstoffe müssen eine Vielzahl von Anforderungen erfüllen – weitaus mehr, als nur Energie mit einer bestimmten Energiedichte zu liefern:

• Ottokraftstoffe wie Benzin müssen eine ausreichend hohe Klopffestigkeit aufweisen, um das schädliche Phänomen des Klopfens im Motor zu verhindern. Eine hohe Klopffestigkeit erlaubt den Betrieb in Motoren mit hohem Verdichtungsverhältnis, welches einen höheren Wirkungsgrad ermöglicht.
• Bei Dieselkraftstoffen dagegen ist eine ausreichend hohe Zündwilligkeit wichtig, die über die Cetanzahl erfasst wird.
• Kraftstoffe sollen in den Motoren keine Schäden verursachen, die z. B. durch Ablagerungen oder durch das Auflösen von häufig verwendeten Materialien geschehen könnten. Beispielsweise können Kraftstoffleitungen von Benzinfahrzeugen zerstört werden, wenn dem Benzin eine große Menge von Ethanol beigemischt wird und die Leitungen dafür nicht geeignet sind. Rückstände von Kraftstoffen sollen auch nicht das Schmieröl verdünnen und damit in seiner Konsistenz verschlechtern. Teilweise sollen Kraftstoffe sogar aktiv bestimmten Problemen vorbeugen, beispielsweise Ablagerungen auflösen oder Schmierfunktionen übernehmen.
• Auch die mit den Motoren typischerweise verwendeten Abgasreinigungsanlagen (Abgaskatalysatoren, Rußpartikelfilter usw.) dürfen nicht geschädigt werden. Beispielsweise genügt verbleites Benzin dieser Anforderung heute nicht mehr, und Partikelfilter von Dieselmotoren können durch einen zu hohen Schwefelgehalt des Kraftstoffs geschädigt werden.
• Eine hohe Kraftstoffqualität kann dazu beitragen, die Abgasqualität zu verbessern. Beispielsweise sollten Verunreinigungen vermieden werden, die zu erhöhten Partikelemissionen führen, und ein niedriger Schwefelgehalt ist wünschenswert, unter anderem um Schwefeldioxidemissionen zu vermeiden. Außerdem sollte der Kraftstoff unter den typischen Bedingungen möglichst vollständig verbrannt werden.
• Ein Kraftstoff soll auch bei tiefen Temperaturen ausreichend fließfähig sein, andererseits aber bei höheren Temperaturen nicht übermäßig verdampfen. (Solche Eigenschaften hängen stark mit der Siedekurve des Kraftstoffs zusammen.) Im Falle von Benzin und Dieselkraftstoffen wird die Zusammensetzung oft je nach Jahreszeit etwas variiert, um diesen Anforderungen besser zu genügen.
• Eine gewisse Lagerfähigkeit ist von Bedeutung. Auch bei längerer Lagerung soll ein Kraftstoff möglichst nicht beispielsweise bakteriell zersetzt werden, wie es bei Pflanzenölen geschehen kann.

Zur hohen Qualität von Kraftstoffen gehört auch eine hohe Konsistenz von deren Eigenschaften. Zwar können viele Motoren sogar automatisch auf gewisse Schwankungen der Kraftstoffeigenschaften (z. B. der Klopffestigkeit und des Heizwerts) eingestellt werden, jedoch ist dies nicht immer der Fall. Für Kerosin gibt es besonders strenge Qualitätsanforderungen, da hier die Qualität sogar in hohem Maße sicherheitsrelevant ist.

Siehe auch: Kraftstoff sparen, Brennstoff, Energieträger, Verbrennungsmotor, Klopffestigkeit, Zündwilligkeit, Tanktourismus, Biokraftstoff, Verbrennung, Flottenverbrauch