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SCR-Katalysator

Die derzeit wirksamste Einrichtung zum Abbau von Stickoxiden (wichtigen Luftschadstoffen) in Dieselabgasen ist der SCR-Katalysator, d. h. ein Abgaskatalysator basierend auf der selektiven katalytischen Reduktion (SCR = selective catalytic reduction). Das SCR-Verfahren wird schon seit Jahren vielfach zur Entstickung von Kraftwerks-Abgasen (z. B. bei Kohlekraftwerken und Gaskraftwerken) in sogenannten DeNOx-Anlagen eingesetzt. Seit etlichen Jahren werden SCR-Katalysatoren aber auch für die Abgasbehandlung von Dieselmotoren eingesetzt, und zwar zunächst für Nutzfahrzeuge und stationäre Motoren, aber vermehrt auch für Personenwagen (hauptsächlich im Oberklasse-Bereich).

Funktionsprinzip

Das Funktionsprinzip des SCR-Katalysators besteht darin, dass Ammoniak-Gas (NH₃) an geeigneten katalytischen Oberflächen mit Stickoxiden chemisch reagiert, wobei sowohl die Stickoxide als auch das Ammoniak abgebaut werden; es entstehen im Wesentlichen Stickstoff und Wasserdampf.

Da Ammoniak in den Abgasen sonst nicht vorkommt, muss es dem Abgasstrom beigemischt werden. Alternativ kann eine wässrige Harnstofflösung (Markenname "AdBlue") eingesprüht werden; der Harnstoff (Kohlensäurediamid) (der großtechnisch aus Ammoniak hergestellt wird) zerfällt bei genügend hohen Temperaturen und setzt dabei Ammoniak frei. Das Verfahren mit der Harnstofflösung hat für Fahrzeuge den großen Vorteil, dass diese Lösung sehr viel besser transportierbar ist als Ammoniak.

Ammoniak ist ein giftiges und ätzendes Gas, wird jedoch im Katalysator weitgehend umgesetzt, sollte also im gereinigten Abgas kaum mehr vorhanden sein – außer bei Überdosierung des Ammoniaks bzw. des Harnstoffs, was jedoch in der Praxis kaum vorkommen sollte. (Starke Unterdosierung ist dagegen weit verbreitet, um Harnstofflösung zu sparen.) Es ist technisch möglich, auch bei Automotoren (mit ständig wechselnden Lastzuständen) die Zugabe der Harnstofflösung so zu dosieren, dass auch im Praxisbetrieb eine sehr wirksame Entstickung erreicht wird, ohne dass gleichzeitig wesentliche Ammoniak-Emissionen entstehen. Die Dosierung wird weniger heikel, wenn im Bereich des Austritts der Abgase eine sogenannte katalytische Sperrbeschichtung eingesetzt wird, die ggf. überschüssigen Ammoniak in harmlosen Stickstoff und Wasserdampf umwandelt.

Ein SCR-Katalysator (manchmal auch ungenau als Harnstoff-Katalysator bezeichnet) kann auch mit einem Oxidationskatalysator kombiniert werden, um z. B. Kohlenmonoxid zu oxidieren und auch evtl. überschüssigen Ammoniak zu zerlegen. Mit dieser Technik können Dieselmotoren heute die strengsten Abgasnormen (Euro-6) einhalten.

Es gibt auch sogenannte passive SCR-Katalysatoren, die als Reduktionsmittel im Abgas vorhandene unverbrannte Kohlenwasserstoffe nutzen, also keine zusätzliche Verbrauchsflüssigkeit benötigen. Sie sind also nur anwendbar für entsprechend zusammengesetzte Abgase und unterliegen zum Teil auch weiteren Einschränkungen, beispielsweise durch eine geringere Toleranz gegen Schwefel. Mit dieser Technik lässt sich auch der Motor u. U. nicht mehr für einen optimalen Wirkungsgrad optimieren.

Probleme mit oft mangelhafter Entstickung; Diesel-Abgasskandal

Im Zusammenhang mit dem im September 2015 aufgeflogenen Diesel-Abgasskandal (Energie-Blog 2015-09-21) ist deutlich geworden, dass auch Fahrzeuge mit SCR-Katalysatoren leider im Praxisbetrieb häufig sehr viel höhere Stickoxid-Emissionen aufweisen, als dies aufgrund der geltenden Emissionsgrenzwerte sein dürfte. Es hat sich herausgestellt, dass nicht nur Volkswagen, sondern auch diverse andere Fahrzeughersteller bewusst im Praxisbetrieb eine deutlich zu kleine Dosierung der Harnstofflösung (AdBlue) eingesetzt haben, um den Verbrauch dieser Lösung zu begrenzen. Es soll sogar Absprachen unter den Herstellern gegeben haben, nach denen die Größe des AdBlue-Tanks begrenzt wurde; dadurch wurde einerseits Bauraum für andere Ausstattungen (etwa Lautsprecher) gespart, andererseits wurden die Tanks aber zu klein, um einerseits eine ausreichende Entstickung zu ermöglichen und andererseits ein allzu häufiges Nachtanken der Harnstofflösung zu vermeiden. Um trotzdem die geltenden Abgasvorschriften wenigstens scheinbar einzuhalten, wurde die Motorsteuerung so programmiert, dass eine für eine gute Abgasreinigung ausreichende AdBlue-Dosierung dann erfolgt, wenn aufgrund diverser Umstände davon ausgegangen werden muss, dass sich das Fahrzeug in einem Abgastest befindet (Zykluserkennung). Im Praxisbetrieb dagegen wurde die Dosierung reduziert, sodass trotz des geringen Tankvolumens ein Nachfüllen der AdBlue-Flüssigkeit im Rahmen der normalen Wartungstermine genügte (→ Abschalteinrichtung bei der Abgasreinigung). Die Folge war aber, dass solche Fahrzeuge nun im Praxisbetrieb typischerweise ein Mehrfaches an Stickoxid-Emissionen verursachen, verglichen mit den geltenden Grenzwerten. Damit tragen diese Fahrzeuge maßgeblich zu der hohen Konzentration von sehr gesundheitsschädlichen Luftschadstoffen insbesondere in Stadtgebieten bei; man muss nach wissenschaftlichen Studien davon ausgehen, dass dadurch in Europa pro Jahr viele tausend vorzeitige Todesfälle verursacht werden.

Teilweise bestand ein weiterer Grund für eine Unterdosierung der AdBlue-Lösung darin, dass es sonst zu Ablagerungen im Abgassystem kommen konnte, die zusätzliche Werkstatttermine notwendig machten. Dieses Problem kann bei modernen Fahrzeugen mit verschiedenen Maßnahmen vermieden werden, etwa mit kleinen elektrischen Heizelementen für die betroffenen Leitungen.

Die genannte schwerwiegende Problematik hätte sich im Kern leicht dadurch vermeiden lassen, dass man deutlich größere AdBlue-Tanks eingebaut hätte, sodass eine ausreichende Dosierung in Verbindung mit großen Wartungsintervallen möglich gewesen wäre. Nachträglich lässt sich das Problem bei den betroffenen Autos jedoch nur schwer lösen:

• Es dürfte schwierig sein, nachträglich einen größeren AdBlue-Tank einzubauen. Wenn also etwa durch ein Software-Update die Dosierung erhöht wird, muss die Flüssigkeit entsprechend häufiger nachgefüllt werden. Dies erfordert entweder häufigere Werkstattbesuche oder aber den Aufbau einer Infrastruktur, über die die Betreiber beispielsweise an Tankstellen die Flüssigkeit erhalten können.
• Bei manchen Fahrzeugen könnte auch das oben genannte Problem mit möglichen Ablagerungen im Abgassystem wieder auftauchen, wenn die Dosierung erhöht wird.

An sich sollte das Problem allein bei den Herstellern liegen:

• Zunächst einmal sollte eine Fahrzeug-Zulassung, welche nur mit verbotenen Tricks (→ Abschalteinrichtungen für die Abgasreinigung) erschwindelt wurde, als ungültig gelten. Fahrzeuge, die die geltenden Abgasvorschriften nur scheinbar erfüllen können, nicht aber in der Praxis, dürften keine Betriebserlaubnis erhalten, bzw. man müsste ihnen die Betriebserlaubnis entziehen, wenn der Schwindel auffliegt.
• Natürlich dürfte der Schaden nicht bei den Fahrzeugkäufern hängen bleiben, sondern bei denen, die ihn verursacht haben – also bei den Herstellern, die die Typenzulassung erschwindelt haben. Diese müssten also entweder die Fahrzeuge auf eigene Kosten technisch so nachrüsten, dass diese nun die Vorschriften erfüllen, oder aber die Fahrzeuge zurücknehmen und den Kunden durch neue, den Vorschriften entsprechende Fahrzeuge ersetzen. Die nicht umrüstbaren Fahrzeuge müssten dann verschrottet oder aber in anderen Ländern mit wesentlich weniger strengen Abgasvorschriften verkauft werden.

Jedoch hat sich herausgestellt, dass insbesondere die deutsche Bundesregierung nicht willens ist, gesetzliche Vorschriften gegen Fahrzeughersteller einzuführen und durchzusetzen, insbesondere wenn diesen dadurch schwere wirtschaftliche Nachteile entstehen würden. (Manche Konzerne könnten auch in ihrer Existenz bedroht sein, wenn sie den von ihnen verursachten Schaden nachträglich beheben müssten.) Es gibt sogar schwerwiegende Anhaltspunkte dafür, dass Politiker und Behörden jahrelang von erschwindelten Typenzulassungen wussten, ohne dagegen einzuschreiten. Dadurch haben sie eine Mitverantwortung für viele tausend zusätzliche Todesfälle und massive gesundheitliche Beeinträchtigungen vieler weiterer Menschen.

Einfluss auf den Kraftstoffverbrauch

Ein SCR-Katalysator hat keinen wesentlichen direkten Einfluss auf den Kraftstoffverbrauch, kann aber indirekt einen günstigen Einfluss haben: Der Dieselmotor kann mehr auf hohen Wirkungsgrad optimiert werden, selbst wenn dies die Rohemissionen von Stickoxiden erhöht, da der Katalysator dieses Problem ja dann löst.

Siehe auch: Abgaskatalysator, Stickoxide, Dieselmotor, Ammoniak, Abschalteinrichtung bei der Abgasreinigung