RP-Energie-Lexikon
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Stickoxide

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Akronym: NO_x

Definition: Verbindungen von Stickstoff mit Sauerstoff

Summenformel: NxOy, z. B. NO, NO2, N2O, N2O5

Englisch: nitrogen oxides

Kategorien: Fahrzeuge, Umwelt und Ökologie

Autor: Dr. Rüdiger Paschotta (G+)

Wie man zitiert; zusätzliche Literatur vorschlagen

Ursprüngliche Erstellung: 09.09.2012; letzte Änderung: 11.08.2017

Stickoxide sind Gase, die durch chemische Reaktionen von Stickstoff mit Sauerstoff entstehen und als Luftschadstoffe gelten, die z. B. im Zusammenhang mit Smog eine wichtige Rolle spielen. Es gibt verschiedene Verbindungen dieser Art:

Stickoxide werden oft pauschal mit dem Kürzel NOx benannt. Das “x” ist hierbei ein Platzhalter für 1 oder 2. Streng genommen müsste das Kürzel NxOy sein, da viele Stickoxidmoleküle mehr als ein Stickstoffatom enthalten, aber diese Notation ist nicht üblich.

Lachgas entsteht in wesentlichen Mengen auch in der intensiven Landwirtschaft, und zwar durch starken Einsatz von Stickstoffdüngern. Bodenbakterien erzeugen das Gas aus Stickstoffdüngern, und auch die Tierhaltung verursacht solche Emissionen.

Entstehung von Stickoxiden bei hohen Temperaturen

Alle Stickoxide sind energiereicher als die entsprechenden Mengen von Stickstoff (N2) und Sauerstoff (O2). Ihre Bildung aus Luft ist also endotherm (benötigt Energiezufuhr) und erfolgt in der Regel nur bei hohen Temperaturen. Wenn danach die Temperatur langsam gesenkt wird, zerfällt ein großer Teil der gebildeten Stickoxide wieder unter Wärmefreisetzung in Stickstoff und Sauerstoff. Beispielsweise in Verbrennungsmotoren erfolgt jedoch die Abkühlung des Abgases so schnell, dass ein wesentlicher Teil der Stickoxide im Abgas verbleiben kann.

In Verbrennungsmotoren (Ottomotoren und Dieselmotoren) entstehen Stickoxide größtenteils durch das Aufbrechen von Stickstoffmolekülen (N2) aufgrund der hohen Temperatur (thermisches NOx). Ein kleinerer Teil (ca. 5 bis 10 %) entsteht als sogenanntes promptes NOx durch chemische Reaktionen zwischen Radikalen aus dem Brennstoff und dem Stickstoff der Luft.

Bei anderen Brennstoffen wie Kohle, Holz und Schweröl kann auch ein wesentlicher Teil der Stickoxide aus Stickstoff-Bestandteilen des Brennstoffs entstehen (Brennstoff-NOx).

Details der Bildung von Stickoxiden können für die Effektivität von Entstickungs-Maßnahmen wichtig sein. Beispielsweise kann thermisches NOx durch eine Absenkung der Verbrennungstemperatur reduziert werden, während Details der Luftzufuhr die Bildung von Brennstoff-NOx beeinflussen können.

Bildung von Stickoxiden in Maschinen; NOx-Minderungsmaßnahmen

Aus dem oben gesagten wird klar, dass ein Verbrennungsmotor besonders viel Stickoxide produziert, wenn er mit hoher Leistung und hoher Drehzahl betrieben wird. Allerdings spielt auch das Verbrennungsluftverhältnis eine wichtige Rolle: Stickoxide entstehen eher bei Verbrennung mit Luftüberschuss – außer der Luftüberschuss ist so groß, dass die Verbrennungstemperatur deutlich herabgesetzt wird. Ein Stück weit kann ein Abgaskatalysator (vor allem ein Dreiwegekatalysator) die Stickoxide aus dem Abgas wieder entfernen (nachträgliche Entstickung), indem er sie in Stickstoff und Sauerstoff zerlegt. Seine Wirksamkeit hängt allerdings von den Einsatzbedingungen ab – bei Luftüberschuss ist die Stickoxid-Reduktion schwieriger.

Ottomotoren (Benzinmotoren) können hohe Mengen von Stickoxiden erzeugen, die jedoch mit einem Dreiwegekatalysator größtenteils wieder entfernt werden, sobald dieser seine Betriebstemperatur erreicht hat (also noch nicht direkt nach dem Kaltstart). Bei Dieselmotoren ist die Entstickung deutlich schwieriger und erfolgt nur bei modernen Motoren. Diesen technischen Schwierigkeiten tragen auch Abgasnormen Rechnung. Beispielsweise limitiert die Abgasnorm Euro 5 für Personenwagen mit Benzinmotor die Stickoxidemissionen auf 60 mg/km, während für Autos mit Dieselmotoren der dreifache Wert (180 mg/km) gilt. Mit der Euro 6 (seit dem September 2014) erfolgte allerdings eine deutliche Verschärfung auf 80 mg/km für Diesel-Pkws. Leider haben Messungen aber gezeigt, dass die Stickoxidemissionen vieler moderner Dieselfahrzeuge im Praxisbetrieb weit oberhalb derjenigen liegen, die in den bislang benutzten Zulassungstests gemessen werden [2]. Offenbar erfolgen diese Testmessungen nicht unter hinreichend realistischen Bedingungen, und manche Motoren scheinen speziell auf diese Testmessungen hin optimiert zu sein. In 09/2015 flog auf, dass Volkswagen sogar gesetzlich verbotene Manipulationen eingesetzt hat, um die Einhaltung von Grenzwerten in Abgastests zu erzielen, obwohl die Emissionen in der Praxis vielfach höher sind [3]. Es sollte möglich sein, realistischere Testbedingungen vorzuschreiben, Betrügereien zu unterbinden und die Motoren bzw. ihre Abgasreinigungsanlagen besser zu optimieren, aber dies könnte zu weiteren Erhöhungen der Herstellungskosten führen.

Bei Verbrennungsmotoren wie auch bei Kraftwerksfeuerungen (z. B. in Kohlekraftwerken) gibt es diverse Primärmaßnahmen, um die Bildung von Stickoxiden direkt im Prozess zu vermindern. Hierbei spielt meist eine genaue Kontrolle der Verbrennungsluftzufuhr eine Rolle, aber es gibt auch Methoden wie die Abgasrückführung. Sekundärmaßnahmen sind solche, die die Stickoxide nachträglich wieder aus dem Abgas entfernen. Hierzu gehört die Verwendung von Abgaskatalysatoren (siehe oben) wie auch die selektive nichtkatalytische Reduktion. Leider können manche Maßnahmen der Stickoxidreduktion (auch Dreiwegekatalysatoren) andererseits die Bildung des klimaschädlichen Lachgases (N2O) verstärken.

In der Landwirtschaft kann die Bildung von Lachgas (und gleichzeitig der Energiebedarf) reduziert werden, indem der Einsatz von Stickstoffdüngern reduziert wird.

Gesundheitliche und ökologische Wirkungen

Stickoxide sind besonders wichtige Luftschadstoffe. Sie sind in Konzentrationen, wie sie in Städten häufig entstehen, für die Atemwege schädlich. Insbesondere Stickstoffdioxid (NO2) hat eine stark reizende Wirkung und trägt zu Asthmaerkrankungen bei – selbst in Gegenden, in denen die Immissionsgrenzwerte eingehalten werden. Der charakteristische Geruch von Stickoxiden ist in Autoabgasen oft leicht zu erkennen. Bei der Bildung von Smog an stark belasteten Standorten spielen Stickoxide eine wichtige Rolle.

Ein weiteres Problem ist, dass Stickoxide in der Atmosphäre die Entstehung des ebenfalls giftigen und die Atemwege reizenden Ozons (unter Mitwirkung von ultraviolettem Licht) begünstigen. Da die entsprechenden chemischen Reaktionen nicht sofort am Ort der Emissionen stattfinden und hohe Stickoxidkonzentrationen lokal sogar die Ozonbildung unterdrücken, sind die Ozonkonzentrationen fernab der Emittenten von Stickoxiden oft sogar höher. Übrigens wird die Ozonbildung aus Stickoxiden gefördert, wenn zusätzlich noch Kohlenwasserstoffe (aus Abgasen oder auch aus natürlichen Quellen) in der Luft sind.

Bei Kontakt mit Wasser bilden Stickoxide (mit Ausnahme von N2O) Säuren. Sie tragen dadurch zur Versauerung von Böden und Seen bei.

Eine weitere Wirkung vor allem von N2O (Lachgas) ist die Verstärkung des Treibhauseffekts: N2O ist über 300 mal stärker klimawirksam als Kohlendioxid (CO2). Dieses Gas entsteht vor allem in der Landwirtschaft, kaum jedoch bei Verbrennungsprozessen.

Die lokale Belastung der Luft mit Stickoxiden (Stickoxid-Immissionen) hängt z. B. in Deutschland stark vom jeweiligen Standort ab: In städtischen Gebieten und insbesondere in verkehrsreichen Zonen treten die höchsten Belastungen auf. Der Individualverkehr und Lieferverkehr trägt hierzu am meisten bei, und zwar hauptsächlich von Fahrzeugen mit Dieselmotor. (Zwar wurden die Stickoxid-Emissionsgrenzwerte für Dieselmotoren in den letzten Jahren immer mehr abgesenkt, jedoch hat sich gezeigt, dass die Wirksamkeit der Stickoxid-Minderung im Praxisbetrieb häufig weitaus geringer ist als in den offiziellen Testzyklen.) Andere wesentliche Emittenten, die jedoch allesamt wesentlich weniger Stickoxide emittieren als der Verkehr, sind Haushalt und Gewerbe (z. B. Heizungsanlagen), Kraftwerke (trotz inzwischen weitgehender Entstickung) und Industrie. Die bisher erreichte Verminderung der Stickoxid-Immissionen ist vielerorts noch unzureichend, vor allem für den Schutz der menschlichen Gesundheit.

Literatur

[1]Aktuelle Luftdaten vom Umweltbundesamt, http://www.umweltbundesamt.de/daten/luftbelastung/aktuelle-luftdaten
[2]V. Franco et al., “Real-world exhaust emissions from modern diesel cars”, International Council of Clean Transportation, http://www.theicct.org/sites/default/files/publications/ICCT_PEMS-study_diesel-cars_20141010.pdf
[3]Blog-Artikel: Dieselfahrzeuge von Volkswagen: Einhaltung von Abgasgrenzwerten mit illegalen Tricks
[4]Blog-Artikel: Dieselfahrzeuge von Volkswagen: Einhaltung von Abgasgrenzwerten mit illegalen Tricks
[5]Blog-Artikel: Stickoxidemissionen von modernen Dieselfahrzeugen – deutlich höher als gedacht

(Zusätzliche Literatur vorschlagen)

Siehe auch: Abgas, Ozon, Messverfahren für Kraftstoffverbrauch und Abgaswerte
sowie andere Artikel in den Kategorien Fahrzeuge, Umwelt und Ökologie

Alles verstanden?


Frage: Warum gelten Immissionsgrenzwerte üblicherweise für NO2, nicht aber für NO?

(a) weil NO ohnehin kaum gebildet wird

(b) weil NO nur mäßig gesundheitsschädlich ist

(c) weil NO in der Luft rasch zu NO2 oxidiert wird


Frage: Welche Faktoren begünstigen die Bildung von Stickoxiden in den Abgasen eines Verbrennungsmotors?

(a) niedrige Verbrennungstemperaturen

(b) hohe Verbrennungstemperaturen

(c) niedrige Drehzahlen, weil dann die Temperatur im Zylinder länger hoch bleibt

(d) durch unzureichende Zerstäubung des Kraftstoffs im Dieselmotor


Frage: Warum sind die Stickoxidemissionen des Verkehrs trotz inzwischen viel schärferer Emissionsgrenzwerte nicht stark gesunken?

(a) weil der Verkehr gar keine bedeutende Quelle für Stickoxide ist

(b) weil der Verkehr stark zugenommen hat

(c) weil viele Fahrzeuge in der Praxis viel höhere Emissionen aufweisen als in offiziellen Messverfahren


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