Erdgasantrieb: Nutzung im Fahrzeugbau
Die Anstrengungen der Industriestaaten zur Senkung der Schadstoffemissionen bzw. des klimabeeinträchtigenden Kohlendioxidausstoßes hat neben der Entwicklung von Elektro-, Hybrid- und Brennstoffzellenantrieben auch zu Überlegungen geführt, herkömmliche Diesel- und Benzinmotoren mit alternativen Kraftstoffen zu betreiben. Eine Möglichkeit bietet die Verwendung kohlenstoffarmen Erdgases, dessen Vorteil u. a. darin liegt, dass herkömmliche Benzinmotoren ohne wesentlichen Bauaufwand auf diese Antriebsart umrüstbar sind. Derzeit sind weltweit über 1 Mio. Kraftfahrzeuge mit Erdgas im Einsatz (ca. 2500 in Deutschland).
Unterschied zwischen Erdgas und Autogas
Der Kraftstoff Erdgas besteht überwiegend aus Methan (CH4) und unterscheidet sich daher chemisch vom Autogas, das Mitte der 1980er-Jahre eine kurze Popularitätsphase erlebte und bei dem es sich um ein Gemisch aus Propan (C3H8) und Butan (C4H10) handelt. Der geringe Kohlenstoffanteil (C) führt dazu, dass bei der Verbrennung von Erdgas etwa 20-25 % weniger Kohlendioxid (CO2) entsteht als bei der Benzinverbrennung. Auch bei anderen Abgasemissionen (Kohlenmonoxid etc.) sowie bei Partikeln erweist sich Erdgas gegenüber Benzin, Diesel oder Autogas als wesentlich günstiger.
Methan zeichnet sich durch folgende Merkmale aus: Es ist ungiftig für den Menschen, es hat ein 80 % niedrigeres Ozonbildungspotenzial als Benzin, jedoch einen 20fach stärkeren Treibhauseffekt als CO2 (dadurch müssen von der 20-25 %igen CO2-Reduktion im Vergleich mit Benzin etwa 5 % abgezogen werden) und die CH4-Umwandlung ist im Vergleich mit anderen Kohlenwasserstoffen (HC) schwieriger, was spezialbeschichtete Katalysatoren erforderlich macht.
Grundsätzlich bieten sich zur Speicherung des Erdgases der flüssige oder der gasförmige Zustand an. Technisch am ausgereiftesten ist die Speicherung in gasförmigem Zustand. Dazu wird das Erdgas auf ca. 20 MPa (200 bar) komprimiert. Bei einem 80-Liter-Gastank ergibt sich eine Reichweite von etwa 200-250 km (Daten für BMW 518 g). Eine größere Reichweite verspricht die flüssige Speicherung, wofür das Gas auf -163 ºC gekühlt werden muss. In Europa kommt aufgrund der einfacheren Speichermöglichkeit vor allem die Druckgasspeicherung (gasförmig) zum Einsatz.
Bivalenter Benzin-Erdgasantrieb
Der Nachteil bei der Druckgasspeicherung ist der Einsatz von großvolumigen Tanks, deren Energiegehalt nicht mit dem von Diesel- oder Benzintanks vergleichbar ist (der 80-Liter-Gastank entspricht etwa einem 25-Liter-Benzintank). Um dem entgegenzuwirken, werden erdgasbetriebene Fahrzeuge häufig mit bivalentem Benzin-Erdgasantrieb ausgestattet, d. h., sie können wahlweise mit Ottokraftstoff oder Erdgas betrieben werden.
Vom Gastank gelangt das Gas über eine Hochdruckleitung und einen elektrisch ansteuerbaren tanknahen Absperrhahn, der vom Fahrer zum Ein- und Ausschalten des Gasbetriebs genutzt wird, zum Hochdruckventil und von dort zum Hochdruckminderer. Diesem ist ein zweistufiger Niederdruckregler (Druckregler plus Niederdruckventil) nachgeschaltet, der den Druck auf 0,1 MPa (1 bar) über Saugrohrdruck reduziert. In der nachfolgenden Dosiereinheit wird der Gasstrom den Motorbedingungen entsprechend über vier Gasventile, die vor den Einspritzventilen des Benzinmotors angeordnet sind, den Saugrohren zugeführt. Ein Gassteuergerät mit einer eigenen Lambdasonde und ein Saugrohrdrucksensor zur Lasterfassung ermöglichen die richtige Gemischzusammensetzung. Über einen Taster kann der Fahrer jederzeit zwischen den beiden Betriebsarten Erdgas und Benzin wählen.
Reiner Erdgasantrieb
Der Wirkungsgrad eines mit Erdgas betriebenen Motors entspricht ungefähr dem eines mit Benzin gefahrenen Motors; allerdings ergibt sich eine etwa 15 %ige Minderung der Motorleistung im Gasbetrieb. Während die Reichweite bei bivalentem Antrieb durch den zusätzlichen Gastank höher ist als beim ausschließlich benzinbetriebenen Fahrzeug, ist der Aktionsradius von reinen (monovalenten) Erdgasfahrzeugen eingeschränkt: ca. 380-460 km Reichweite mit 120-Liter-Gastank (Honda Civic GX). Außerdem steht erdgasbetriebenen Fahrzeugen der zusätzliche Platzbedarf für die Gasflasche entgegen, die üblicherweise im Kofferraum platziert wird. Allerdings kann bei monovalenten Gasfahrzeugen der Motor optimal auf die hohe Oktanzahl von 130 und die langsamere Verbrennung des Erdgases eingestellt werden, sodass zukünftig von derartigen Motoren etwa das gleiche Leistungspotenzial wie von herkömmlichen Benzinmotoren zu erwarten ist, bei jedoch deutlich niedrigeren Schadstoffemissionen im Erdgasbetrieb. Ob sich Erdgasfahrzeuge in Zukunft durchsetzen werden, hängt entscheidend auch von der Anzahl der Erdgastankstellen ab, die derzeit, zumindest in Deutschland, noch nicht flächendeckend vorhanden sind.