Untersuchung eines Erdgasfahrzeugs

Energetische und wirtschaftliche Analyse, sowie Emissionsmessungen an einem Fahrzeug mit bivalentem Erdgas-/Benzinbetrieb

Im Auftrag des Zentrums für Angewandte Energieforschung e.V. (ZAE Bayern) und mit Förderung durch das Bayerische Staatsministerium für Wirtschaft, Verkehr und Technologie wurde an der Forschungsstelle für Energiewirtschaft ein nachträglich auf bivalenten Erdgas-/Benzinbetrieb umgerüsteter VW-Bus Caravelle T4 hinsichtlich Energieverbrauch, Schadstoffemissionen und Wirtschaftlichkeit untersucht. Zur detaillierten Bilanzierung des Endenergieverbrauchs bei der Betankung des Fahrzeugs mit Erdgas wurde eine Kleinbetankungsanlage vom Typ Fuelmaker FM4 betrieben. Das Versuchsfahrzeug wurde mit einer umfangreichen, mobilen Messtechnik ausgerüstet, die es erlaubte, sowohl den Energieverbrauch als auch die Emissionen in beiden Betriebsarten kontinuierlich zu erfassen. Für die differenzierte Betrachtung der Schadstoffemissionen kam dabei erstmals ein in das Versuchsfahrzeug installiertes Massenspektrometer zum Einsatz. Neben den reproduzierbaren Prüfstandszyklen konnten somit auch Ergebnisse aus dem normalen Alltagsverkehr gewonnen werden.

Zusammengefasste Ergebnisse:

Im Erdgasbetrieb wurde sowohl bei realen Beschleunigungs- als auch Rollenprüfstandsversuchen eine 10 bis 13 %ige Leistungsminderung gegenüber dem Benzinbetrieb festgestellt. Damit war jedoch in keinem Einsatzbereich eine Einschränkung der Alltagstauglichkeit des Fahrzeugs verbunden.

Energieverbrauch

Der durchschnittliche Mehrverbrauch an Endenergie im Erdgas- gegenüber dem Benzinbetrieb betrug 5,8 % im Autobahn-, 10,6 % im Überland- und 7,1 % im Stadtverkehr. Diese Werte wurden auf repräsentativen Referenzstrecken ermittelt. Der über einen Zeitraum von 9 Monaten (Sommer- und Winterbetrieb) aus 275 Fahrten gemittelte Energieverbrauch des Versuchsfahrzeugs lag im Erdgasbetrieb um rd. 9 % höher als im Benzinbetrieb. Es bestehen jedoch Möglichkeiten der Motoroptimierung, so daß der Mehrverbrauch im Erdgasbetrieb erheblich gesenkt werden könnte.

Die äußeren Einflussgrößen wie Streckencharakteristik, Geschwindigkeit, Motortemperatur, Außentemperatur, Zuladung und individuelles Fahrverhalten beeinflussen in großem Umfang den Energieverbrauch von Kraftfahrzeugen. Den niedrigsten spezifischen Energieverbrauch wies das Versuchsfahrzeug bei Durchschnittsgeschwindigkeiten zwischen 55 km/h und 70 km/h auf. Der Einfluss der Motortemperatur auf den Energieverbrauch des Versuchsfahrzeugs wurde anhand eines Kaltstart-Warmstart-Vergleichs untersucht. Für eine Fahrstrecke von 5 km im Stadtverkehr lag der Energieverbrauch nach einem Kaltstart um rd. 10 % im Benzinbetrieb und 16 % im Erdgasbetrieb über dem Energieverbrauch von Fahrten mit betriebswarmem Motor. Weiterhin erhöhen Fahrten mit großer Zuladung den Energieverbrauch. Bei flüssigem Durchgangsverkehr bewirkte eine 10 %ige Erhöhung des Fahrzeuggewichtes eine 4,6 %ige Steigerung des Energieverbrauchs in beiden Betriebsarten. Die individuelle Fahrweise erwies sich als die dominierende Einflussgröße auf den Energieverbrauch des Kraftfahrzeugs. So bewirkte ein "sportliches" Fahrverhalten bei sonst gleichen Rahmenbedingungen im Stadtverkehr einen Anstieg des Energieverbrauchs um bis zu 50 %.

Das Fahrzeug wurde mit einer Kleinbetankungsanlage vom Typ Fuelmaker FM4 mit Erdgas betankt. Der Energieverbrauch bei dieser direkten Betankung ist abhängig vom Füllzustand der Speicherflasche im Fahrzeug. Über alle Betankungsversuche wurde der Energieverbrauch der Tankstelle zu durchschnittlich 0,39 kWhel/Nm³ bestimmt, entsprechend ca. 4 % des Energieinhalts der getankten Erdgasmenge.

Emissionen

Die Emissionen des Versuchsfahrzeugs wurden sowohl über Vergleichsmessungen auf Prüfständen mit herkömmlicher Messtechnik, als auch durch Onroad-Messungen mit einem mobilen Massenspektrometer unter realen Fahrbedingungen ermittelt.

Die Untersuchungen haben gezeigt, dass mit dem Versuchsfahrzeug im Erdgasbetrieb teilweise erheblich geringere Mengen an lokal wirksamen Schadstoffen emittiert werden als im Benzinbetrieb. So reduziert sich durch das Umschalten von Benzin auf Erdgas der Kohlenmonoxidausstoß um nahezu die Hälfte und der Stickoxidausstoß um etwa ein Drittel.

Zwar wird im Erdgasbetrieb gegenüber Benzinbetrieb die rund 2,5-fache Menge an Kohlenwasserstoffen emittiert, doch bestehen diese im Erdgasbetrieb zu rund  90 % aus nicht-gesundheitsschädlichem aber treibhauswirksamem Methan. Der Ausstoß an toxischen und teilweise krebserregenden einfachen aromatischen Kohlenwasserstoffen (Benzol, Toluol, Xylol) reduziert sich im Erdgasbetrieb auf einige Prozent des Ausstoßes im Benzinbetrieb. In etwa der gleichen Größenordnung wird der Ausstoß der beiden wichtigsten Ozonbildner Propen und Butadien im Erdgasbetrieb verringert.

Der Ausstoß an teilweise hochgiftigen und krebserregenden polyzyklischen aromatischen Kohlenwasserstoffen, welcher auch im Benzinbetrieb sehr gering ist, konnte im Erdgasbetrieb zum Teil überhaupt nicht nachgewiesen werden.

Der Schadstoffausstoß bei realen Fahrten wurde auf einer etwa 9 km langen Referenzstrecke am Stadtrand von München untersucht. Dabei hat sich gezeigt, dass der Ausstoß von lokal wirksamen Schadstoffen im erheblichen Umfang durch den Kaltstart beeinflußt wird. Bei Außentemperaturen um den Gefrierpunkt wurden im Benzinbetrieb nach Kaltstarts bis zu fünffach höhere Emissionen bestimmter Nichtmethankohlenwasserstoffe (z.B. Butadien) gemessen als bei Fahrten mit betriebswarmem Motor. Im Erdgasbetrieb war der Einfluss der Motortemperatur auf die Freisetzung dieser Kohlenwasserstoffe deutlich geringer.

Der Vorteil des im Vergleich zu Benzin geringen Kohlenstoffgehalts von Erdgas wurde durch den höheren Energieverbrauch im Erdgasbetrieb teilweise kompensiert. Bei in beiden Betriebsarten gleichem Energieverbrauch würde sich im Erdgasbetrieb ein um 23 % geringerer Kohlendioxidausstoß ergeben. Die tatsächliche Reduktion des Kohlendioxidausstoßes im Erdgasbetrieb gegenüber dem Benzinbetrieb wurde zu etwa 15 % bis 20 % bestimmt.

Wirtschaftlichkeit

Bei der Berechnung der Wirtschaftlichkeit von Erdgasfahrzeugen hat sich gezeigt, daß aufgrund des geringeren Kraftstoffpreises die Betriebskosten im Erdgasbetrieb günstiger sind als im Benzinbetrieb. Wegen der hohen Umrüstungskosten ist jedoch mit einer zügigen Amortisation nur bei Fahrzeugen mit hohem Energieverbrauch und hoher Fahrleistung, beispielsweise bei Bussen und Nutzfahrzeugen, zu rechnen. Den Ausschlag für die Umrüstung eines Pkw auf Erdgasbetrieb dürften deshalb häufiger ideelle Aspekte als wirtschaftliche Überlegungen geben. Für das Versuchsfahrzeug ergab sich bei den derzeitigen Kraftstoffkosten und einer Fahrleistung von jährlich 25.000 Kilometern eine Amortisationsdauer von knapp 6 Jahren.

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