Technische Details: Ethanolkraftstoff

Chemische Reaktion Ethanol-Autokraftstoff

Reaktionsgleichung

Die chemische Reaktion (die 'Verbrennung') des Ethanols mit dem Sauerstoff der Luft, zu Wasser und Kohlendioxid, ist einfach:

Massenbedarf, Kohlendioxidausstoß

Aus der Reaktionsgleichung lässt sich die Masse m_CO2 freigesetzten Kohlendioxids für eine gegebene Masse Ethanol m_C2H5OH errechnen. Mit den Molekülmassen
M_CO2=44,01 g/mol
M_C2H5OH=46,07 g/mol
ergibt sich

Wird nun noch die Masse des Ethanols über das Volumen V_C2H5OH, mittels der Dichte ρ_C2H5OH des Ethanols ausgedrückt, also
m_C2H5OH = ρ_C2H5OH V_C2H5OH
dann ergibt sich der Kohlendioxidausstoß zu:

Numerisch ergibt sich damit:

m_CO2 = 1,49 kg/l V_C2H5OH

Aus der Verbrennung eines Liters Ethanol entsteht also eine Masse 1,49 kg Kohlendioxid

Zum Vergleich: Aus der Verbrennung eines Liters Benzin entsteht eine Masse 2,4 kg Kohlendioxid:

m_CO2 = 2,4 kg/l V_Benzin

Wird noch der um 20% größere Kraftstoffverbrauch im Ethanolbetrieb berücksichtigt, ergibt sich ein relativer Kohlendioxidausstoß von 1,8 für Ethanol und 2,4 für Benzin. Ohne (zusätzliche) Berücksichtigung der umweltfreundlichen Gewinnung von Ethanol, reduziert der Ethanolbetrieb eines Kraftfahrzeuges den Kohlendioxidausstoß um 25%.

Wirkungsgrad

Thermodynamischer Wirkungsgrad

Der Wirkungsgrad η ist als das Verhältnis aus genutzter Energie zu aufgewandter Energie definiert. Die Hauptsätze der Thermodynamik beschreiben die Unmöglichkeit einer Energiererzeugung oder einer vollständigen Energieumwandlung. Es wird stets nur ein Teil einer zugeführten Energie genutzt...

In einer thermischen Reaktion (etwa einer Verbrennung) ist der Wirkungsgrad η über das Verhältnis der Temperaturen θ₁; θ₂ bestimmt (Die Tempearaturen müssen in der SI-Einheit [K] gemessen werden):

Die Verbrennungstemperaturen von Ethanol sowie Benzin sind bekannt mit etwa
&theta_Ethanol = 2400 K
&theta_Benzin = 2100 K.

Die Kalttemperatur des unverbrannten Gases kann (nur theoretisch) mit etwa
&theta_kalt = 300 K
angenommen werden. Damit ergeben sich die theoretisch maximalen Verbrennungswirkungsgrade zu:

&eta_{Ethanol, max} = 0,875
&eta_{Benzin, max} = 0,857

Praktischer Wirkungsgrad

Der tatsächliche Wirkungsgrad im Fahrzeugmotor ist jedoch deutlich kleiner. Abgesehen von Reibungsverlusten in der Kraftübertragung (im Motor, im Getriebe und den Reifen) werden die optimalen Temperaturen nicht erreicht. Zum Einen wird die kalte Luft vom Motor angewärmt, so dass die theoretische Temperaturdifferenz nicht erreicht wird. –Und zum Anderen findet die Verbrennung innerhalb der Zeit statt. Eine schnelle Verbrennung führt zu einer nicht vollständigen Erhitzung des gesamten Verbrennungsgases. Auch hierdurch wird die tatsächliche Temperaturdifferenz verkleinert.

Doch auch hier weist Ethanol Vorteile gegenüber Benzin auf. Die Verbrennungsgeschwindigkeit, angegeben über die Oktanzahl (ROZ), ist für Ethanol geringer als für Benzin:

ROZ_Benzin = 96
ROZ_Ethanol = 110

Grundsätzlich lässt sich hier sagen: Eine größere Oktanzahl bedeutet einen größeren Wirkungsgrad, da mehr Zeit für eine Verbrennung und Durchwärmung des Gases zur Verfügung steht (Verhältnis ROZ_Ethanol / ROZ_Benzin = 1,15).

Über den Gesamtwirkungsgrad (unter Berücksichtigung aller Verluste) finden sich keinerlei Angaben. Ob dieses an einem mangelnden Interesse der Fahrzeughersteller liegt (etwa Geheimhaltung gegenüber der Konkurrenz), oder eher auf die Einschätzung, dass die Fahrzeugkäufer dieses doch nicht verstehen würden, zurückzuführen ist, bleibt offen...

Aus eigenen Verbrauchsmessungen, unter bekannten Einsatzbedingungen, ergibt sich eine realistische Abschätzung der Wirkungsgrade, die für weitere Untersuchungen als Grundlage verwendet werden kann:

&eta_{Ethanol, eff} = 0,6
&eta_{Benzin, eff} = 0,5

Energiepreis

Mit den Bezeichnungen

p_eff: Preis_per_Energie
p:   Preis_per_Volumen
H:   Energie_per_Masse
ρ:   Dichte
η:   Wirkungsgrad

ergibt sich der Energiepreis zu:

Hierfür sind die Daten der Kraftstoffe bekannt mit:

Mischungen

Heutzutage wird Ethanol mit Benzin gemischt – das vergrößert den Energiegehalt der Mischung und verbessert die Gleit- und Kaltstarteigenschaften. Und deshalb muss der Volumen-Energiegehalt der Mischung noch berechnet werden:

Mit den Bezeichnungen

p: Energie_per_Volumen
n_Benzin: Anteil_Benzin
n_Ethanol: Anteil_Ethanol
H_Benzin: Energie_per_Masse_Benzin
H_Ethanol: Energie_per_Masse_Ethanol
ρ_Benzin: Dichte_Benzin
ρ_Ethanol: Dichte_Ethanol
η_Benzin: Wirkungsgrad_Benzin
η_Ethanol: Wirkungsgrad_Ethanol

ergibt sich dann:

p = n_Ethanol H_Ethanol ρ_Ethanol η_Ethanol  +   n_Benzin H_Benzin ρ_Benzin η_Benzin

Die verbreitete Mischung E85 enthält 85% (=0,85) Ethanol und folglich 15% (=0,15) Benzin.