Ein Kraftstoff (auch Treibstoff) ist ein Brennstoff, dessen chemische Energie durch Verbrennung in Verbrennungskraftmaschinen (Verbrennungsmotor, Gasturbine, …) und Raketentriebwerken in mechanische bzw. kinetische Energie umgewandelt wird.
Kraftstoffe werden überwiegend zum Antrieb von Fortbewegungsmitteln (Kraftfahrzeug, Flugzeug, Schiff, Rakete) verwendet. Da sie jeweils mittransportiert werden müssen, werden häufig Stoffe mit einer hohen Energiedichte eingesetzt. Aber auch stationäre Verbrennungsmotoren werden mit ihnen betrieben.
Bei der Verbrennung wird als Oxidator meist der Luft-Sauerstoff verwendet, teils, vor allem bei Raketen, aber auch ein eigener Oxidator wie verflüssigter Sauerstoff, Lachgas oder Salpetersäure.
Nomenklatur Die Abgrenzung des Begriffes Kraftstoff zu dem Begriff Treibstoff ist nicht durchgängig einheitlich geregelt: Als Kraftstoff wird normalerweise ein Stoff bezeichnet, der zur direkten Verbrennung in einer Verbrennungskraftmaschine genutzt wird. Besonders gängig ist der Begriff im Bereich der Kraftfahrzeugtechnik. Als Treibstoff wird normalerweise ein Stoff bezeichnet, der zum Antrieb eines Fortbewegungsmittels, seltener auch einer stationären Maschine, verwendet wird. Somit schließt der Begriff die Kraftstoffe mit ein. Besonders gängig ist der Begriff Treibstoff im Bereich der Schifffahrt und der Luft- und Raumfahrt.
In den meisten anderen Sprachen gibt es die Unterscheidung so nicht. So bedeutet z. B. im Englischen der Begriff fuel allgemein Brennstoff. Dies schließt Kraftstoffe (manchmal motor fuel genannt) und Treibstoffe (manchmal propellant genannt) mit ein.
Nicht als Kraftstoff bezeichnet werden üblicherweise Stoffe, die zwar als Energieträger für einen Antrieb dienen, bei denen aber keine chemische Energie freigesetzt wird, z. B. Wasser für eine Wasserturbine oder Uran für den Kernreaktor eines Nuklearantriebs.
Arten von Kraftstoffen Flüssige Kraftstoffe Kerosin, Motorpetroleum bzw. Petroleum Benzin (Ottokraftstoff) Zweitaktgemisch (Ottokraftstoff mit Ölzusatz) AvGas (Flugbenzin) / MoGas (Ottokraftstoffe für Otto- oder Wankel-Flugmotoren) Benzin-Benzol-Gemisch (Bibo) (Ottokraftstoff) Dieselkraftstoff Marinedieselöl Biodiesel XtL-Kraftstoffe, darunter GtL-Kraftstoff (Gas-to-Liquid), BtL-Kraftstoff (Biomass-to-Liquid) und CtL-Kraftstoff (Bsp.: Leuna-Benzin (Coal-to-Liquid)) Emulsionskraftstoff (meist Wasser in Diesel, zur Schadstoffminderung durch Temperaturabsenkung) Leichtbenzin Alkylatbenzin Ethanol-Kraftstoff, darunter Bioethanol und Cellulose-Ethanol Butanol, darunter Biobutanol Flüssigerdgas (auch: LNG Liquefied Natural Gas) Flüssiges Biomethan (auch: LBM – Liquefied Biomethane, Bio-LNG) komprimiertes (verflüssigtes) Power-to-Gas-Brenngas (Hauptbestandteil Methan) Flüssiggas (Hauptbestandteile Propan/Butan-Gemisch, auch: Autogas, Campinggas, LPG bzw. Liquefied Petroleum Gas) Methanol Pflanzenöl Hydriertes Pflanzenöl Schweröl Benzol Gasöl Nitromethan
Gasförmige Kraftstoffe Erdgas – auch: Methan, CNG (Compressed Natural Gas) oder LNG (Liquid Natural Gas) Wasserstoff, darunter Biowasserstoff Ammoniak Kompogas Biogas Methan – auch: Erdgas, darunter Biomethan Ethan Dimethylether Holzgas Deponiegas Blaugas
Feste Kraftstoffe Festbrennstoffe (zum Beispiel für Antriebe von Feststoffraketen)
Verfahren zur Herstellung oder Gewinnung von Kraftstoffen Kohlevergasung Holzvergasung Elektrolyse (für Wasserstoffherstellung) Steam-Reforming zur Herstellung von Wasserstoff aus Kohlenwasserstoffen, wie beispielsweise Biomasse Power-to-Ammonia Erdölraffinerie Kohleverflüssigung Gas-to-Liquids Alkoholische Gärung Ölmühle Methanolsynthese aus Erdgas bzw. Synthesegasen oder aus recycletem CO2 in Kombination mit Wasser, siehe Methanolwirtschaft Fraktionierte Destillation Umesterung Biogasaufbereitung
Vergleich von Kraftstoffen Für die Reichweite eines Fahrzeugs sind neben dem Wirkungsgrad seiner Aggregate u. a. das Volumen des Tanks und die darin gespeicherte Energie ausschlaggebend. Der physikalische Vergleich der Heizwerte (kWh pro m³) zeigt, dass flüssige Treibstoffe hinsichtlich ihrer Energiedichte optimal sind. Bei Gasen hängt der Energiegehalt stark vom Druck ab.
Name Aggregatzustand Dichte in kg/m³Für komplexe Stoffgemische sind Durchschnitts- bzw. Mittelwerte angegeben. Heizwert in kWh/kg Heizwert pro VolumeneinheitenBerechnet aus dem jeweiligen bequellten Wert nach wenn nicht anders angegeben. Wasserstoff gasförmig (Normaldruck) 0,09 33,3 3 kWh/m³ Wasserstoff gasförmig (20 MPa) 33,3 530 kWh/m³ Wasserstoff flüssig 70,8 33,3 2351 kWh/m³ Erdgas H-Gas (CNG/GNV) gasförmig (Normaldruck) 0,81 13,0 10,5 kWh/m³ Erdgas L-Gas (CNG/GNV) gasförmig (Normaldruck) 0,82 11,3 9,3 kWh/m³ Erdgas gasförmig (20 MPa) 12,0 2580 kWh/m³ Autogas („Flüssiggas“) flüssig 540 12,8 6966 kWh/m³ Superbenzin flüssig 748 11,4 8527 kWh/m³ Methanol flüssig 787 5,53 4352 kWh/m³ Ethanol flüssig 789 7,43 5862 kWh/m³ Benzin-Benzol-Gemisch flüssig 796 11,6 9300 kWh/m³ Diesel flüssig 833 11,9 9912 kWh/m³ Benzol flüssig 879 11,1 9756 kWh/m³ Pflanzenöl flüssig 918 10,4 9547 kWh/m³
Die Möglichkeit, einen Treibstoff in einem Motor einzusetzen, hängt nicht nur von dessen Brennwert ab, sondern auch von der Auslegung des Motors und seiner Treibstoffzufuhr, den jeweiligen chemischen und physikalischen Eigenschaften des Treibstoffes und der ihm beigemischten Additive. Beispielsweise können sich Ventile und Ventilsitze, die für die Verbrennung von Benzin ausgelegt worden sind, bei Betrieb mit Erdgas oder Autogas (keine Beimischung von Additiven) schneller abnutzen, weshalb Fahrzeughersteller ihre Erdgasfahrzeuge mit speziellen für Erdgasbetrieb ausgelegten Motoren ausstatten.
Darüber hinaus werden Kraftstoffe nach dem Zündungsprinzip unterschieden, ob also Selbstzündung (Dieselmotor) oder Fremdzündung (Ottomotor) verwendet wirdMichael Hilgers: Nutzfahrzeugtechnik: Alternative Antriebe und Ergänzungen zum konventionellen Antrieb, SpringerVieweg, Wiesbaden 2016, 71 Seiten, ISBN 978-3-658-14642-9, E-Book: (doi:10.1007/978-3-658-15492-9).. Ein weiterer wichtiger Diskussionspunkt bei der Verwendung alternativer Kraftstoffe ist die Frage, ob er sich in die bestehende Infrastruktur eingliedern lässt oder eine neue Infrastruktur erfordert. Besonders günstig in dieser Hinsicht sind alternative Kraftstoffe, die sich den bestehenden konventionellen Kraftstoffen aus fossilen Kohlenwasserstoffen beimischen lassen. Der Beimischungsanteil lässt sich dann „infrastrukturneutral“ allmählich anheben.
Ein entscheidender Aspekt bei der Bewertung der Kraftstoffe (konventioneller wie alternativer Kraftstoffe) ist die Kostensituation für den Verbraucher. Die Kraftstoffkosten sind stark von der nationalen Besteuerung abhängig und variieren je nach Land erheblich (siehe unten „Kraftstoffpreisentwicklung“).
Alternative Kraftstoffe
Als Alternative Kraftstoffe werden Kraftstoffe bezeichnet, die herkömmliche aus Mineralöl hergestellte Kraftstoffe ersetzen können. Hierbei wird unterschieden zwischen Kraftstoffen aus fossilen Energieträgern, solchen, die aus biogenen Energieträgern hergestellt sind und vorrangig unter Nutzung erneuerbarer Energien hergestellten Kraftstoffen.
Alternative Kraftstoffe, die klimaschädlich sind Erdgas (CNG) ist seit den 1990er Jahren in Deutschland verfügbar. In Argentinien, Brasilien und Italien fahren bereits Millionen Automobile damit. Der Vorteil von Erdgas liegt wie bei Autogas in der gegenüber Benzin und Diesel saubereren Verbrennung. Natürliches Erdgas ist aber wie Benzin und Diesel auch ein klimaschädlicher Kraftstoff, da bei der Verbrennung CO2 entsteht. Der Hauptbestandteil von Erdgas ist Methan, das klimaschädlich ist, wenn es in die Umwelt gerät, was bei Transport und Verwendung in Motoren häufig geschieht (siehe unten unter Methan). Autogas besteht hauptsächlich aus Propan und Butan, die sehr gut zu transportieren sind. Diese Gase fallen bei der Erdgas- und Erdölförderung als „nasses Bohrgas“ sowie bei der Raffinierung von Erdöl (z. B. zur Gewinnung von Benzin oder Diesel) als Nebenprodukt an.
Erdgas und Autogas verbrennen zwar sauberer als Benzin und Diesel, sie sind aber klimaschädlich, da ihre Verbrennung das Treibhausgas CO2 erzeugt, das zur Erderwärmung beiträgt.
Alternative Kraftstoffe, die auch aus regenerativen Energiequellen hergestellt werden können
Methan und methanhaltige Kraftstoffe wie z. B. Erdgas, Biogas, LNG oder Bio-LNG sind als alternative Kraftstoffe problematisch, da Methan sowohl bei der Herstellung als auch bei Lagerung, dem Transport und der Nutzung als Kraftstoff häufig unverbrannt als Treibhausgas in die Umwelt entweichtDeutscher Bundestag: Methanverluste entlang der Prozesskette von Flüssiggas (LNG)ifeu - Institut für Energie- und Umweltforschung Heidelberg GmbH: Biomethan als Kraftstoff, Eine Handlungsempfehlung zur Biokraft-NachV für die Praxis; Heidelberg 2010 wo es etwa 20 bis 25 mal klimaschädlicher als CO2 ist (nach manchen Quellen bis zu über 70 mal schädlicher). In Motoren kommt es häufig zum sogenannten „Methanschlupf“, bis zu ca. 2 % des Methans werden nicht verbrannt und treten als umweltschädliches Treibhausgas in die Atmosphäre aus. Auch wenn Methan, das mit Hilfe von erneuerbaren Energien hergestellt wird, eigentlich klimaneutral wieder in Energie umgewandelt werden kann, ist die Verwendung in Schiffsmotoren daher i. d. R. klimaschädlicher als Diesel. In manchen Zweitaktmotoren soll dieses Problem nicht auftreten.Zweitaktschiffsmotor vermeidet Methanschlupf. In: vdi-nachrichten.com. Auch bei der Herstellung von methanbasierten Kraftstoffen ist Methanschlupf problematisch und soll bis zu 8 % betragen.ifeu - Institut für Energie- und Umweltforschung Heidelberg GmbH: Biomethan als Kraftstoff, Eine Handlungsempfehlung zur Biokraft-NachV für die Praxis; Heidelberg 2010.Deutscher Bundestag: Methanverluste entlang der Prozesskette von Flüssiggas (LNG).RP-Energie-Lexikon: Methanschlupf. Wasserstoff (siehe Hauptartikel Wasserstoffantrieb) lässt sich mit Verbrennungsmotoren oder Brennstoffzellen nutzen, ist allerdings als Naturstoff nicht direkt gewinnbar und ist weder kostengünstig zu speichern noch zu transportieren. Die Wasserstoffherstellung kann auf verschiedene Weise klimaneutral oder klimaschädlich geschehen. Wasserstoff kann z. B. aus Wasser (H2O) mittels Elektrolyse gewonnen werden, was nur dann klimaneutral ist, wenn der dazu benötigte Strom auch klimaneutral produziert wird. Kostengünstiger ist allerdings die Gewinnung durch direkte chemische Umwandlung von Erdgas nach dem Steam-Reforming-Verfahren, das allerdings klimaschädlich ist, da dann CO2 entsteht. Im Kværner-Verfahren kann aus Kohlenwasserstoffen wie Erdöl, Erdgas oder Methan Wasserstoff und reiner Kohlenstoff erzeugt werden. Solange der Kohlenstoff in der weiteren Verwendung nicht klimaschädlich umgewandelt würde, wäre dies ein Verfahren, um Erdöl und Erdgas klimafreundlich zu verwenden. Insgesamt ist der Aufwand zur Bereitstellung der Antriebsenergie für Kraftfahrzeuge hoch, die Well-to-Tank-Effizienz in Folge gering.