Gasrechnung

Inhaltsverzeichnis

München, 13. Mai 2013 – Ein günstiger Gaspreis, schärfere Umweltbestimmungen und eine drohende Regelung des CO2-Ausstoßes für schwere Nutzfahrzeuge macht Erdgas als alternativen Kraftstoff für Dieselmotoren in Lastwagen interessant. Nach monovalenten Fahrzeugen für den lokalen Kurzstreckenverkehr kommen jetzt bivalente Langstrecken-Konzepte, die wahlweise flüssiges Erdgas und Dieselkraftstoff verbrennen können. Eine effiziente, aber auch flexible Lösung, denn wie bei vielen alternativen Kraftstoffen fehlt es noch an einer flächendeckenden Infrastruktur.

Vom Gas zum Sprit – und wieder zurück

Die Karriere des erst seit Ende der 1930er-Jahre so genannten Ottomotors begann explizit als „Gasmotor“. So steht es in der Patentschrift, so wurden die Motoren angetrieben, so wurden sie anfangs vermarktet. Sie konnten sich unter anderem neben der Dampfmaschine etablieren, weil man sie ans Stadtgasnetz anschließen konnte – so einfach wie einen Gasherd oder die damals noch vorherrschende Gasbeleuchtung. Der Motor „muss an die Leuchtgasleitung angeschlossen werden und ist aus diesem Grunde fast nur als ortsfeste Maschine im Gebrauch. Die Versuche, das Gas durch Verdichtung transportfähig zu machen und Fahrzeuge damit zu betreiben, haben bis jetzt keinen rechten Erfolg gehabt.“ Die heutigen Gas- und Erdölmotoren und ihre Bedeutung für die Industrie, Polytechnisches Journal, 1900. Statt eines Vergasers gab es einen Absperrhahn für die Gasleitung. Mehr war da nicht. Flüssige Energieträger, von denen letztlich unser Benzin abstammt, waren für Ottos Motor zunächst alternative Kraftstoffe. Ganz anders beim Dieselmotor, der von Anbeginn eine Einspritzanlage für flüssigen Kraftstoff hatte, seine Karriere als Pkw-Antrieb allerdings erst sehr viel später startete. Für diesen Antrieb freilich ist wiederum Gas ein alternativer Kraftstoff, der auf der Straße erst seit Kurzem in nennenswertem Maßstab eingesetzt wird.

Bild 1 von 15

Gasrechnung (15 Bilder)

Der Iveco Ecostralis ist eine bereits erhältliche LNG-Version einer Zugmaschine.

Schiefergas senkt den Preis

Heute ist Erdgas im Verbrennungsmotor en vogue. Nicht nur auf Straße und Schiene, auch in Kraftwerken und sogar auf Schiffen soll es künftig eingesetzt werden, wie Jonathan Walker, Chefkorrespondent der Fachzeitschrift MTZindustrial im Editorial der Sonderausgabe vom Mai 2013 schreibt. Nicht nur in Otto- sondern auch in Dieselmotoren. Erdgas wurde im Pkw vor allem zur Senkung des Kohlendioxidausstoßes ganz im Sinne der Flottenverbrauchsvorschriften eingeführt. Das Methangasgemisch aus Methan, Kohlendioxid sowie Sauerstoff und Stickstoff mit hohem Energiegehalt bietet aber darüber hinaus den Vorteil, dass man es künstlich aus Biomasse oder, EE-Gas genannt, diversen Energiequellen gewinnen kann.

„EE“ steht für Erneuerbare Energien, bei denen die Speicherung des schwankenden Angebots ja noch nicht gelöst ist. Biomethan oder Stromgas aus Elektrolyse-Wasserstoff und CO2 gehören zu den sofort umsetzbaren Speichermöglichkeiten. Der neue Trend zum Methangas sogar in der Großtechnologie ist allerdings den großen Mengen Schiefergas geschuldet, die erst seit kurzer Zeit dank Hydraulic Fracturing aus den vorwiegend (noch) US-amerikanischen Bohrlöchern auf den Markt strömen und damit einen langfristigen Kostenvorteil versprechen.

LNG im Diesel- und CNG im Ottomotor

Wir sprechen nicht von den eher graduellen Verbesserungen, die der CNG-Erdgasbetrieb (CNG: „Compressed Natural Gas, also ohne Kühlung“) in Pkw noch spielt. Denn freilich ist es schön, wenn ein VW Eco Up, ein Nahverkehrsauto, das im Jahr laut Statistischem Bundesamt normalerweise unter 10.000 Kilometer zurücklegt, im Erdgasbetrieb mit CNG noch ein paar weitere Gramm Kohlendioxid einspart. Laut NEFZ stößt das ohnehin schon sehr sparsame Auto im CNG-Betrieb davon nur mehr 79 g/km aus. Das ist ziemlich genau ein Zehntel eines Lastzuges. Die Mehrkosten für den Eco up von ca. 2000 Euro sind da natürlich nicht so schnell wieder hereingespart, der Kunde dankt es VW mit homöopathischen Abnahmemengen. Aber derlei Modelle werden ja auch oder gerade mit Blick auf die Flottenverbrauchskosmetik angeboten und müssen nicht unbedingt gut vermarktet werden.

Ganz anders beim Lkw mit einem zehnfachen CO2-Ausstoß und durchschnittlichen Jahresfahrleistungen von 140.000 km. Hier wird im Gegensatz zum Ottomotor des Eco up im CNG-Betrieb ein Dieselmotor mit LNG, also „Liquefied Natural Gas“ gefahren. Bei minus 160 Grad Celsius drucklos verflüssigt weist es eine höhere Dichte auf. Sinnvoll ist es nur in Fahrzeugen, die regelmäßig bewegt werden, damit das Gas verbraucht ist, bevor es seine Kälte verliert. Ist das der Fall, entweicht es durch ein Überdruckventil – und schädigt das Klima 32 mal stärker als die gleiche Menge CO2. LNG wird also nie eine Alternative zu CNG im gelegentlich bewegten Pkw sein können.

Bei etwa 190 Litern LNG, die ein Zugfahrzeug im Gasbetrieb auf 100 km konsumiert, werden in Europa etwa 28 Euro fällig, bei entsprechenden 30 Litern Dieselkraftstoff müsste man für etwa 38 Euro tanken – ein Kostenvorteil von 10 Euro pro 100 Kilometer! Bei der angenommenen Fahrleistung lassen sich so jährlich ca. 14.000 Euro einsparen und die LNG-Mehrkosten von 40.000 bis 55.000 Euro pro Lastzug innerhalb dreier Jahre amortisieren.

Auch Lastwagenbauern drohen nun CO2-Auflagen

Die Entscheidung wird bei kühl rechnenden Logistikern sicher anders aussehen als bei idealistischen Kurzstreckenfahrern. Auf jeden Fall wird der Kostenfaktor den Ausschlag geben, gefolgt von Infrastruktur und Zuverlässigkeit.

Immerhin machen die Tankrechnungen bis zu 40 Prozent der Betriebskosten eines Lkw aus. Wenn es sein müsste, würden die Transporteure ohne mit der Wimper zu zucken auch mit Odel oder Kölnisch Wasser fahren – nur rechnen muss es sich. Da hilft, dass in Deutschland bis 31. Dezember 2018 eine Steuerbegünstigung für Erdgas gilt. Zudem drohen nun auch den Lastwagenherstellern gesetzliche Auflagen: Noch im laufenden Jahr will EU-Klimakommissarin Connie Hedegaard einen Gesetzesvorschlag einbringen, mit dem der CO2-Ausstoß bei Lkw ab einem Gewicht von 3,5 Tonnen begrenzt werden soll.

Erst 38 LNG-Zapfsäulen – in ganz Europa

Heute fahren nach Angaben der Deutschen Energieagentur in Deutschland erst rund 10.000 Lkw und Busse, die Erdgas tanken. Es fehlt einfach noch an der Infrastruktur: In der EU stehen bisher nur 38 LNG-Zapfsäulen. Bis 2020 will Brüssel alle 400 Kilometer eine Zapfsäule aufstellen, in Deutschland 32. So wie es aussieht, könnte aber der kostensensible Güterverkehr verflüssigtem Erdgas zum Durchbruch auf der Straße verhelfen. Und das kann auch einem idealistischen Eco-up-Fahrer nicht egal sein. Der staunt, denn im Vergleich zu herkömmlichen Dieselaggregaten emittieren Dieselmotoren im LNG-Betrieb bis zu 25 Prozent weniger CO2, bei LNG aus Biogas, gesamthaft betrachtet, sogar bis zu 70 Prozent. Auch die Schadstoffbelastung sinkt. Bereits heute, also noch ohne Steuer-Strafzahlungen wegen möglicherweise kommender Grenzwerte, lohnt sich die Umrüstung existierender Dieselmotoren auch aus finanzieller Hinsicht gleich mehrfach: Der Kraftstoff kostet nicht nur weniger, die Verbrennung in einem hoch verdichtenden Dieselmotor ist mit etwa 20 Prozent auch deutlich effizienter als in einem bivalenten Ottomotor, in dem die Verdichtung für den Benzinbetrieb beschränkt bleiben muss. Diese vergleichsweise ineffiziente Zwischenlösung ist bis heute die Regel in serienmäßigen oder umgerüsteten Pkw. Zur Einordnung: Die Verdichtung für Benzin muss unter ca. 12:1 bleiben, weil Benzin mit ca. 95 Oktan sonst detoniert. Erdgas dagegen verkraftet mit seinen 130 Oktan auch die in Dieselmotoren übliche Verdichtung von 18:1 und kann dadurch bei seiner Verbrennung deutlich mehr Arbeit verrichten.

Als Nebeneffekt des Gasbetriebs steigen zwar die Wartungskosten, aber die Ölwechselintervalle (von ca. 100.000 bis 150.000 Kilometern je nach Einsatz) dürften spürbar gestreckt werden können, weil bei der Verbrennung von Gas weniger Nebenprodukte wie Ruß anfallen. Beim 12,8 Liter großen 460 PS-Sechszylinder des Volvo FM Methan-Diesel sind immerhin 33 Liter zu wechseln. Dem gegenüber steht der Aufwand für die Speicherung des Flüssiggases in entsprechenden Tanks.

Bisher ist die Reichweite mit LNG auf für Trucker unbefriedigende ca. 400 Kilometer begrenzt. Für den Aktionsradius eines 30-Tonnen-Sattelzugs von 1000 Kilometern nehmen die Zusatztanks im Prototyp des Aufbauherstellers Kögel immerhin fast den ganzen Platz im Palettenkasten unter dem Auflieger ein. Doch handelt es sich bei dieser Lösung um die voluminöseren CNG-Tanks. Wo stattdessen die Paletten transportiert werden sollen, wird übrigens nicht gesagt.

Universell: Bivalente Langstreckenläufer

Läuft ein für den bivalenten Betrieb wahlweise mit Gas oder Treiböl umgebauter Motor im Gasbetrieb, wird in der Regel zur Einleitung der Zündung immer noch eine kleine Menge Dieselkraftstoff eingespritzt. Dann spricht man von einem Zündstrahlbetrieb. Ein charakteristischer Vorteil ist sein Gas-Magerbetrieb: „Während es für Gas-Otto-Motoren ein 'Zündfenster' mit einem Kraftstoff-Luft-Verhältnis von (0,6 < λ < 1,6) gibt, liegt dieses λ Verhältnis beim Zündstrahlmotor im Magerbereich (λ >> 1,0) und der Betrieb bis zum 7-fachen Luftüberschuss möglich.“ (Dr. Hans-Jürgen Kampmann: Gas-Otto-Motor oder Zündstrahl-Gas-Motor für Nutzungsmöglichkeiten und deren Einordnung, undatiert, auf www.biogas-infoboard.de). Der Grund: Wird zum Zündzeitpunkt Kraftstoff eingespritzt, ergeben sich von den brennenden, weit im Brennraum verteilen Ölpartikeln sehr kurze Wege zu den Gasmolekülen – viel kürzer als von der Kerze zu den entlegensten Zonen des Brennraums im Betrieb mit einer elektrischen Zündanlage.

Die hohe Klopffestigkeit von LNG ermöglicht, die hohen Verdichtungsverhältnisse von 16:1 bis 18:1 einfach beizubehalten. Damit verdichtet der Motor das Gas-Luft-Gemisch bis nahe an dessen Zündtemperatur. Bosch sagt, mit seinem Dual-Fuel-Antrieb können bis zu 90 Prozent des Dieselkraftstoffs durch Erdgas ersetzt werden, Volvo dagegen setzt auf ein Verhältnis von 75 Prozent Gas und 25 Prozent Dieselkraftstoff. Egal mit welcher Mischung – die bivalente Auslegung ist hinsichtlich ihrer Effizienz kein Kompromiss und wird wohl auf längere Sicht im Langstreckenverkehr das Mittel der Wahl bleiben, vor allem auf wechselnden Routen und im grenzüberschreitenden Einsatz. Denn noch existieren in Europa zu wenige LNG-Tankmöglichkeiten und im Ausland ist das Netz teilweise noch deutlich dünner.

Radikal: Monovalente Großstadtspezialisten

Die Variante eines mit einer Zündanlage auf reinen Gasbetrieb umgerüsteten Dieselmotors ist schon länger im Einsatz, weil sie als Speziallösung für den Kurzstreckenverkehr nicht auf ein Netz von LNG-Tankstellen angewiesen ist. Sie besitzt gar keine Einspritzanlage mehr, das LNG wird mit rund sechs bar in die Ansaugluft eingeblasen.

Zur Entflammung des Luft-Erdgas-Gemischs dienen Zündkerzen und Zündspulen. Ein Beispiel wäre der Mercedes-Benz Econic LNG mit einem aufgeladenen Reihensechszylinder, 205 kW (279 PS) bei 2500/min und 1000 Nm maximalem Drehmoment bei 1400/min. Solche Motoren erreichen schon heute die Grenzwerte nach Euro VI bei nicht mehr relevanten Rußpartikel- und Feinstaubemissionen von unter 0,4 Prozent. Eine radikale Alternative, die sich sich allerdings auf den Liniendienst oder Müllfahrzeuge in Städten beschränkt, wo der reine, leise Gasbetrieb ohne Partikelemission in Umwelt- und Lärmschutzzonen im Vorteil ist und die die Betriebshöfe der Fuhrunternehmen oder Stadtwerke ein sicherer Hafen bei leerem Tank. Nicht zu vergessen, dass zunehmend eigenes Biogas von Gemeinden und Städten lokal bereitgestellt wird, z. B. aus Entsorgungs- oder Abwasseranlagen.

Im Gasbetrieb läuft ein Dieselmotor deutlich leiser, weil Gas einfach nicht den Zündverzug kennt, der dem Selbstzünder sein typisch hartes Verbrennungsgeräusch verleiht. Iveco verspricht für seine Lkw-Diesel eine Reduzierung des Lärmpegels um 5 dB, was nach wenig klingt, aber wegen der logarithmischen Angabe fast eine Halbierung (Faktor 1,77) des Schalldrucks bedeutet. Einen Nachteil hat der Gasbetrieb freilich noch: Leistung und Drehmoment sinken spürbar und sind bisher nur zum Teil durch Maßnahmen wie Hochaufladung auf Diesel-Niveau zu bringen. Auch die Charakteristik des Motors ändert sich im Gasbetrieb – Drehmomentmaximum und Höchstleistung stehen erst ab höheren Drehzahlen bereit. Lastwagenchauffeure berichten allerdings, dass sie sich im Tausch gegen die höhere Laufkultur gerne darauf einstellen. Zumindest die Branche, in der große Langsamläufer eine Rolle spielen, also im Schiffsbau und der Kraftwerkstechnik, ist man sich sicher, das Leistungsmanko in den Griff bekommen zu können. Das war jedenfalls Tenor bei der gerade zuende gegangenen 8. Dessauer Gasmotoren-Konferenz vom 21. und 22. März 2013.

Gute Aussichten

Laut einer aktuellen Studie von Frost & Sullivan sollen in Europa erdgasbetriebene Nutzfahrzeuge bis 2018 eine Marktdurchdringung von 3,4 Prozent (mittelschwere) bzw. 12,7 Prozent (schwere Fahrzeuge) erreichen. Mit Fremdzündung werden nach dieser Studie rund 90 Prozent der Erdgasbusse fahren, die bivalente Zündstrahltechnik wird den LNG-Lkw-Markt mit rund 60 Prozent beherrschen. Im Schwerlastsegment werden laut Frost& Sullivan erdgasbetriebene Lkws mit LNG „mit 75 Prozent der Verkäufe die marktdominierende Brennstoffvariante bilden“.

Zapfsäulen-Kooperation

Volvo und Shell kooperieren bei der weltweiten Einführung von Flüssigerdgas (LNG) als Treibstoff für schwere Nutzfahrzeuge, zunächst in den USA und Europa.

Shell investiert beispielsweise bereits seit Sommer 2012 300 Millionen Dollar für Zapfsäulen in den USA. Zudem will man Flottenbetreiber ködern, indem man ihnen einen 30-prozentigen Preisabschlag für LNG auf Dieselkraftstoff für die Lebensdauer ihrer Trucks garantiert. Shell hat die Tankstellentechnik und hofft auf Abnehmer, Volvo bietet bereits serienmäßig LNG-geeignete Lastwagen an und hofft auf Käufer. Beispielsweise Volvos 460 PS starke Sattelzugmaschine „FM Methan-Diesel“ mit maximal 126 kg LNG an Bord wird in Schweden, Norwegen, Belgien, Spanien, den Niederlanden und Großbritannien verkauft, bald auch in Italien und Frankreich.

Diese Allianz ist laut Shell und Volvo ausdrücklich offen und mit anderen Partnern ausbaufähig. Man könnte sich darin also auch IVECO, Mercedes-Benz und andere Nutzfahrzeughersteller mit einem entsprechenden Motoren-Angebot vorstellen. Damit befinden sie sich auf dem Weg, den Saideep Sudhakar, Analyst bei Frost & Sullivan, in bestem Beraterisch so erklärt: „Die Hersteller müssen den Markt sowie anwendungsfokussierte Technologien entwickeln, um den gegenwärtigen Stand der Erdgasinfrastruktur durch eine nachfolgende zukunftsfähige CNG/LNG-Infrastruktur zu ergänzen. Der Fokus sollte auf den Lieferketten liegen, um die Vorlaufkosten für diese Fahrzeuge zu senken, denn derzeit nehmen viele potenzielle Kunden die Ausgaben noch als untragbar hoch wahr". Die Zukunft hat offenbar schon begonnen. (fpi)