rotherbach

Zusammenhang von Verbrauch und CO2-Ausstoss - wissenschaftliche Erklärung

[Rotherbach]

Moin,

Naja ... da vielen ganz offenbar der Zusammenhang zwischen Verbrauch und CO2 Ausstoss eines Fahrzeuges nicht klar ist, schreibe Ich hier mal einen Fachartikel, welcher die Zusammenhänge hoffentlich entsprechend verdeutlicht.

Die erste Frage, die wir uns stellen müssen ist folgende : Woraus besteht ein Kraftstoff für einen Verbrennnungsmotor. Die Antwort ist relativ einfach, ein Kraftstoff für einen Verbrennungsmotor besteht aus flüssigen und verdampfbaren Kohlenwasserstoffen. Kohlenwasserstoffe sind chemische Moleküle mit der allgemeinen chemischen Beschreibung :

CxHy

Wobei in dieser Darstellung "C" für das Atom Kohlenstoff steht, H für das Wasserstoffatom und x und y die jeweilige Anzahl dieser Atome in dem Molekül darstellen. Wichtig ist das x und y je nach Art des Moleküls in unterschiedlichen Abhängigkeiten zueinander stehen können. Zusätzlich Enthalten sind auch Kohlenwasserstoffe welche Sauerstoff ("O") enthalten. Ein populärer Vertreter dieser Substanzen ist Ethanol (C2H6O, oder auch CH3CH2OH).

Jetzt wissen wir durch recht einfaches Messen natürlich den Verbrauch unseres Autos in Litern pro 100 km. Doch um jetzt auf den CO2 Ausstoss unseres Autos zu kommen, müssen wir noch einige weitere chemisch/physikalische Überlegungen anstellen. Als erstes müssen wir uns Gedanken darüber machen, was beim Betrieb des Motors eigentlich passiert. Jeder weiss im Grunde, dass der Kraftstoff im Motor verbrannt wird und die Arbeit die dadurch verrichtet wird, das Fahrzeug fahren läßt.

Daraus ergibt sich natürlich die einfache Frage ... "Was passiert beim Verbrennen eigentlich mit dem Kraftstoff ?" Chemisch ist die Verbrennung eine sogenannte Totaloxidation. Das heißt, der Kraftstoff wird so mit Sauerstoff gemischt, das der Kraftstoff sauber verbrennen kann. Dabei entstehen die, wie der Chemiker sagt, thermodynamisch stabilsten Produkte. Das sind im Falle von Kohlenstoff, Wasserstoff und Sauerstoff die Reaktionsprodukte CO2 und Wasser (H2O). Logischerweise können wir mit diesem Wissen nun folgende Reaktionsgleichung aufstellen :

a CxHy + b O2 ---> c H2O + d CO2

Aufgrund stöchiometrischer Bedingungen (Es darf während der Reaktion kein Atom verloren gehen, es müssen also vor und nach dem Pfeil exakt die GLEICHEN Mengen stehen) können wir diese Gleichung entsprechend ausgleichen.

Daher lautet die allgemeine Reaktionsgleichung für unser Problem :

2 CxHy + (y+ 2x)/2 O2 ---> y H2O + 2x CO2

Das heißt also : Aus einem Molekül Kohlenwasserstoff entstehen x Moleküle CO2.

Führen wir dies einmal für Benzin durch. Benzin ist eine Mischung aus unterschiedlichen Oktanen und Additiven. Im einfachsten Fall lautet die Reaktionsgleichung also :

2 C8H18 + 25 O2 ---> 18 H2O + 16 CO2

Zur weiteren Berechnung benötigen wir einige weitere Angaben. Zum einen muss an dieser Stelle der chemische Begriff der Stoffmenge (n) eingeführt werden, sowie der chemische Begriff der Molaren Masse (M).

Die Molare Masse ist das Gewicht das eine gewisse Zahl an Atomen und/oder Molekülen wiegt. Diese Zahl an Atomen wird als 1 Mol bezeichnet. Ein Mol ist die Zahl an Atomen, welche im Fall von Kohlenstoff genau 12g wiegen würden, das bedeutet gleichzeitig das 1 einzelnes Kohlenstoffatom 12 atomare Masseneinheiten (AMU) wiegt. Aufgrund der Zusammenhänge der einzelnen Elemente untereinander kann man nun leicht ausrechnen, dass ein Nachbarelement, das 1 Proton und 1 Neutron mehr im Atomkern hat, eben 2 AMU mehr wiegen muss, die Masse der Elektronen kann weil sie im Vergleich sehr klein ist, ignoriert werden. Dennoch sind einige der im Periodensystem angegebenen Zahlen "ungerade", Grund hierfür ist das Vorhandensein von Isotopen, das heißt Atomen gleicher Protonenanzahl aber ungleicher Neutronenanzahl. Gibt es mehrere stabile Isotope, dann wird ein entsprechender Mittelwert gebildet. Mit diesem Wissen können wir jetzt die Molare Masse der einzelnen beteiligten Reaktionspartner ausrechnen.

Für unser Oktan ist das M also : 8 x 12 g/mol + 18 x 1 g/mol (Wasserstoff) = 114 g/mol. Ein Mol Oktan wiegt also 114 Gramm. Bei Sauerstoff ist dies 2 x 16 g/mol und bei CO2 : (12 + 2 x 16) g/mol = 44 g/mol. Mit diesem Wissen können wir jetzt aus dem Volumen Benzin mit welchem wir den Motor betreiben, die entsprechende Stoffmenge an Benzin ausrechen, wenn wir aus einem Tabellenwerk entnehmen, wie groß die Dichte von Benzin ist. Diese ist 0.72 kg/L, das heißt jeder Liter Benzin den wir verbrennen wiegt 0.72 kg oder 720 Gramm. Mit dem Wissen das M=114 g/mol ist, können wir nun die Stoffmenge "n", also die Anzahl an Molekülen ausrechnen.

Hierzu nutzen wir den fundamentalen Zusammenhang, dass n = m/M ist, den wir entsprechend unserer Fragestellung umformen können. Da wir sowohl "m" als auch "M" kennen ... kennen wir auch die entsprechende Stoffmenge, diese lautet "720 g : 114 g/mol = 6.32 mol"

Aus der Reaktionsgleichung ganz oben wissen wir nun, das aus 2 Molekülen Oktan 16 Moleküle CO2 entstehen. In Bezug auf die Stoffmenge heißt dies, aus 1 Mol Oktan werden 8 Mol CO2, aus 6.32 Mol Oktan werden dann entsprechend 50.56 Mol CO2. Jetzt gehen wir den Weg den wir beim Oktan vorwärts gegangen sind, wieder zurück und rechnen mit der Stoffmenge "n = 50.56 mol" und der Molaren Masse "M=44 g/mol" die real aus 1L Benzin entstehende Masse (m) CO2, diese Beträgt 2224,64 Gramm. Aus 1 Liter Benzin werden also gut 2.3 kg CO2.

Diese Rechnung können wir für jeden weiteren Kraftstoff (Super, SuperPlus, Diesel, Erdgas, Ethanol, Flüssiggas) ebenfalls durchführen.

Für die Kraftstoffe Normal bis Diesel ergibt sich als Durchschnitt, das 1 Liter Kraftstoff 2.5 kg CO2 erzeugt. Für Kraftstoffe wie Erdgas, Flüssiggas oder Ethanol sieht die Rechnung analog aus, aufgrund unterschiedlicher chemischer Eigenschaften sind die Werte jedoch abweichend.

Viel Spass beim Nachrechnen

Gruß Kester

[Druckluftschrauber2011]

Schön sein Kenntnisstand über dieses stark und kontrovers diskutierte Thema erweitert wissen zu dürfen. Obwohl ich ehrlich zugeben muss, dass mein Wissen über die Chemie merklich einige Zeit zurückliegt

Aber verstehen kann man es trotzdem beim zweiten lesen

[rallediebuerste]

Hey Kester,

Auch wenn ich noch nicht weiß, was ich mit der Information anfange, dass mein Wagen im Normalbetrieb 20,7kg CO2 pro 100 km verbraucht :danke für die sehr gute Erklärung - mit Erstaunen musste ich feststellen, dass meine Chemiebasiskenntnisse tatsächlich die kompletten zehn Jahre seit dem letzten Chemieunterricht überdauert haben

[Rotherbach]

Moin,

Ralle ... er bläst sie hinten raus Ganz einfach ... teile diese Zahl durch 100 km ... und du hast den CO2 Ausstoss je km ... In deinem Fall 207 g/km ... Klimamörder

MFG Kester

[rallediebuerste]

Na ob dein Zuffi da besser abschneidet...?

Was mich noch interessieren würde: Ist das Verhältnis von ~ 2.5 kg/l  bei Diesel und meinetwegen Superbenzin ungefähr gleich, oder verbrennt Diesel resultierend aus einer höheren "Energiedichte" (man entschuldige den laienhaften und garantiert hier verkehrt gebrauchten Ausdruck) zu mehr CO2?

[Rotherbach]

Moin,

Ja ... dem ist so. Der CO2 Ausstoss ist bei Normalbenzin, Super, SuperPlus und 100 Oktanbenzin annähernd gleich ... bei rund 2.2-2.3 kg je Liter. Bei Diesel liegt es bei genauer Betrachtung etwa bei 2.75 kg je Liter.

Gruß Kester

[Schattenparker12688]

....

[Schattenparker12688]

Hallo,

deine Rechnung ist zwar gut, sagt aber nur aus, dass ein Benziner ca. 2.3 Kg/l CO2 austößt.

Um zu berrechnen, wieviel das Individuelle Fahrzeug ausstößt, müssen noch andere Faktoren hinzugezogen werden.

Zum Bsp. stößt mein Fahrzeug (Clio RS 172PS) bei 8,5l auf einer Fahrt von 100Km und einer Temperatur von 20°C bei 103,5 kPa ca. 10113,98 l also 10,11 m^3 CO2 aus.

Auf 1Km entstehen ca. 188,95 g CO2.

Bei anderen Temperatur nimmt der CO2 Austoss auf der Strecke ab oder zu.

Heute bin ich ziemlich genau 100Km gefahren und habe unsere Umwelt mit ungfähr 9,59 m^3 CO2 belastet.

[Rotherbach]

Moin,

Deine Aussage ist wissenschaftlich komplett falsch.

Die Emission in g/km ist - vorausgesetzt der Verbrauch in kg Kraftstoff ist identisch - immer konstant. Die Masse des emittierten CO2 ist fix, die ausgeübte Gewichtskraft nur von der Gravitationskonstante der Erde abhängig, nicht von Druck und Temperatur.

Lediglich das eingenommene Volumen von Gas und Kraftstoffflüssigkeit ist beeinflusst von Temperatur und Luftdruck. Beim Volumen des Kraftstoffs können wir aufgrund des Dichte/Volumenverhaltens von Kohlewasserstoffen bei den zu erwartenden Erlebenstemperaturen ebenfalls annähernde Konstanz erwarten.

MFG Kester