Wie beeinträchtigt der Biokraftstoff E10 Filtersysteme im Auto?

Seit rund zehn Jahren können Autofahrer den Biokraftstoff E10 tanken. In ihm sind circa 5 bis 10 Prozent Bioethanol enthalten. Dieser teilweise Ersatz fossiler Kraftstoffe durch Bioethanol verändert die Verhältnisse für die Kraftstoffdampfrückhaltesysteme (KDRS) in den Autos. Welchen Einfluss dies genau hat, untersuchten Forscher*innen des Fraunhofer UMSICHT und der Universität Siegen. Ein wichtiges Ergebnis lautet: Langfristig reduziert E10 die Funktionstüchtigkeit der Filter. Somit müssen diese über den Lebenszyklus eines Fahrzeugs hinweg kontinuierlich überwacht werden.

Für Kraftfahrzeuge mit Ottomotor sind Aktivkohlefilter (sog. Kraftstoffdampfrückhaltesysteme/KDRS) gesetzlich vorgeschrieben, um Benzindämpfe, die beim Stillstand oder während des Betriebes eines Fahrzeugs aus dem Tank entweichen, aufzufangen und in den Motor zu leiten. Die Funktionsweise der Aktivkohlefilter lässt sich vereinfacht in zwei Prozesse unterteilen: Beim Stillstand des Motors verdampft der Kraftstoff und wird mittels Adsorption an der Aktivkohle angelagert, Emissionen werden somit reduziert. Beim laufenden Motor wird die Umgebungsluft vom Motor angesaugt und über die Aktivkohle geführt. Dadurch werden die Kraftstoffkomponenten wieder freigesetzt – Desorption – und dem Motor zugeführt und dort verbrannt.

KDRS-Testanlage beim Fraunhofer UMSICHT

Im Rahmen des Kooperationsprojektes des Fraunhofer UMSICHT und der Universität Siegen wurde eine Anlage (genaue Beschreibung des Aufbaus siehe Fachartikel) entwickelt, mit der das Adsorptionsverhalten der Aktivkohle über viele Zyklen – bestehend aus Ad- und Desorption – messtechnisch begleitet werden kann. Ein Ausschuss aus Automobil-, Aktivkohle-, Aktivkohlefilter-, Bioethanol-Herstellern und Analyselabors begleitete das Projekt.

»Diese Anlage ermöglicht es nun, entsprechend der ‚Lebensdauer‘ eines PKW bis zu 300 Zyklen an kontrolliert konditionierten Aktivkohlen zu untersuchen. Wir analysierten insbesondere den Einfluss von Wasser in der Spül- bzw. Umgebungsluft auf den Filter. Dabei setzten wir einfaches ‚Modell-Benzin‘ (n-Pentan mit einem 10-prozentigen Ethanol-Anteil) ein«, erläutert Eva Schieferstein, Projektleiterin des Fraunhofer UMSICHT.

Regelmäßige Untersuchungen der Filter erforderlich

Derzeit werden KDRS im Rahmen der gesetzlichen Vorschriften mit Modellbenzinen (u.a. E10) bei einer relativen Luftfeuchtigkeit von 50 plus/minus 10 Prozent getestet. Dieser Test wird bisher nur einmalig vor dem Einbau der Systeme durchgeführt. Im Rahmen des Projektes haben vergleichende Versuche ergeben, dass ein Zusatz von Ethanol zu Benzin (hier: E10) in Gegenwart von höheren, realitätsnäheren Luftfeuchtigkeitswerten das Langfrist-Adsorptionsverhaltens der Aktivkohle verschlechtert. Bei steigender Zyklenzahl bzw. zunehmender Einsatzdauer des KDRS nimmt daher dessen Kapazität deutlich ab.

Dieser Effekt kann ohne Ethanol-Zusatz nicht in demselben Maße beobachtet werden. Somit besteht also die Gefahr, dass Biokraftstoff mehr Emissionen verursacht, wenn die Aktivkohlefilter nach langfristigem Einsatz nicht mehr ausreichend adsorbieren. Mit dem zurzeit für KDR-Systeme vorgeschriebenen Prüfverfahren werden deutlich längere Lebensdauern erreicht, da sie den Einfluss der Luftfeuchtigkeit auf das Abscheideverhalten der Aktivkohle nicht realitätsnah abbilden. Dies steht im Einklang mit Untersuchungen des TÜV Nord und des schwedischen TÜV, die gezeigt haben, dass es nach langfristigem Einsatz der Kraftstoffdampfrückhaltesysteme (KDRS) mit Biokraftstoffen vermehrt zu Ausfällen kommen kann.

Das Forschungsteam empfiehlt nun dringend, die Funktionstüchtigkeit der Aktivkohlefilter – beispielsweise im Rahmen der TÜV-Untersuchungen – regelmäßig zu untersuchen. Wichtig wäre zudem, im Prüfprozess die Rahmenbedingungen anzupassen und die relative Feuchtigkeit der Spülluft zu erhöhen. Die Testanlage des Fraunhofer UMSICHT steht nach Projektabschluss auch für externe Untersuchungen zur Verfügung.

Förderhinweis
Das Projekt wurde vom Bundesministerium für Ernährung und Landwirtschaft (BMEL), vertreten durch die Fachagentur Nachwachsende Rohstoffe e.V. (FNR), unter den Förderkennzeichen 22403015 und 22403115 gefördert.

Wissenschaftliche Ansprechpartner:

Eva Schieferstein
eva.schieferstein@umsicht.fraunhofer.de

Weitere Informationen:

https://doi.org/10.1515/teme-2019-0119 Fachartikel
https://www.umsicht.fraunhofer.de/de/kompetenzen/produktentwicklung.html Abteilung Produktentwicklung