Bosch Flex Fuel

Ein Flexible Fuel Vehicle (FFV, richtigerweise gelegentlich auch Fuel Flexible Vehicle genannt), zu deutsch etwa „an den Kraftstoff anpassungsfähiges Fahrzeug“, ist ein Fahrzeug, das mit Benzin, den Alkoholen Methanol und Ethanol sowie beliebigen Mischungen dieser drei Kraftstoffe betrieben werden kann, nicht jedoch mit Dieselkraftstoff oder Biodiesel. Der Sinn eines solchen Konzepts ist die vorzugsweise Verwendung von (Bio-)Alkoholen, wobei bei deren zeitlich oder regional begrenzter Nichtverfügbarkeit ebenfalls ein Benzinbetrieb möglich und somit im Gegensatz zu reinen Alkoholfahrzeugen die Mobilität für den Fahrzeugbetreiber gewährleistet ist.

Vier typische brasilianische full flex-fuel Modelle von verschiedenen Herstellern, umgangssprachlich als Flex-Auto bekannt. Diese Fahrzeuge laufen in beliebigem Gemisch mit Ethanol und Benzin.

Technik

Wesentliche Modifikationen eines FFV gegenüber benzinbetriebenen Fahrzeugen sind:

• Anpassung von Gemischbildung und Zündung an die jeweiligen Kraftstoffe
• Einsatz eines Sensors zur Ermittlung des aktuellen Alkoholgehalts im Kraftstoff (Alkoholsensor)
• alkoholresistente Materialien im Kraftstoffkreislauf (Tank, Kraftstoffpumpe, Kraftstoffleitungen, Einspritzventile)
• eventuell spezielle Motorenöle und Werkstoffanpassungen am Triebwerk

Während Fahrzeuge für Benzin-Alkohol-Mischkraftstoffe oder reinen Alkoholbetrieb bereits in den 80er Jahren entwickelt und in Betrieb genommen wurden (hauptsächlich Brasilien), begann die Entwicklung der FF-Technik Anfang der 90er Jahre, nachdem geeignete Alkoholsensoren verfügbar wurden. In den USA, Schwerpunkt Kalifornien, wurden anschließend umfangreiche Flottenversuche mit dem Methanolkraftstoff M85 durchgeführt (CEC´s Light-Duty Methanol Fuel Flexible Vehicle Demonstration Program), an der sich auch die deutschen Autohersteller Mercedes-Benz und Volkswagen beteiligten. Letzterer entwickelte auch die ersten für den US-Markt speziell für Ethanolkraftstoff E85 optimierten FFV, die anschließend beim Illinois Corn Marketing Board für Demonstrations- und Testzwecke eingesetzt wurden, nach deren eigenen Aussagen jedoch hauptsächlich, um die heimische Autoindustrie zur Entwicklung derartiger Konzepte zu motivieren.

Wegen der absehbaren Verringerung der Rohölreserven sowie der zunehmenden Umweltbelastung ist seit einigen Jahren weltweit ein verstärktes Interesse an der FF-Technik auszumachen, jetzt jedoch mit Schwerpunkt auf den Einsatz von Bioethanol zur Reduzierung der Treibhausgas-Emissionen (Kohlenstoffdioxid).

Ein für FFV geeigneter kapazitiver Alkoholsensor wurde von Siemens in Zusammenarbeit mit Mercedes-Benz und Volkswagen entwickelt, nachdem sich die optischen Sensoren wegen systembedingter Probleme nicht bewährt hatten. Dieser Sensor misst die Kapazitätsänderung, die Leitfähigkeit und die Temperatur des Kraftstoffs und berechnet daraus den Alkoholgehalt, der als digitales Ausgangssignal an das Steuergerät weitergegeben wird, so dass Einspritzmenge und Zündzeitpunkt entsprechend der aktuellen Kraftstoffzusammensetzung angepasst werden. Wegen der geringeren Heizwerte von Alkoholen gegenüber Benzin ist beim M85-Betrieb nahezu die doppelte Kraftstoffmenge pro Einspritzung notwendig, bei E85-Betrieb etwa ein Drittel mehr; dementsprechend ist das Kraftstoffsystem anzupassen (Förderleistung der Kraftstoffpumpe, größerer Kraftstofftank usw).

Sowohl Methanol- als auch Ethanolkraftstoff enthalten einen Zusatz von 15 Prozent spezieller leichtflüchtiger Kohlenwasserstoffe oder im einfachsten Fall Benzin (deshalb die Bezeichnung M85 beziehungsweise E85). Dieser Zusatz dient hauptsächlich der Verbesserung der bei reinen Alkoholen kritischen Kaltstart- und Kaltlaufeigenschaften unterhalb von etwa 15 °Celsius sowie aus Sicherheitsgründen der Verschiebung der oberen Explosionsgrenzen. Dies könnte bei reinen Alkoholen unter bestimmten Bedingungen zur Entzündung von Kraftstoffdampf im Tank führen.

Emissionen

Heutige FFV sind selbstverständlich mit der aktuellen Technik zur Abgasnachbehandlung ausgerüstet, beispielsweise mit Lambda-Regelung und Fahrzeugkatalysator#Drei-Wege-Katalysator sowie Klopfregelung. FFV müssen die gültigen Abgasgesetze für Benzinbetrieb und den jeweiligen Alkoholkraftstoff M85 beziehungsweise E85 sowie für Mischungen erfüllen. Da sich bei bestimmten Mischungsverhältnissen azeotrope Mischungen (Kraftstoffanomalien) mit erhöhtem Dampfdruck bilden (beispielsweise bei M35), muss dieses hinsichtlich Emissionen und Fahrverhalten besonders berücksichtigt werden. In USA sind deshalb die Messungen der Verdampfungsemissionen aus dem Kraftstoffsystem speziell mit diesem kritischen Kraftstoff vorgeschrieben (SHED-Test). Weiterhin muss berücksichtigt werden, dass bei Alkoholbetrieb erhöhte Aldehydemissionen (Formaldehyd oder Acetaldehyd) auftreten. Für das gesundheitlich kritische Formaldehyd ist in USA ein Grenzwert vorgeschrieben.

Vorteilhaft dagegen sind beim Alkoholbetrieb die niedrigen Emissionen von Aromaten (Benzol oder Toluol), von polyzyklischen aromatischen Kohlenwasserstoffen (PAKW, amerikanisch PAH/PNA) und das kleinere Ozonbildungspotential wegen der geringeren Anzahl reaktiver Non Methane Organic Gases (NMOG)-Komponenten im Abgas. Dieses bodennahe „schädliche Ozon“ (im Gegensatz zum „nützlichen Ozon“ in der Stratosphäre) ist Hauptbestandteil des photochemischen Smog.

Wichtig bei der Beurteilung unterschiedliche Kraftstoffe sind die CO₂-equivalente Emissionen der Gesamtkette von der Bereitstellung der Primärenergie bis zur Verbrennung im Motor (well to wheel CO₂-equivalent emissions). Aus verschiedenen Studien ergeben sich nach heutigem Kenntnisstand im Vergleich zu erdölbasiertem Benzin etwa folgende CO₂-equivalenten Emissionen:

• für Methanol aus Erdgas etwa 10% geringere Emissionen (mittlerer Wert) mit einer Bandbreite von -10%/+10% zum mittleren Wert
• für Methanol aus zellulosehaltiger Biomasse etwa 70% geringere Emissionen mit einer Bandbreite von -10%/+30%
• für Ethanol aus stärkehaltiger Biomasse etwa 5% höhere Emissionen mit einer Bandbreite von -50%/+30%
• für Ethanol aus zellulosehaltiger Biomasse etwa 50% geringere Emissionen mit einer Bandbreite von -30%/+30%

Die teilweise großen Bandbreiten sind hauptsächlich durch unterschiedliche Umwandlungstechnologien und Energieversorgungen (Stichwort Strommix) sowie der Verfügbarkeit verschiedener Biomasse begründet, wobei insbesondere bei schnellwachsenden Energiepflanzen Aufzucht, Düngung und Ernte zu einem hohen Anteil der CO₂-equivalenten Emissionen führen (siehe auch Alkoholfahrzeuge).

Verbreitung

In Brasilien wird Benzin nur mit einem Ethanolanteil von 20 bis 25% angeboten (E25), welchen die Regierung aufgrund der Marktlage zur Preisstabilisierung zuweilen anpasst. Fahrzeuge für diesen Mischkraftstoff oder für E95-Kraftstoff (vergälltes Rohethanol) sind bereits seit Anfang der 80er Jahre auf dem Markt. Technische Probleme, Versorgungsprobleme und damit verbundene Preissteigerungen ließen den zeitweilig aufgrund steuerlicher Anreize auf mehr als 90% gestiegenen Anteil von Neuwagen mit reinen Alkoholmotoren bald wieder absinken. Als Mitte der 90er Jahre Versorgungsengpässe auftraten, mussten Ethanol und Methanol im Ausland, hauptsächlich in den USA, zugekauft werden. Zu dieser Zeit ging der Absatz der nur mit E95-Kraftstoff betriebenen Fahrzeuge sehr stark zurück, bis auf unter 2% um das Jahr 2000. Würden sich diese Motoren nicht aufgrund der höheren Verdichtung besser zum Betrieb mit dem ebenfalls zunehmend geförderten Erdgas eigenen und hätten nicht staatliche Auflagen wie z.B. für Taxis in Rio de Janeiro deren Verwendung gefordert (Taxis durften nur mit Alkohol fahren, heute nur mit Erdgas), so wären sie wohl ganz vom Markt verschwunden. Mitte 2003 wurde von Volkswagen das erste FFV auf dem brasilianischen Markt angeboten und seither werden von allen dort vertretenen Autoherstellern FFV produziert, die flexibel auf schwankende Kraftstoffangebote reagieren können. Ende 2006 wurde der Bestand an FFV bereits auf etwa 3.000.000 beziffert. Bis Ende 2007 ist der Anteil auf mehr als 80% der Neuwagen gestiegen und zahlreiche Modelle werden nur noch als FFV angeboten. Als Besonderheit gegenüber den FFV, die nur bis 85% Alkoholanteil ausgelegt sind, haben die FFV in Brasilien einen kleinen Zusatztank für Benzin im Motorraum. Benzin wird beim Kaltstart verwendet, wenn der Alkohlanteil in Tank sehr hoch ist. Wegen der Brandgefahr bei Unfällen und möglicher Fehlbedienung (leergefahren, Benzin alt geworden, versehentlich mit dem Scheibenwaschwasserbehälter verwechselt) ist dieser Zusatztank die größte Schwachstelle im System, deshalb geht die Entwicklung zu einer besseren Startwilligkeit bei geringeren Temperaturen durch elektrische Beheizung der Einspritzventile. Frühere Versuche haben jedoch ergeben, dass die elektrische Energie des Bordnetzes nicht ausreicht, um wesentliche Verbesserungen des Kaltstarverhaltens durch Kraftstoffvorheizung zu erreichen. Ein derartiges System ist also für höhere Komfortansprüche ungeeignet.

Anstelle des Einsatzes eines Kraftstoffsensors werden die Daten der Lambda-Sonde zur Erkennung des Gemisches herangezogen (Adaptive Systeme).

In USA waren Mitte der 90er Jahre bereits ungefähr 15.000 FF-Fahrzeuge in Betrieb, die von etwa 100 M85-Tankstellen hauptsächlich in Kalifornien versorgt wurden. Derzeit ist in USA fast überall E10-Kraftstoff (sogenanntes Gasohol) erhältlich, der auch mit Einschränkungen von konventionellen Fahrzeugen vertragen wird. Darüber hinaus sollen nach ACE-Angaben bereits etwa 6.000.000 FF-Fahrzeuge in Betrieb sein und 2.100 der insgesamt rund 170.000 Tankstellen bieten bereits Ethanolkraftstoff E85 an. Die amerikanischen Autohersteller haben zugesagt, ab 2012 mindestens 50 Prozent ihrer Fahrzeugproduktion als FF-Fahrzeuge anzubieten.

Vorreiter in Europa in der Beimischung von Ethanol ist Schweden. Dort wird inzwischen ebenfalls Ethanolkraftstoff E85 angeboten. Anfang 2005 wurde in Schweden bereits ein Bestand von etwa 11.000 FF-Fahrzeugen gezählt.

In Deutschland waren Ende 2007 etwa 80 Ethanol-Tankstellen für E85-Kraftstoff in Betrieb. Mangels geeigneter serienmäßiger Fahrzeuge war deren Kraftstoffabsatz jedoch lediglich auf umgerüstete Fahrzeuge beschränkt beziehungsweise auf selbst hergestellte E50 Mischungen von Benzin mit E85 (günstiger aufgrund von Steuererhöhung auf fertig gemischtes E50).

Fahrzeuge, die als FFV erhältlich sind:

• Viele große Automobilkonzerne bieten FF-Fahrzeuge. Diese werden in Europa aufgrund des mangelnden Kraftstoffangebots jedoch meist noch nicht vertrieben.
• Ford Focus FFV und Ford C-MAX FFV sind in Deutschland erhältlich, seit März 2008 außerdem Ford S-Max FFV, Ford Galaxy FFV und Ford Mondeo FFV
• Von der Marke Saab ist das Modell 9-3 als FFV in Deutschland erhältlich
• Volvo S40, S80, V50, V70 und C30 sind ebenfalls als FFV in Deutschland erhältlich

Der Mehrpreis dieser Fahrzeuge wird von den Herstellern mit 300 bis 1.000 Euro angegeben.

Im Jahre 2010 soll in der EU aus Klimaschutzgründen die nach EN 228 zulässige Ethanol-Beimischung von 5 Prozent auf 10 Prozent in Normal- und Super-Benzin steigen. Nach Herstellerangaben kann dieser Kraftstoff von den meisten im Markt befindlichen Fahrzeugen problemlos verkraftet werden. Es ist fraglich, ob sich ein zusätzlicher Ethanolkraftstoff E85 ebenfalls im Markt etablieren kann oder ob überhaupt die dafür benötigten zusätzlichen Ethanolmengen verfügbar sein werden. Außerdem sollte hier ein kritischer ökonomischer und ökologischer Vergleich mit dem ebenfalls aus Biomasse erzeugtem synthetischen BtL-Kraftstoff SunFuel gezogen werden.

Literatur

• H. Menrad, A. König; Alkoholkraftstoffe; Springer-Verlag Wien-New York 1982; ISBN 3-211-81696-8/0-387-81696-8
• G. Decker, H. Heinrich et al.; Field Experience and Progress of Volkswagen`s Multi Fuel Vehicles; Tenth International Symposium on Alcohol Fuels; Colorado Springs 1993
• D. Hüttebräucker, M. Stotz et al.; Das Flexible-Fuel-Konzept von Mercedes-Benz; VDI-Bericht 1020, Seite 113-130; VDI-Verlag GmbH, Düsseldorf 1992;^[1] ISBN 3-18-091020-8
• L.Brabetz, M. Siedentop et al.; The SIEMENS Alcohol Fuel Sensor – Concept and Results; 9th Int. Symp. on Alcohol Fuels (ISAF); Firenze 1991
• G. Decker, J. Beyersdorf et al.; Das Ozonbildungspotential unterschiedlicher Fahrzeug- und Kraftstoffkonzepte; ATZ Automobiltechnische Zeitschrift 98(1996)5
• Van Walwijk, M. Brückmann et al.; Automotive Fuels Survey, Part 3, Comparison and Selection; Automotive Fuels Information Service IEA/AFIS; 1998
• Aktuelle Berichte in Tages-, Wochen- und Fachzeitschriften sowie Informationsmaterial der Fahrzeughersteller

Weblinks

• www.e85.biz Das E85 Portal
• Revolution im Tank. Brasiliens Autofahrer zeigen, wie ein Land sich vom Öl unabhängiger machen kann – andere Nationen wollen folgen; Süddeutsche Zeitung, 3. Januar 2006
• Ford Focus FFV und Focus C-MAX FFV
• Saab FFV

Einzelnachweise

1. ↑ Staats- und Universitätsbibliothek Bremen: Aspekte alternativer Energieträger für Fahrzeugantriebe : Tagung Wolfsburg, 24. bis 26. November 1992