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Mar 07, 2023

Die Luft, die wir atmen

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Motorabgase tragen wesentlich zur Umweltverschmutzung in Städten bei. Aber die innovative Technik und die clevere katalytische Chemie der BASF tragen dazu bei, sauberere Luft zu erzeugen

16. August 2017

Mit ihren sportlichen Kurven und Chrombeschlägen würde kaum jemand bestreiten, dass klassische Autos aus den 1960er-Jahren den modernen Autos ästhetisch überlegen sind. Doch unter der stilvollen Karosserie verbirgt sich ein heimtückisches Geheimnis. Die Schadstoffemissionen eines Autos aus den 1960er-Jahren entsprechen in etwa denen von 100 modernen Autos.

Das ist nicht zuletzt der Erfindung des Katalysators zu verdanken. In den letzten vier Jahrzehnten haben diese Geräte die Freisetzung von mehr als einer Milliarde Tonnen Schadstoffen verhindert.

Doch Verbraucher, Politiker und Aktivisten wollen mehr. Moderne Katalysatoren können mehr als 90 Prozent der Schadstoffe in Abgasen reduzieren. Jetzt arbeiten Wissenschaftler und Ingenieure des Chemieriesen BASF daran, diese Zahl noch weiter zu erhöhen, um Fahrzeugherstellern dabei zu helfen, die immer anspruchsvolleren Gesetze zur Luftreinhaltung einzuhalten.

Das Herzstück dieser Bemühungen ist der Katalysator, der erstmals 1973 von Forschern des US-amerikanischen Mineralraffinerieunternehmens Engelhard Corporation für Autos entwickelt wurde. Auslöser der Arbeit war der US-amerikanische Clean Air Act von 1970, der die Automobilhersteller dazu zwang, schädliche Emissionen drastisch zu reduzieren.

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Katalysatoren sind wabenförmige Keramikkörper mit einer riesigen inneren Oberfläche. Diese Oberfläche wird mit einer Formulierung beschichtet, die Metalle wie Platin, Palladium und Rhodium enthält, die verschiedene Reaktionen katalysieren. Die ersten Konverter oxidierten Kohlenmonoxid zu Kohlendioxid und unverbrannte Kohlenwasserstoffe zu Kohlendioxid und Wasser. Spätere Modelle, sogenannte „Drei-Wege“-Konverter, spalten auch schädliche NOx (Stickoxide) in Stickstoff und Sauerstoff.

Wie die katalytische Vier-Wege-Umwandlung funktioniert

Eine weitere Regulierung der Luftreinhaltung hat diese Technologie vorangetrieben. Zwischen 1992 und 2014 reduzierten eine Reihe europäischer Vorschriften die Kohlenmonoxidemissionen neuer Benzinfahrzeuge um zwei Drittel und die Kohlenwasserstoff- und NOx-Emissionen um fast eine Größenordnung.

BASF war maßgeblich an diesen Reduzierungen beteiligt. Im Jahr 2006 kaufte das Unternehmen Engelhard und ist heute einer der weltweit führenden Anbieter von Katalysatoren für die Automobilindustrie, der weltweit Katalysewissenschaftler beschäftigt.

Diese Experten arbeiten daran, die Emissionen noch weiter zu senken. Eine aktuelle Innovation der BASF ist ein synthetischer Katalysator namens Kupfer-Chabazit, der dabei hilft, 95 Prozent der NOx aus Dieselabgasen zu entfernen. Dies funktioniert in Verbindung mit dem in den Abgasstrom eingespeisten Harnstoff, der in Ammoniak zerfällt.

Der Kupfer-Chabazit enthält regelmäßig verteilte Poren, in denen die Ammoniak- und Stickoxidmoleküle unter Bildung von Stickstoff und Wasser reagieren.

„Kupfer-Chabazit bietet sowohl die hervorragende katalytische Aktivität, die für die NOx-Umwandlung erforderlich ist, als auch die strukturelle Stabilität, die für eine langfristige Haltbarkeit erforderlich ist“, sagt Ahmad Moini, Mitglied des Teams, das diese Technologie 2009 patentieren ließ.

Auch die Art und Weise, wie Katalysatoren hergestellt werden, ist wichtig. In der BASF-Anlage für Emissionskatalysatoren in Nienburg in Deutschland steuern orangefarbene Roboterarme die Beschichtung von Keramikkörpern mit einer cremigen Aufschlämmung, die Chabazit enthält. Die Beschichtung erfolgt präzise, ​​um sicherzustellen, dass die Poren im Material vollständig und schnell abgedeckt werden.

Hier hat BASF die nächste Generation von Konvertern entwickelt. Das Team hat diese so konzipiert, dass sie der bevorstehenden europäischen Gesetzgebung entsprechen, die die zulässige Menge an Ruß bzw. Feinstaub, die Benzinmotoren ausstoßen dürfen, um eine Größenordnung reduziert.

Eine Möglichkeit hierfür ist der Einbau eines zusätzlichen Filters, der diesen Ruß entfernt. Doch Wissenschaftler der BASF haben eine bessere Lösung gefunden, die Partikelfilterung mit herkömmlicher „Drei-Wege“-Katalysatorumwandlung kombiniert. Ihr Trick war die Katalyse eines maßgeschneiderten porösen Filters.

Die neue Struktur besteht aus einer Wabe aus langen parallelen Tunneln, die den Eintritt der Abgase ermöglichen. Die Gase passieren die Tunnelwände und werden dort in katalytischen Reaktionen zersetzt. Die umgewandelten Gase gelangen dann in einen weiteren Satz paralleler Tunnel und verlassen den Konverter.

Die Poren in den Tunnelwänden sind zu klein, als dass Ruß eindringen könnte. Dieser wird eingefangen und später verbrannt, um Kohlendioxid zu bilden. Die neuen Geräte heißen EMPRO™ Four-Way Conversion-Katalysatoren.

Um diese Geräte herzustellen, musste BASF erhebliche technische Herausforderungen bewältigen. Beispielsweise musste sichergestellt werden, dass der Filterprozess den Motorwiderstand nicht wesentlich erhöht, was zu einer Leistungseinbuße oder einem höheren Kraftstoffverbrauch führen würde. „Dies haben wir unter anderem durch die Entwicklung eines neuen Verfahrens erreicht, bei dem unsere Katalysatorzusammensetzung in die porösen Wände des Filters und nicht auf diese aufgetragen wird“, sagt Torsten Neubauer, BASF-Vizepräsident Environmental Catalysis Research Europe. Die ersten Autos mit Vier-Wege-Umrüstkomponenten der BASF kamen im vergangenen Jahr auf den Markt.

Eine weitere Herausforderung für Neubauer und seine Kollegen ist die Betreuung von Hybridautos. Diese schalten ständig von Elektromotoren auf einen Verbrennungsmotor um, der letztendlich bei niedrigeren Temperaturen läuft als herkömmliche Automotoren. Deshalb erforscht die BASF Möglichkeiten, Katalysatoren bei diesen niedrigeren Temperaturen wirksamer zu machen.

„Wir arbeiten mit Fahrzeugherstellern, Teileherstellern und Katalysatorsubstratlieferanten zusammen, um die Emissionen auch bei neueren Fahrzeugtypen weiter zu reduzieren“, sagt Tilo Horstmann, Vice President Mobile Emissions Catalysts der BASF. „Ich bin zuversichtlich, dass wir durch die Kombination unserer Schlüsselkompetenzen innovative Lösungen anbieten können, um nachhaltiges Autofahren auf die nächste Stufe zu heben.“

Dieselautos hatten eine gemischte Presse. Vor nicht allzu langer Zeit propagierten Politiker ihre Kraftstoffeffizienz – Dieselfahrzeuge produzieren bis zu 20 Prozent weniger Kohlendioxid als Benziner.

Doch in jüngster Zeit haben sie sich gegen Dieselautos ausgesprochen, insbesondere nach dem VW-Abgasskandal, und argumentierten, dass die von ihnen erzeugten Stickoxide eine inakzeptable Gesundheitsbelastung in Städten darstellten. Infolgedessen haben die Bürgermeister von Paris, Madrid, Athen und Mexiko-Stadt Pläne angekündigt, Dieselautos bis 2025 zu verbieten.

Jetzt sagen führende Vertreter der Automobilindustrie, dass dies ein Schritt zu weit sei. „Wir sehen, dass einige Städte aggressive und irrationale Diesel-Bashing-Maßnahmen vorschlagen“, sagt Tilo Horstmann, Vizepräsident der BASF Mobile Emissions Catalysts.

Laut der britischen Verbrauchervereinigung stoßen Dieselfahrzeuge tatsächlich mehr NOx aus – im Durchschnitt 16,5-mal so viel wie Benzinfahrzeuge. Allerdings verschleiert dies die enormen Unterschiede innerhalb der Dieselflotte zwischen älteren und neueren Fahrzeugen.

Nach europäischen Vorschriften dürfen seit 2014 verkaufte leichte Dieselfahrzeuge in Labortests nicht mehr als 80 Milligramm/Kilometer NOx ausstoßen, verglichen mit 500 mg/km bei Fahrzeugen, die vor 2000 verkauft wurden. Der entsprechende Grenzwert für Benzinmotoren liegt bei 60 mg/km. Ab September werden strengere Standards die Umweltverschmutzung weiter reduzieren und die Emissionen auch unter realen Fahrbedingungen begrenzen, nicht nur im Labor.

Dieselmotoren sind aber auch sparsamer im Kraftstoffverbrauch. Ein Rückgang der Verkäufe neuer Dieselautos verringert also die Chancen der Europäischen Union, ihr Ziel zu erreichen, die durchschnittlichen CO2-Emissionen neuer Autos von 130 g/km im Jahr 2015 auf 95 g/km im Jahr 2021 zu senken.

Und darin liegt das Dilemma, sagt Frank Mönkeberg, Leiter Anwendungstechnik, BASF Mobile Emissions Catalysts. „Ohne Diesel wird Europa diesen Grenzwert nicht einhalten können.“

Dieser Artikel erschien in gedruckter Form unter der Überschrift „Die Luft, die wir atmen“

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