Was ist Autogas (LPG) ?

LPG steht für Liquified Petroleum Gas und ist ein bei Raumtemperatur gasförmiges Gemisch, dass im Wesentlichen aus Propan und Butan besteht. Damit unterscheidet sich Autogas chemisch im Prinzip nicht von "Flüssiggas", dass viele Menschen zum Heizen benutzen und das in relativ großen Gastanks irgendwo im Garten gelagert wird.Lediglich das Mischungsverhältnis mag sich unterscheiden. Auch Campinggas, dass man entweder in kleinen Kartuschen oder in größeren Gasflaschen kaufen, kann enthält Propan-/Butan-Gemische und ist somit dem Autogas sehr ähnlich, ebenso wie "Feuerzeuggas". Viele Details zum Autogas und seiner Verwendung finden sich bei Wikipedia. Ich will hier nicht den dortigen Inhalt wiederholen, sondern das Autogas aus eher chemischer und energetischer Sicht betrachten. Wem der Text auf dieser Seite also zu "chemisch" ist, der findet die gesuchten Informationen vielleicht auf der Wikipedia-Seite.

Autogas - DIN EN 589

Die DIN EN 589 spezifiziert die Eigenschaften von Autogas und legt somit auch die Unterschiede zum Campinggas und dem zum Heizen benutzten Flüssiggas fest, für die es eigene Normen gibt. Von irgendwelchen Versuchen ein Auto mit nicht der DIN EN 589 folgenden Flüssigasen zu betreiben rate ich ausdrücklich ab, denn sowohl die Elektronik der Gasanlagen als auch die Anlage selbst ist auf die DIN EN 589 hin konstruiert. Bei Verwendung eines nicht der Norm entsprechenden Geimisches sind Druck und Brennwert des Gases womöglich außerhalb der Spezifikation mit unvorhersehbaren Folgen. Leider kostet die DIN EN 589 wie die meisten DINs Geld. Normen sind urheberrechtlich geschützt und werden nicht kostenlos verteilt. Man erhält sie z.B. auf www.din.de, wo die DIN EN 589 zur Zeit (03.02.2017) für 73,90 € zu haben ist.

Auf einer Autogaszapfsäule der Westfalen AG stand, dass im Sommer das Verhältnis Butan:Propan 60:40 ist und im Winter 40:60. Die Westfalen AG verriet mir auf Nachfrage außerdem., dass es sich hierbei um Massenprozente handelt. Bei anderen Anbietern dürften die Mischungsverhältnisse ähnlich sein.

Der höhere Propananteil im Winter soll den Dampfdruck bei niedrigeren Lufttemperaturen dem des Sommergases anpassen, denn Propan hat gleicher Temperatur einen höheren Dampfdruck als Butan.

Propan und Butan

Propan und Butan sind sich chemisch sehr ähnlich. Beide bestehen aus Molekülen, die nur Kohlenstoff- und Wasserstoffatome enthalten, allerdings ist das Butanmolekül etwas größer. Ein Propanmolekül besteht aus 3 Kohlenstoff- und 8 Wasserstoffatomen (C₃H₈) während Butan C₄H₁₀ ist.

Vergleich von Propan und Butan

Eigenschaft	Propan	Butan
Darstellung im Modell
Formel	C3H8	C4H10
Dichte des verflüssigten Gases bei 20 °C	501,8 g/l	574,2 g/l
unterer Heizwert	12,87 kWh/kgi	12,70 kWh/kgi
Verbrennungsenthalpie	-2217 kJ/mol1	-2874 kJ/mol1
Schmelzpunkt	-188 °Cii	-138,3 °Ciii
Siedepunkt	-42 °Cii	-0,5 °Ciii

Die Tabelle fasst wesentliche Eigenschaften beider Substanzen kurz zusammen. Die Dichten wurden mir freundlicherweise von der Westfalen AG mitgeteilt. Eine Erklärung der Heizwerte findet sich auf diesen Seiten unter "Was ist der Heizwert?".

Auf die Herstellung, weitere Eigenschaften und die sonstige Verwendung beider Stoffe wird hier nicht weiter eingegangen, da dies sowohl für Propan als auch für Butan bei Wikipedia beschrieben wird.

Zur energetischen Nutzung des Autogases, d.h. zum Autofahren, muss man das Autogas verbrennen. Deshalb wird im Folgenden zunächst die Verbrennung des Propans bzw. Butans betrachtet.

Verbrennung

Propan

Bei der Verbrennung von Propan läuft die folgende chemische Reaktion ab:

C₃H₈ + 5 O₂ -> 3 CO₂ + 4 H₂O; Δ_RH = -2217 kJ/mol

Wenn man also ein Molekül Propan verbrennen möchte, benötigt man hierzu 5 Sauerstoffmoleküle und erhält drei Kohlendioxidmoleküle sowie 4 Moleküle Wasser. Setzt man 1 mol Propan, also 6,023·10²³ Moleküle um, so werden bei der Reaktion, wenn sie denn unter Standardbedingungen (25 °C, 1013 hPa bzw. 1013 mbar) abläuft, 2217 kJ Energie frei. Natürlch läuft eine Verbrennung nicht bei Raumtemperatur ab, sondern bei erheblich erhöhter Temperatur. Der Fehler beim Rechnen mit Standardgrößen ist aber nur gering, weshalb ich hier auf eine Umrechnung verzichte.

Im Prinzip ist es nun egal, ob man mit der Reaktionsenthalpie rechnet oder direkt den Heizwert aus der Tabelle benutzt - in jedem Fall erhält man als Ergebnis, dass bei der Verbrennung von 1 kg Propan 12,87 kWh (46,32 MJ) zum Autofahren nutzbarer Energie zur Verfügung stehen.

Da 1 mol Propan 44 g wiegt, enthält 1 kg Propan

1000g : (44 g/mol) = 22,73 mol

Propanmoleküle. Da nun bei der Verbrennung von 1 mol Propan 3 mol Kohlendioxid anfallen, erhält man bei der Verbrennung von 22,73 mol Propan (1 kg) also

3 · 22,73 mol = 68,18 mol

Kohlendioxid. Da ein 1 mol Kohlendioxid ebenfalls 44 g wiegt, erhält man bei der Verbrennung von 1 kg Porpan also

68,18 mol · 44 g/mol = 3000 g = 3 kg

Kohlendioxid.

Bezogen auf 1 kWh nutzbare Energie erhält man also:

3 kg CO₂/kg : 12,87 kWh/kg = 0,233 kg CO₂/kWh

Um durch die Verbrennung von Propan 1 kWh bzw. 3,6 MJ zum Autofahren nutzbarer Energie zu erhalten, werden 233 g Kohlendioxid frei.

Bei der Verbrennung von 1 l verflüssgtem Propan erhält man also mit der Dichte aus der obigen Tabelle bei 20 °C 1,505 kg Kohlendioxid und 6,46 kWh Energie.

Butan

Bei der Verbrennung von Butan läuft die folgende chemische Reaktion ab:

C₄H₁₀ + 6,5 O₂ -> 4 CO₂ + 5 H₂O; Δ_RH = -2874 kJ/mol

Wenn man also ein Molekül Butan verbrennt, benötigt man hierzu 6,5 Moleküle Sauerstoff und erhält 4 Moleküle Kohlendioxid und 5 Wassermoleküle. Setzt man auf diese Weise 1 mol Butan, also 6,023·10²³ Moleküle, um, werden dabei 2874 kJ bzw. 0,798 kWh Wärmeenergie frei.

Bei der Verbrennung von 1 kg Butan erhält man insgesamt 12,70 kWh bzw. 3,53 MJ zum Autofahren nutzbare Energie. Da nun bei der Verbrennung von 1 mol Butan 4 mol Kohlendioxid entstehen und 1 mol Butan 58 g wiegt, ergibt sich analog der Rechnung beim Propan:

1000 g : 58 g/mol = 17,24 mol Butan
17,24 mol · 4 = 68,96 mol CO₂
68,96 mol CO₂ · 44 g/mol = 3034 g CO₂
3,034 kg CO₂/kg : 12,7 kWh/kg = 0,239 kg CO₂/kWh

Gewinnt man seine zum Autofahren benötigte Energie also aus Butan, so werden pro kWh nutzbarer Energie 239 g Kohlendioxid frei, also nicht ganz 3 % mehr.

Bei der Verbrennung von 1 l verflüssgtem Butan erhält man mit der Dichte aus der obigen Tabelle bei 20°C also 1,742 kg Kohlendioxid und 7,29 kWh Energie.

Vergleich Propan/Butan mit Benzin/Diesel

Die Tabelle fasst die Zahlenwerte der obigen Abschnitte noch einmal kruz zusammen und stellt ihnen die Werte für Benzin und Diesel, wie sie sich aus den beiden Wikipedia-Artikeln ^{iv, v} näherungsweise ermitteln lassen, gegenüber.

Bei oberflächlicher Betrachtung erscheint Butan ein viel größerer "Klimakiller" als Propan zu sein, da je Liter fast 16 % mehr Kohlendioxid entstehen. Dieser erste Eindruck ist aber falsch, denn wir fahren nicht mit "den Litern", sondern mit der Energie und da Butan gleichzeitig etwa 13 % mehr Energie enthält als Propan, ist der Verbrauch in Litern mit reinem Butan theoretisch um 13 % niedriger als bei der Verwendung von reinem Propan.

Für den Einfluss auf das Klima muss man also nicht die Menge Kohlendioxid je Liter Kraftstoff, sondern die je kWh (oder MJ) entstehende Menge Kohlendioxid betrachten und hier schneidet Butan mit einem etwa 3 % höherem Kohlendioxidausstoß nur wenig schlechter ab als Propan. Benzin und Diesel sind hier erheblich schlechter. Man sieht allerdings auch, dass der Energieinhalt eines Liters Diesel deutlich höher ist, als der eines Liters Benzin und der ist immer noch beträchtlich höher als der von Propan oder Butan. Dies ist ein Grund, warum der Verbrauch mit Diesel so niedrig ist und der mit Autogas vergleichsweise hoch. Trotzdem ist der Kohlendioxidausstoß mit Diesel auf jedem Kilometer beträchtlich höher als der mit Autogas. Aus ökologischer Sicht bringt der niedrige Verbrauch (in Litern) eines Diesel also keinen Vorteil, wie die letzte Zeile der Tabelle zeigt. Würde man ein Auto, dass mit Diesel 6 Liter je 100 km verbraucht mit gleicher Energieeffizienz mit Popan betrieben, so würde der Kohlendioxidausstoß auf jedem Kilometer von 159 g auf 137 g sinken.

Autogas - ein Gemisch aus Propan und Butan

Autogas (LPG) ist nun ein Gemisch aus Propan und Butan, dass im Sommer mehr Butan als im Winter enthält. Die Westfalen-AG gibt für von ihr belieferte Gastankstellen eine Zusammensetzung von 40 % Propan und 60 % Butan im Sommer und 60 % Propan und 40 % Butan im Winter an, wobei es sich um Massenprozent und nicht etwa um Volumenprozent handelt. Wegen der großen Ähnlichkeit zwischen Propan und Butan gibt es keine komischen Mischungeffekte, wie sie etwa beim Lösen von Salz in Wasser auftreten. Die meisten Eigenschaften des Gemisches entsprechen denen der Einzelstoffe mit einer entsprechenden Gewichtung. Im Folgenden soll dies an einer Dichtenberechnung demonstriert werden.

Bei 20 °C beträgt die Dichte von Propan 501,8 g/l und die von Butan 574,2 g/l. Bei einem Mischungsverhältnis von 40:60 Propan:Butan erhält man nun eine Dichte von:

0,4 · 501,8 g/l + 0,6 · 574,2 g/l = 545,2 g/l

Für die Wintermischung mit 60 % Propan erhält man entsprechend:

0,6 · 501,8 g/l + 0,4 · 574,2 g/l = 530,8 g/l

Beide errechneten Werte stimmen exakt mit den Dichten überein, die mir die Westfalen-AG freundlicherweise für die beiden Gemische bei 20 °C zur Verfügung gestellt hat und beweisen so die Zulässigkeit dieser Rechnung.

Verbrennung

Bei der Verbrennung von Autogas wird nun ein Propan/Butan-Gemisch verbrannt, weshalb sich die Verbrennung im Automotor wie die Verbrennung der Einzelstoffe betrachten lässt. Aus den obigen Zahlen ergibt sich entsprechend:

Man sieht, dass sich Sommer- und Winter-LPG kaum unterscheiden, beide aber zu einem deutlich geringeren Kohlendioxidausstoß als im Benzin- oder gar Dieselbetrieb führen, wenn man denn von einer gleichen Energieeffizienz ausgeht, d.h. die gleiche Menge kWh je 100 km verbraucht werden. Eine Rechnung mit der gleichen Literzahl wäre falsch, da ein Liter LPG viel weniger Energie enthält als ein Liter Diesel.

Einfluss der Außentemperatur

Die Gerüchte

Grundsätzlich arbeiten alle Motoren bei tieferen Außentemperaturen etwas weniger effizient, d.h. sie verursachen einen etwas höheren Verbrauch, als bei höheren Temperaturen. Dies liegt daran, dass der Motor seinen optmialen Wirkungsgrad erst bei erhöhter Betriebstemperatur erreicht und im Winter das Erreichen dieser Temperatur länger dauert und man deshalb längere Zeit mit einem physikalisch und technisch bedingt schlechteren Wirkungsgrad, d.h. einem höheren Verbrauch, unterwegs ist. Dies wirkt sich natürlich vor allem dann aus, wenn man viele kurze Strecken fährt. Nicht nur deshalb sollte man für kurze Strecken das Fahrrad oder die Füße statt des Autos verwenden. Die Energieeffizienz bei unterschiedlichen Temperaturen soll hier aber nicht weiter betrachtet werden. Stattdessen werde ich mich der Veränderung des LPGs bei verschiedenen Temperaturen zuwenden, da man darüber in verschiedenen Foren immer wieder sehr eigenartige Dinge liest.

Wie bei allen Substanzen außer Wasser, nimmt das Volumen mit steigender Temperatur kontinuierlich zu bzw. mit sinkender Temperatur ab. Dies gilt sowohl für Benzin und Diesel, als auch für LPG. Die Folge ist, dass man bei niedrigen Temperaturen mit jedem Liter eine größere Menge Kraftstoff erhält, als bei höheren Temperaturen, da jeder Liter etwas schwerer ist - die Dichte also größer geworden ist. Im Winter erhält man also fürs gleiche Geld bei gleichem Volumen mehr Energie und im Sommer entsprechend weniger. Angeblich soll dieser Effekt bei LPG so groß sein, dass man im Sommer aus finanziellen Gründen auf Benzin umsteigen soll - so wurde es in einigen Foren empfohlen. Der Kohlendioxidausstoß je Kilometer wird übrigens von der Dichteänderung nicht beeinflusst, ebensowenig wie der Energieverbrauch. Mein eigenes subjektives Empfinden lässt mich aber an einen höheren Gasverbrauch im Sommer glauben (gemessen in Litern!). Details zu meinem Verbrauchsexperiment sind in "Energie sparen durch Umrüstung auf Autogas (LPG)?" beschrieben und sollen hier nicht wiederholt werden.

Dank der freundlichen Unterstützung der Westfalen AG, die uns Dichtetabellen für Sommer- und Winter-LPG für Temperaturen zwischen -30 °C und +40 °C zur Verfügung stellte, ist es uns nun möglich, Licht in dieses Dunkel zu bringen.

Temperaturabhängigkeit der Dichte von LPG

Wie man dem Diagramm entnehmen kann, sinkt die Dichte von LPG mit steigender Temperatur nahezu gleichmäßig ab, wobei die von Sommer-LPG mit 60 % Propan stets etwa 12 - 16 g/l größer ist. Ein Liter LPG wiegt bei gleicher Temperatur also im im Sommer etwas mehr als Winter. Da jedoch zur Verkaufszeit von Winter-LPG die Temperaturen etwas niedriger sind, erhält man zu jeder Jahreszeit immer etwa die gleiche Masse LPG

Wie man dem Diagramm zum Kohlendioxidausstoß entnehmen kann, liegt der Kohlendioxidausstoß je Liter LPG bei Sommer-LPG stets um 40 - 50 g pro Liter LPG über dem von Winter-LPG, erreicht aber selbst bei -40 °C nicht mal annähernd die Werte von Benzin oder Diesel.

Der Energieinhalt eines Liters Sommer-LPG ist bei jeder Temperatur um etwa 0,2 kWh höher, als der von Winter-LPG und nimmt mit steigender Temperatur ab, ebenso wie Dichte und Kohlendioxidausstoß je Liter. Mit steigender Temperatur sollte also der Verbrauch wachsen, da jeder Liter weniger Energie liefert. Gleichzeitig produziert jeder Liter aber auch weniger Kohlendioxid, sodass der Kohlendioxidausstoß konstant bleiben sollte. Der Verbrauch in Litern und damit de Kraftstoffkosten je Kilometer nehmen jedoch mit steigender Temperatur zu, da jeder Liter eine immer geringere Menge Energie liefert und damit eine immer geringere Reichweite ermöglicht. Mit jedem Grad Temperaturerhöhung verliert man pro Liter wegen der Volumenvergrößerung etwa 0,016 kWh bzw. etwa 0,2 % Energie. Eine Temperatursteigerung von 5 °C führt also beim gleichen Kraftstoff zu etwa 1 % höheren Kraftstoffkosten, 25 °C höhere Temperaturen führen also zu etwa 5 % höheren Kosten - ein nur kleiner Effekt, verglichen mit dem Mehrverbrauch durch die nun sicher eingeschaltete Klimaanlage.

Ergebnis

Die Änderung der Dichte von LPG bei einer Temperaturveränderung hat keinen Einfluss auf den Kohlendioxidausstoß und nur einen vernachlässigbar kleinen Einfluss auf die Kraftstoffkosten, wenn man von einer vergleichbaren Energieeffizienz des Motors ausgeht. Beide Faktoren werden durch das Fahrverhalten und auch den Betrieb der Klimaanlage im Sommer weit stärker beeinflusst, als durch die Dichteänderung. Gegenüber einem Betrieb des Fahrzeugs mit Benin oder Diesel sind die Vor- und Nachteile des LPG-Betriebs im Sommer und Winter die Gleichen, da sich die Dichte von Benzin und Diesel in ähnlicher Weise verändert, wie die von LPG und der Effekt ohnehin nur sehr klein ist.

Buchquellen

1. "Das große Tafelwerk", 1. Auflage, 7. Druck 2005, Cornelsen Verlag Berlin, S.135-136