„Was ist in Diesel?“ ist eine Frage mit zwei Antworten, eine sehr kurz und die andere sehr lang. Die kurze Antwort lautet Kohlenwasserstoffe. Kohlenwasserstoffe sind, wie der Name schon sagt, Moleküle aus Wasserstoff- und Kohlenstoffatombindungen. Kohlenwasserstoffe sind die Bestandteile jedes fossilen Brennstoffs – und Biokraftstoffs -, die sie wertvoll machen. Kohlenwasserstoffe sind die Moleküle in fossilen Brennstoffen und Biokraftstoffen, die sich entzünden, verbrennen, verbrennen, explodieren usw.
Auf molekularer Ebene sind fossile Brennstoffe einfach Kohlenwasserstoffe und Schadstoffe. Biokraftstoffe sind auch Kohlenwasserstoffe auf elementarer Ebene. Diesel ist also einfach eine Kombination verschiedener Kohlenwasserstoffe. Es ist die Mischung der Kohlenwasserstoffe — das Verhältnis der verschiedenen Kohlenwasserstoffe —, die Diesel zu einem einzigartigen fossilen Brennstoff macht.
Wichtiger als die Frage, was in Diesel enthalten ist, ist die Frage, welche Kohlenwasserstoffe in Diesel enthalten sind und in welcher Kombination.
Kohlenwasserstoffklassen bestimmen fossile Brennstoffe und Biokraftstoffe
So wie es verschiedene Arten von fossilen Brennstoffen und Biokraftstoffen gibt, gibt es verschiedene Kategorien, Klassen und Arten von Kohlenwasserstoffen. Die Kategorien, Klassen und Arten von Kohlenwasserstoffen bestimmen die Kraftstoffart – Diesel, Benzin, Erdgas, Kerosin usw. – sowie die verschiedenen Arten von Biokraftstoffen.
Es gibt zwei Kategorien fossiler Kohlenwasserstoffe: gesättigte und ungesättigte. Und es gibt vier Arten von Kohlenwasserstoffklassen, zwei in der gesättigten Kategorie und zwei in der ungesättigten Kategorie. Chevron.com „Es gibt vier Hauptklassen von Kohlenwasserstoffen: Paraffine, Naphthene, Olefine und Aromaten. Jede Klasse ist eine Familie einzelner Kohlenwasserstoffmoleküle, die ein gemeinsames Strukturmerkmal aufweisen, sich jedoch in Größe (Anzahl der Kohlenstoffatome) oder Geometrie unterscheiden. Die Klassen unterscheiden sich auch im Verhältnis von Wasserstoff zu Kohlenstoffatomen und in der Art und Weise, wie die Kohlenstoffatome miteinander verbunden sind.“
Olefine — auch Alkene genannt — und Aromaten sind ungesättigte Kohlenwasserstoffe. Alkane sind die einzigen gesättigten Kohlenwasserstoffe, die natürlicherweise in Rohöl vorkommen.
Eigenschaften von Kohlenwasserstoffklassen
Große Kohlenwasserstoffmoleküle und lange und komplexe Kohlenwasserstoffmolekülketten entsprechen einer größeren Kraftstoffdichte. Die Kraftstoffdichte ist die Energiemenge in jedem Kraftstoffvolumen, beispielsweise die Energiemenge in einer Gallone oder einem Liter Diesel. Leichte Brennstoffe wie Benzin und Gas-staatliche Brennstoffe — Erdgas (Methan), Propan usw. – bestehen aus kleinen Kohlenwasserstoffmolekülen und kurzen Molekülketten. Infolgedessen haben leichte Brennstoffe niedrige Energiedichten.
Große Kohlenwasserstoffe und lange Kohlenwasserstoffmolekülketten umfassen die meisten Kohlenwasserstoffe in Schwerkraftstoffen wie Diesel, Dieselkraftstoff und Bunkerkraftstoff (Restöl). Denn große Kohlenwasserstoffmoleküle und Molekülketten haben eine hohe Energiedichte. Neben der Größe und Länge von Kohlenwasserstoffmolekülen spielen Kohlenstoff-zu-Wasserstoff-Verhältnisse eine Rolle bei der Dichte. Die Anzahl der Kohlenstoffatome im Verhältnis zu den Wasserstoffatomen bestimmt das Gewicht und die Dichte eines Kraftstoffs. Je größer die Anzahl der Kohlenstoffatome — oder je weniger Wasserstoffatome – im Verhältnis von Kohlenstoff zu Wasserstoff eines Moleküls ist, desto dichter ist die Energie im Kraftstoff.
Kohlenwasserstoffe mit hohen Wasserstoff-zu-Kohlenstoff-Verhältnissen sind leichter als Kohlenwasserstoffe mit höheren Kohlenstoff-zu-Wasserstoff-Verhältnissen. Wasserstoff ist das leichteste Element der Erde. Daraus folgt, dass fossile Brennstoffe wie Propan und Erdgas (Methan), die einen hohen Wasserstoff—Kohlenstoff-Anteil aufweisen, extrem leicht sind. Am anderen Ende des Spektrums haben dicke und schwere fossile Brennstoffe wie Diesel und Heizöl einen hohen Kohlenstoffgehalt.
Je größer das Verhältnis von Kohlenstoff zu Wasserstoff ist, desto größer ist die Dichte eines Kraftstoffs.
Kohlenwasserstoffe und Kraftstoffdichte
Die Energiedichte beeinflusst alles, von der Laufleistung und den Emissionen bis hin zur Lebensdauer des Motors. Benzinverbrauch, Emissionen – Verschmutzung – und der Verschleiß eines Motors sind Produkte der Kohlenwasserstoffmolekülgröße und der Kohlenwasserstoffmolekülkettenlänge.
Je höher das Verhältnis von Kohlenstoff zu Wasserstoff ist, desto mehr Energie steckt in einem Kraftstoff und desto sauberer verbrennt der Kraftstoff. Beispielsweise ist die Energiedichte einer Gallone Benzin erheblich geringer als die Energiedichte einer Gallone Diesel. „Diesel und Benzin haben ungefähr die gleiche Energie pro Masseneinheit (niedrigerer Heizwert, etwa 41 MJ / kg). Die Dichte von Diesel beträgt etwa 833 kg / m3 im Vergleich zu 740 kg / m3 für Benzin. Dies gibt Diesel etwa 13% höhere Energiedichte pro Volumen „, so StackExchange.com.
Dadurch sind Dieselmotoren — zumindest teilweise — zwischen 25 und 35 Prozent sparsamer als ihre Benziner und halten zwei- bis dreimal so lange.
Vier Klassen von Kohlenwasserstoffen
Auch hier gibt es nur vier Kohlenwasserstoffklassen: Paraffine, Naphthene, Olefine und Aromaten. Da es nur vier Klassen von Kohlenwasserstoffen gibt, bedeutet dies notwendigerweise, dass die Kohlenwasserstoffe in fossilen Brennstoffen in eine der vier Klassen fallen. Es gibt jedoch Hunderte von verschiedenen Kohlenwasserstofftypen in Diesel sowie jede andere Art von fossilen Brennstoffen.
Allein Diesel enthält mehr als 500 verschiedene Arten von Kohlenwasserstoffen. Und viele der Kohlenwasserstoffe in Diesel kommen auch in Benzin und anderen fossilen Brennstoffen vor. Während fossile Brennstoffe Kohlenwasserstoffe gemeinsam haben, ist es das Verhältnis von großen zu kleinen Kohlenwasserstoffmolekülen, die fossile Brennstoffe trennen. Es gibt eine Formel für das Kohlenwasserstoffgemisch in jedem fossilen Brennstoff.
Ebenso gibt es eine Kohlenwasserstoffformel für Diesel.
Kategorien und Klassen von Kohlenwasserstoffen in Diesel
Die vier Klassen von Kohlenwasserstoffen fallen in eine von zwei Kategorien. Unabhängig davon, unter welche der vier Klassen ein Kohlenwasserstoff fällt, ist ein Kohlenwasserstoff entweder ein gesättigter Kohlenwasserstoff oder ein ungesättigter Kohlenwasserstoff. Das Verhältnis von gesättigten Kohlenwasserstoffen zu ungesättigten Kohlenwasserstoffen variiert in Diesel.
Aber das Verhältnis liegt typischerweise bei vier gesättigten Kohlenwasserstoffen zu jedem ungesättigten Kohlenwasserstoff.
In Bezug auf die Kohlenwasserstoffklassen fallen die Kohlenwasserstoffe in Diesel unter eine von drei Kategorien: paraffine, Aromaten und Naphthene. Olefine sind in Dieselkraftstoff sehr selten, weil sie in Rohöl ungewöhnlich sind. „Olefine kommen in Rohöl selten vor, sie entstehen durch bestimmte Raffinerieprozesse.“ Wie die Abteilung Advanced Motor Fuels des Energy Technology Network erklärt, „besteht Dieselkraftstoff hauptsächlich aus Paraffinen, Aromaten und Naphthenen. Dieselkraftstoff enthält Kohlenwasserstoffe mit etwa 12-20 Kohlenstoffatomen und der Siedebereich liegt zwischen 170 und 360 °C.“
Was gesättigte Kohlenwasserstoffe — Alkane — sind
Gesättigte Kohlenwasserstoffe machen den Großteil der Kohlenwasserstoffe im Dieselkraftstoff aus. Etwa 75 Prozent der Kohlenwasserstoffe im Diesel sind gesättigte Kohlenwasserstoffe. Wie es verschiedene Arten von Kohlenwasserstoffen gibt, gibt es auch verschiedene Arten von gesättigten Kohlenwasserstoffen oder Alkanen.
Verschiedene Arten von Alkanen – gesättigte Kohlenwasserstoffe – haben eine unterschiedliche Anzahl von Wasserstoffatomen und Kohlenstoffatomen. Und verschiedene Alkane haben unterschiedliche Wasserstoff-Kohlenstoff-Verhältnisse. Es gibt zwei Arten von Alkanen in Dieselkraftstoff: paraffine und Naphthene. „Paraffine und Naphthene werden als gesättigte Kohlenwasserstoffe eingestuft, da ihnen kein Wasserstoff mehr zugesetzt werden kann, ohne das Kohlenstoffgerüst zu brechen.“
Paraffinkohlenwasserstoffe
Normale Paraffine sind einkettige Moleküle. Es gibt ein Rückgrat von Kohlenstoffatomen. An die Kohlenstoffatome sind zwischen einem und drei Wasserstoffatome gebunden. „Normale Paraffine haben Kohlenstoffatome, die zu kettenartigen Molekülen verbunden sind, wobei jeder Kohlenstoff – mit Ausnahme derjenigen an den Enden – an zwei andere gebunden ist, eines auf beiden Seiten.“ Aber ähnlich der Tatsache, dass es verschiedene fossile Brennstoffe gibt, weil es verschiedene Arten von Kohlenwasserstoffen gibt — gesättigte und ungesättigte —, gibt es verschiedene Arten von Paraffinen. Neben normalen Paraffinen gibt es auch Isoparaffine.
Isoparaffine Kohlenwasserstoffe
Isoparaffine haben das gleiche Kohlenstoffgerüst wie normale Paraffine. Zusätzlich zum Rückgrat der Kohlenstoffatome haben Isoparaffine jedoch Kohlenstoffzweige. Die Implikation ist, dass ein anderer Paraffinkohlenwasserstoff die gleiche Anzahl von Kohlenstoff- und Wasserstoffatomen in einer Kette haben kann, aber eine andere Struktur.
„Isoparaffine haben ein ähnliches Kohlenstoffgerüst, aber sie haben auch ein oder mehrere Kohlenstoffatome, die vom Rückgrat abzweigen. Normales Decan und 2,4-Dimethyloctan haben die gleiche chemische Formel, C10H22, aber unterschiedliche chemische und physikalische Eigenschaften. Verbindungen wie diese mit derselben chemischen Formel, aber unterschiedlicher Anordnung der Atome werden als Strukturisomere bezeichnet.“
Cycloalkankohlenwasserstoffe (Naphthene)
Neben einkettigen Molekülen und Kettenmolekülen mit Verzweigungen entwickeln sich Paraffinkohlenwasserstoffe auch zu Ketten, in denen sich die beiden Enden zu einer Schleife verbinden. Als Paraffinkohlenwasserstoffe kommen Cycloalkane oder Naphthene in Betracht.
Und jeder Alkantyp kann eine große Anzahl verschiedener Typen aufweisen.
„Unter Standardbedingungen für Temperatur und Druck (STP) liegen die ersten vier Mitglieder der Alkan-Reihe (Methan, Ethan, Propan und Butan) in gasförmiger Form vor, und Verbindungen, die von C5H12 (Pentan) bis n-Heptadecan (C17H36) reichen, sind Flüssigkeiten (die große Anteile von Kohlenwasserstoffen bilden, die in flüssigen Brennstoffen (z. B. Benzin, Düsentreibstoff und Dieselkraftstoff) vorkommen), während n-Octadecan (C18H38) oder schwerere Verbindungen existieren isoliert als wachsartige Feststoffe bei STP. Diese schwereren Paraffine sind in leichteren Paraffinen oder anderen Kohlenwasserstoffen löslich und können in Dieselkraftstoff und Heizölen gefunden werden. Paraffine von C1 bis C40 treten normalerweise in Rohöl auf (schwerere Alkane in flüssiger Lösung, nicht als feste Partikel) und machen bis zu 20 Volumenprozent Rohöl aus.“
Die übrigen Bestandteile von Dieselkraftstoff sind Aromaten, ungesättigte Kohlenwasserstoffe.
Was ungesättigte Kohlenwasserstoffe – Aromaten – in Diesel sind
Aromaten sind ungesättigte Kohlenwasserstoffe. Aromaten bilden die Nicht-Alkane im Dieselkraftstoff. „Dieselkraftstoffe haben Aromatengehalte im Bereich von 15 bis 37 Vol.-%.“ Es gibt drei Arten von Aromaten: Monoaromaten, Diaromaten und Triaromaten. Während es Hunderte von spezifischen Arten von Aromaten in Diesel gibt, gibt es nur ein halbes Dutzend, das einen großen Teil des heutigen Diesels ausmacht.
Die häufigsten Aromaten in Diesel sind:
- Benzol
- Toluol oder Methylbenzol
- m-xylol oder 1,3-dimethylbenzol
- Ethylbenzol
- Propylbenzol
- Isopropylbenzol
Vor- und Nachteile von Aromaten
Aromaten spielen bei zwei wichtigen Dieselqualitäten eine entscheidende Rolle. Erstens ist die Viskosität umso größer, je größer die Anzahl der Aromaten ist. Je mehr Aromaten im Diesel vorhanden sind, desto flüssiger ist er. Darüber hinaus sind Aromaten flüchtige Kohlenwasserstoffe, was bedeutet, dass Aromaten beim Start von Dieselmotoren bei kaltem Wetter helfen. Und je mehr Aromaten, desto höher ist die Cetanzahl eines Dieselkraftstoffs. Es gibt jedoch auch Nachteile von Aromaten, insbesondere in Bezug auf die Umwelt.
Aromaten erzeugen bei der Verbrennung schmutzigere Emissionen als Alkane. „Aromaten können zu krebserregenden Verbindungen in Abgasen wie Benzol und Polyaromaten führen. Olefine in Benzin können zu einer Erhöhung der Konzentration reaktiver Olefine in Abgasen führen, von denen einige krebserregend oder toxisch sind oder das Ozonbildungspotential erhöhen können.“
Gute gegen schlechte Kohlenwasserstoffe in Diesel
Dieselkraftstoff ist laut traditionellem Umweltschützer kein „sauberer“ Kraftstoff. Der Grund dafür sind Feinstaub und Smog, die mit der Verbrennung von Diesel verbunden sind. Der schwarze Rauch von Dieselmotoren unterscheidet sich jedoch kaum vom Rauch von Schornsteinen, Vulkanen und Waldbränden. Der schwarze Rauch, den Dieselmotoren der Vergangenheit erzeugten, war zwar hässlich, aber einfach unverbrannte Kohlenwasserstoffe.
Die wohl gefährlichsten Emissionen von Verbrennungsmotoren sind die unsichtbaren Gase, die in Emissionen enthalten sind. Kohlenmonoxid wird beispielsweise in extrem geringen Mengen von Dieselmotoren produziert. Auf der anderen Seite produzieren Benzinmotoren erhebliche Mengen.
Es gibt einen Grund — die Prävalenz eines Kohlenwasserstoffs gegenüber einem anderen —, der Diesel von anderen fossilen Brennstoffen trennt: Naphthene. „Naphthene sind eine Klasse von cyclischen aliphatischen Kohlenwasserstoffen oder einfach Cycloalkanen.“ Einfach, Naphthene sind Alkane, die Schleife. Das bedeutet, dass Naphthene energiereich und extrem dicht sind. Noch wichtiger ist, dass die Emissionen von Naphthenen nicht toxisch sind.
Während alle fossilen Brennstoffe eine große Anzahl von Paraffinen (Alkanen) und Aromaten enthalten, enthalten nicht alle fossilen Brennstoffe große Mengen an Naphthenen. Anstelle von Naphthenen sind Alkene die dritte Komponente in leichten Kraftstoffen wie Benzin und fossilen Brennstoffen im Gaszustand. Alkene sind giftig. Auf einer grundlegenden Ebene unterscheidet sich Diesel also von Benzin und anderen Kraftstoffen mit leichtem Gaszustand, da er Naphthene enthält, wertvolle, ungiftige Emissionen, die Kohlenwasserstoff produzieren.
Dieselkohlenwasserstoffe Im Vergleich zu anderen fossilen Brennstoffen
Glücklicherweise sind Kohlenwasserstoffe, die „sauber“ sind, dieselben Kohlenwasserstoffe mit hoher Energiedichte. Ebenso sind diejenigen Kohlenwasserstoffe, die für Menschen giftig sind und die Atmosphäre und die Umwelt schädigen, auch solche, die nicht energiedicht sind. Während Diesel Probleme in Bezug auf die Emissionsbelastung hat, sind diese Probleme nicht mit Kohlenwasserstoffen verbunden. Während der Schwefel in normalem Diesel giftig ist, ist schwefelarmer Diesel erheblich weniger umweltschädlich als Benzin.
Diesel hat einen höheren Alkangehalt als Benzin und einen niedrigeren Aromatengehalt. Zusätzlich hat Benzin einen hohen Alkengehalt. Alkene erzeugen toxische Emissionen. Anstelle von Alkenen enthält Diesel Naphthene, eine Form von Alkanen. Alkane sind die sauberste Klasse von Kohlenwasserstoffen in Bezug auf Emissionen. Und Naphthene haben die höchste Energiedichte aller Kohlenwasserstoffe.
In Bezug auf die Kohlenwasserstoffemissionen ist Diesel der sauberste fossile Brennstoff.