Kraftstoffverbrauch


Kraftstoffverbrauch
Mit Kraftstoffmesssäulen wird in der Landtechnik häufig der Kraftstoffverbrauch bei verschiedenen Maschineneinstellungen verglichen

Der Kraftstoffverbrauch gibt die Menge von Kraftstoff an, die eine Verbrennungskraftmaschine innerhalb einer bestimmten Zeit verbrennt oder die beim Zurücklegen einer bestimmten Strecke durch ein Fahrzeug verbraucht wird.

Bei Straßenfahrzeugen wird in Europa gewöhnlich der Durchschnittsverbrauch auf einer Strecke von 100 Kilometern als Vergleichsgröße herangezogen. Bei anderen Landfahrzeugen sowie Luft- und Wasserfahrzeugen und bei Antrieben sind Angaben in Liter pro Stunde (l/h) bzw. Kilogramm pro Stunde (kg/h) verbreitet. Für Verbrennungsmotoren selbst ist der spezifische Verbrauch in Gramm pro Kilowattstunde (g/kWh) eine wichtige Kenngröße.

Inhaltsverzeichnis

Chemische Zusammenhänge

Die in chemisch gebundener Form zugeführte Energie (Heizwert des Kraft- oder Treibstoffs) wird im Verbrennungsmotor in mechanische Arbeit für den Antrieb umgewandelt. Der thermische Wirkungsgrad spiegelt jedoch nur die Effizienz der Energieumwandlung wider, ohne quantitative Aussagen über zugeführte chemische Energie und verrichtete mechanische Arbeit zu tätigen. Die nicht als mechanische Arbeit entnommene Energie des Kraftstoffes geht als Wärmeenergie verloren, daher dienen zur Beurteilung des Kraftstoffverbrauches von Fahrzeugen andere spezifische, von der Nutzung abhängige Bezugsgrößen (zurückgelegte Strecke, Zeit, Personenkilometer, Tonnenkilometer, mechanische Energie).

Verbrauchsangaben

Bezug zur erbrachten Transportarbeit

Neben dem Antrieb spielt für den Verbrauch auch die Konstruktion des Fahrzeuges und die Logistik eine Rolle. Verkehrsmittel können besser verglichen werden, wenn der Verbrauch auf die Transportarbeit bezogen wird. Beispielsweise:

  • Kraftstoffverbrauch pro Personenkilometer (pro Person bzw. Sitzplatz und Kilometer)
  • Kraftstoffverbrauch pro Frachttonnen oder -kubikmeter und Kilometer

Dabei spielt die Auslastung der Verkehrsmittel eine große Rolle. So erreichen moderne Großflugzeuge, wenn sie voll besetzt sind, einen Treibstoffverbrauch von ca. 2,5 Liter pro 100 Personenkilometer[1]. Das gilt insbesondere auch für öffentliche Verkehrsmittel wie die Eisenbahn, die zwar im Durchschnitt energieeffizienter ist als einige der anderen motorisierte Verkehrsmittel, aber im Bereich Nebenstrecken mangels Auslastung und im Bereich Hochgeschwindigkeit infolge des Luftwiderstandes einen höheren Endenergieverbrauch pro Personenkilometer hat.

Spezifischer Verbrauch

Bei Verbrennungsmaschinen wird üblicherweise die verbrauchte Kraftstoffmenge je Arbeitseinheit angegeben, also der spezifische Kraftstoffverbrauch in g/kWh oder kg/kWh. Die Angabe in g/kWh erfolgt hauptsächlich für den Bestpunkt, den Betriebspunkt mit der höchsten Kraftstoffeffizienz. Der tatsächliche spezifische Verbrauch in Abhängigkeit von Drehzahl und Leistungsabgabe wird in einem Muscheldiagramm dargestellt.

Bei Raketentriebwerken wird der spezifische Treibstoffverbrauch als spezifischer Impuls angegeben.

Bezug zum Heizwert

Bei Kraftwerken ist die Menge des pro Zeit verbrauchten Treib- oder Brennstoffes zwar logistisch interessant, deren Effizienz wird jedoch durch die umgewandelte Energiemenge pro Heizwert des Brennstoffes angegeben. Moderne Gas-Dampf-Kombikraftwerke können bis zu 60 % des Heizwertes in Elektroenergie umwandeln, bei Kohlekraftwerken und Dieselgeneratoren liegt dieser Wert bei etwa 40 %.

Kraftfahrzeuge

PKW

Für Kraftfahrzeuge wird in Europa der Kraftstoffverbrauch üblicherweise in Liter pro 100 km Fahrtstrecke für den genormten Fahrzyklus gem. 70/220/EWG angegeben. Er ist eine maßgebliche Größe bei der Beurteilung der Wirtschaftlichkeit und dem Grad der Umweltschädlichkeit von Automobilen. Er wird ermittelt, indem mit dem Fahrzeug ein festgelegter Fahrzyklus durchfahren und die hierbei verbrauchte Kraftstoffmenge ermittelt wird. Kritiker bemängeln, dass zur Ermittlung der Daten erfahrene Fahrer eingesetzt würden, die innerhalb der Vorgaben einen möglichst geringen Verbrauch erzielen.

Um einheitliche Randbedingungen zu schaffen, erfolgt die Ermittlung des Kraftstoffverbrauches seit dem 1. Januar 1996 generell auf einem Rollenprüfstand.

Die genormten Fahrzyklen stellen Durchschnittsprofile dar, um die Fahrzeuge untereinander vergleichen zu können, sie stimmen oft nicht mit dem Nutzungsprofil des Kunden überein, insbesondere dann, wenn Kurzstrecken- und Stadtverkehr vorherrscht oder auf Autobahnen sehr hohe Geschwindigkeiten gefahren werden.

Weit verbreitete Fahrzyklen sind:

  • In der Europäischen Union wird der Kraftstoffverbrauch für Kraftfahrzeuge basierend auf dem NEFZ (Neuer Europäischer Fahrzyklus) nach der Richtlinie 80/1268/EWG Anh. I, zul. geändert durch 93/116/EG ermittelt. Dabei wird ein synthetischer Fahrzyklus mit klar abgegrenzten Beschleunigungs-, Konstantfahr- und Bremsphasen auf einem Teststand verwendet. Bei Fahrzeugen mit Handschaltgetriebe sind außerdem die gefahrenen Gangstufen vorgeschrieben.
  • Dem gegenüber ist der US-amerikanische FTP75 ein Zyklus, der die Abbildung einer konkret durchgeführten Fahrt darstellt.
  • In Japan wird der sogenannte 10-15 Mode verwendet, wie in Europa ein synthetischer Zyklus, jedoch mit abweichendem Verlauf.

Die sich durch die verschiedenen Zyklen ergebenden Verbräuche unterscheiden sich zum Teil erheblich und sind daher nicht direkt miteinander vergleichbar. Technische Maßnahmen der Hersteller von Automobilen zur Senkung des Kraftstoffverbrauches betreffen effizientere Motoren, Verringerung des Luftwiderstandes und des Rollwiderstandes der Reifen sowie alternative Antriebskonzepte. Daneben bietet vor allem das Nutzungsverhalten großen Einfluss auf den Energieverbrauch und lässt sich durch eine energiesparende Fahrweise senken.

Österreich

In Österreich müssen seit vielen Jahren in Pkw-Verkaufsprospekten, -inseraten und -plakaten von Händlern Angaben zum Kraftstoffverbrauch in einer - relativ kleinen - Mindestschriftgrösse gemacht werden. Anfangs waren Angaben für Fahrt mit 90 km/h, 120 km/h und Stadtverkehr üblich, später auch ein "Drittelmix" daraus. Seit 2010 basieren die Angaben auf Stadt- und Landverkehr und einem mit 1:2 gewichteten Mittel daraus.

LKW und Kraftomnibusse

Da LKW und Busse sich nur schlecht über den für PKW geltenden NEFZ darstellen lassen, gelten für sie andere Rahmenbedingungen, welche in DIN 70030 (Teil 2) niedergeschrieben sind.

Auch diese Fahrzeuge nach DIN 70010 (zu denen auch LKW und Busse gehören) sind bei der Messfahrt mit serienmäßigen Schmiermitteln und Betriebsparametern (Reifendruck, ...) zu konfektionieren. Das Fahrzeuggewicht entspricht dem mittlerem Gewicht (Mittel aus maximal zulässigem und leerem Gewicht).

Auch an die Umgebungsbedingungen werden strenge Anforderungen gestellt. So muss trockenes und windstilles Wetter einer bestimmten Temperatur und eines bestimmten Luftdrucks vorherrschen.

Die Prüfgeschwindigkeit entspricht 75 % der Fahrzeughöchstgeschwindigkeit.

Um Unsicherheiten auszugleichen ist der über eine Prüfstrecke verbrauchte Kraftstoff um 10 % zu überhöhen.

Umrechnungen

Berechnung der CO2-Emission auf Basis des Kraftstoffverbrauchs

Bei der Diskussion um den Treibhauseffekt wird der Kohlenstoffdioxid-Anteil (CO2) an den Abgasen bewertet. Ein in diesem Sinn idealer Kraftstoff ist Wasserstoff. Er wird vollständig zu Wasser umgesetzt. Das andere Extrem bildet reiner Kohlenstoff (Kohle), er verbrennt vollständig zu Kohlendioxid (CO2). Gängige Treibstoffe bestehen überwiegend aus Kohlenwasserstoffen und liegen dazwischen (Wasserstoff wird hauptsächlich aus Kohlenwasserstoffen gewonnen, wobei dann ebenfalls Kohlendioxid frei wird; siehe Hauptartikel Wasserstoff). Der Kohlenstoffanteil von Kraftstoffen ist konstant und ein Kohlenstoffatom mit zwei Sauerstoffatomen bildet ein CO2-Molekül. Andere Verbindungen bilden sich kaum. Daher lässt sich vom Verbrauch unmittelbar die Menge des erzeugten CO2 berechnen, indem entsprechend der Molaren Masse zu jeweils 12 g Kohlenstoff 32 g Sauerstoff addiert werden.

Bei der Verbrennung entsteht aus

  • 1 kg Kohlenstoff 3,67 kg CO2
  • Wasserstoff kein CO2, nur Wasser

Neben Wasser und geringen Mengen anderer Verbrennungsprodukte entsteht bei der Verbrennung aus

  • 1 l Diesel etwa 2,62 kg CO2[2]
  • 1 l Benzin etwa 2,32 kg CO2[2]
  • 1 l Autogas etwa 1,8 bis 2,0 kg CO2
  • 1,16 l Autogas etwa 2,1 bis 2,3 kg CO2 (entspricht etwa der Energie in 1 l Benzin, da die Energiedichte von Benzin höher ist)

Bei der Verbrennung von einem Liter Diesel entsteht somit etwa 14 % mehr CO2 als bei der Verbrennung von einem Liter Benzin, d. h. wenn ein Ottomotor einen Mehrverbrauch von etwa 14 % gegenüber einem Dieselmotor hat, sind die Motoren hinsichtlich des CO2-Ausstoßes gleichwertig. Daher können Benzin- und Dieselfahrzeuge nicht einfach über den Kraftstoffverbrauch gemessen in Litern verglichen werden. Die Ursache sind Unterschiede im spezifischen Gewicht sowie im Verhältnis zwischen Kohlenstoff- und Wasserstoffatomen in den Molekülen beider Kraftstoffe. Der von der Europäischen Kommission vorgeschlagene Richtwert von 130 g CO2 pro km entspricht einem Verbrauch von 5,0 l/100 km Diesel bzw. 5,6 l/100 km Benzin. Das im Jahr 2012 in Kraft tretende EU-Emissionsgesetz schreibt eine Flottenemission von 120 g CO2/km vor.

Umrechnung l/100 km in g/km CO2

Bei bekannter Angabe des Kraftstoffverbrauchs [l/100 km] kann dieser direkt in g/km CO2- Emission umgerechnet werden. Dazu wird der Verbrauchswert mit dem kraftstoffspezifischen Umrechnungsfaktor [kg/10 l] multipliziert. Die Einheit entstammt einer Zahlenwertgleichung.

Umrechnungsfaktoren (aus den obigen Angaben entnommen):

  • für Diesel etwa 26,2 kg/10 l
  • für Benzin etwa 23,2 kg/10 l
  • für Autogas etwa 18 bis 20 kg/10 l

Rechenbeispiel für ein Benziner mit 5,6 l/100 km Verbrauch: CO2-Emission = 5,6  l/100 km x  23,2 kg/10 l = 129,92 g/km CO2

Dabei handelt es sich um über 100 Kilometer gemittelte Werte. Fahrstrecken bergauf erhöhen die Emissionen drastisch, während Bergabfahrten bei Motor-Schubabschaltung keine kilometerbezogenen Emissionen verursachen.

Umrechnung zwischen l/100 km und mpg

Der blaue Graph stellt US liquid gallons dar; der rote Graph zeigt Imperial gallons (UK).

Im angloamerikanischen Maßsystem wird der Kraftstoffverbrauch bei Fahrzeugen in miles per gallon angegeben. Die Abkürzung lautet: mpg oder MPG.

Die Einheit mpg bezeichnet die zurückgelegte Strecke in Meilen (1,6093 km), für die eine Gallone Kraftstoff verbraucht wird. Die angloamerikanische Volumeneinheit "gallon" ist nicht einheitlich festgelegt. In den USA entspricht die Einheit "gallon" 3,785 Liter, in Großbritannien hingegen 4,546 Liter. Dementsprechend ist zu unterscheiden zwischen mpg (US) und mpg (UK).

Umrechnung zwischen l/100 km - mpg (US) - mpg (UK)
von nach Berechnung
l/100 km mpg (US) 235 / (l/100 km)
l/100 km mpg (UK) 282 / (l/100 km)
mpg (US) l/100 km 235 / mpg (US)
Genauigkeit: eine Stelle nach dem Komma
Beispiel A: Von 8 l/100 km nach mpg (US): 235 / (8 l/100 km) = 29,4 mpg (US)
Beispiel B: Von 30 mpg (US) nach l/100 km: 235 / 30 mpg (US) = 7,8 l/100 km

Die genaue Umrechnung von l100 km nach mpg erfolgt mit

  • (US): 235,2145833 / l100 km = mpg (US)
  • (UK): 282,4809363 / l100 km = mpg (UK)

Umrechnung von mpg nach l100 km

  • (US): 235,2145833 / mpg (US) = l100 km
  • (UK): 282,4809363 / mpg (UK) = l100 km

Die Grafik basiert auf diesen Formeln.

Verlässlichkeit der Herstellerangaben zum Kraftstoffverbrauch

Nachdem die Veröffentlichungspflicht zur Vergleichbarkeit führt und auch die Kaufentscheidungen beeinflusst, versuchen die Automobilhersteller, möglichst gute Werte publizieren zu können.

  • Auswahl herausragender Fahrzeuge aus der Produktion
  • Verwendung spezieller Schmiermittel, die den Energieverlust durch Reibung vermindern
  • Erhöhung des Reifendrucks
  • Gebrauch der kleinsten für das Fahrzeug zugelassenen Reifengröße

Die Fahrversuche zur Ermittlung des Verbrauchs finden ausnahmslos auf Prüfstandsrollen und nach europaweit genormten Fahrzyklen (NEFZ) statt, welche eine Fahrt in einer europäischen Stadt und auf Landstraßen abbilden sollen. Das Fahrzeug muss einen bestimmten Beladungszustand und vor allem die Serienausstattung aufweisen. Die Durchschnittsverbrauchswerte, die im Fahrzeug mittels eines Bordcomputers angezeigt werden, können um bis zu 10 % vom tatsächlichen Verbrauchswert abweichen (wie auch die tatsächliche von der angezeigten Fahrgeschwindigkeit), in der Regel nach oben. Ursache dafür ist unter Anderem die starke Schwankung von Radabrollumfängen, die durch unterschiedliche Dimensionen montierter Räder (Sommer- / Winterbereifung), oder durch verminderte Profiltiefe hervorgerufen werden.

Der tatsächliche Verbrauch ist stark vom Fahrverhalten des Fahrers abhängig. Entgegen einiger Meinungen ist es durchaus möglich, die ermittelten Verbräuche noch zu unterbieten. Besonders großvolumige Motoren in Verbindung mit Handschaltgetrieben werden im NEFZ zu ungünstigen Motorbetriebspunkten gezwungen.

Der jährliche Kraftstoffverbrauch privat genutzter PKWs in Österreich lag von 1999 bis 2000 bei durchschnittlich 1.082 l bei einer Jahresfahrleistung von 13.461 km. Daraus ergibt sich 8,0 l/100 km aller PKW. Aufgeschlüsselt auf Fahrzeuge mit Ottomotor mit 1.060 Liter und 12.032 km sind das umgerechnet 8,8 l/100 km, für Dieselantriebe mit 1.120 Liter und 15.965 km 7,0 l/100 km.

2004 lag der Verbrauch bei 1.069 l und 14.469 km = 7,4 l/100 km (Benziner 984 l und 12.146 km = 8,1 l/100 km, Diesel 1.153 l und 16.815 km = 6,9 l/100 km).

Besonders hoch kann der Unterschied zwischen realem Praxisverbrauch und den Herstellerangaben bei Hybridfahrzeugen ausfallen. Ein Beispiel dafür sind Streckenprofile mit langen Anteilen an Autobahnfahrten, bei denen der Bremsanteil und damit die Energierückgewinnung sehr gering ist. Ein weiterer Grund für die Abweichung ist in den unterschiedlichen Randbedingungen zwischen den Messungen auf der Prüfstandsrolle und dem realen Kundenprofil zu suchen.

Weblinks

Belege

  1. Lufthansa: "Balance" - Nachhaltigkeitsbericht Ausgabe 2003/2004, S. 19
  2. a b Energiesparend Fahren Broschüre des Innenministeriums Baden-Württemberg; 7., aktualisierte Auflage Oktober 2008; Seite 20

Siehe auch


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