Weltweit rollen 600 Mio Pkw und 200 Mio Lkw auf den Straßen. Saubere Abgase von ihnen gibt es dank der katalytischen Umwandlung der Schadstoffe. Durch die Einführung von Kat-Systeme in Nordamerika (1976) und Europa (1986) nahm die Abgasbelastung trotz steigender Autozahlen deutlich ab. Ein Rückblick.Autokatalysatoren: Der Stand der Technik<% image name="BASF_Autokatalysator" %><p>
<small> Im BASF-Testzentrum in Union, New Jersey, USA überprüfen Experten den Einbau eines Katalysators. </small>
In der Theorie verbrennen die Kohlenwasserstoffe des Benzins mit dem Sauerstoff der Luft zu den ungiftigen Endprodukten CO<small>2</small> und H<small>2</small>O. Doch dieser ideale Verbrennungsvorgang lässt sich nicht so leicht verwirklichen. Durch unvollständige Verbrennung und minimale Verunreinigungen des Treibstoffs können giftiges CO, unverbrannte Kohlenwasserstoffe und Stickoxide (NO<small></small>) entstehen, sowie bei Dieselmotoren Feinstaubpartikel aus Ruß.
Mit der Entwicklung des ersten Dreiwegekatalysators, der den Abbau der 3 wichtigsten Schadstoffgruppen (unverbrannte Kohlenwasserstoffe, CO und NO<small>x</small>) gleichzeitig katalysieren kann, gelang der mittlerweile von BASF übernommenen Engelhard 1979 ein Meilenstein der Abgastechnologie.
<b>Das Prinzip eines Katalysators:</b> Indem er die Reaktionspartner zusammenbringt, beschleunigt der Kat chemische Umwandlungen, die sonst nur durch die Zufuhr einer wesentlich höheren Aktivierungsenergie in Gang gebracht werden können. Der Katalysator selbst verbraucht sich dabei im Idealfall nicht. Neben ihrem Einsatz in Autos sind Katalysatoren auch in der chemischen Industrie verbreitet, sei es bei der Rohölverarbeitung zu Treibstoffen oder bei der Produktion von Chemikalien, Polymeren und Arzneimitteln.
Im Autokatalysator sind es spezielle Mischungen aus Edelmetallen wie Platin, Palladium und Rhodium, welche die Umwandlung der Schadstoffe beschleunigen. Sie bilden eine dünne katalytische Schicht auf einem Trägermaterial mit extrem großer Oberfläche, das wiederum auf eine meist wabenförmige Keramikstruktur aufgebracht ist. Im Dreiwegekatalysator lassen sich damit unverbrannte Treibstoffreste mit Sauerstoff zu CO<small>2</small> und H<small>2</small>O verbrennen, NOx zum allgegenwärtigen N<small>2</small> umwandeln und giftiges CO mit O<small>2</small> zu CO<small>2</small> oxidieren.
<% image name="BASF_Motorenpruefstand" %><p>
<small> In Motorenprüfständen werden Katalysatoren unter Dauerbelastung getestet, wobei die Messelektronik alle Abgaswerte aufzeichnet. </small>
Der Katalysator baut rund 98 % der im Verbrennungsmotor frei werdenden Kohlenwasserstoffe, das CO und die anfallenden NO<small>x</small> ab. Die Kats benötigen dabei die richtige Betriebstemperatur und einen genau eingestellten Restgehalt von Sauerstoff im Abgas. Dieser wird bei den heute üblichen geregelten Katalysatoren über die Lambdasonde gemessen und geregelt. Mit eines computergesteuerten Regelsystems sorgt sie für die richtigen Bedingungen, damit Autokatalysatoren ihre Aufgaben optimal erledigen können.
Inzwischen gelten Dreiwegekatalysatoren als technologisch ausgereift und gehören bei mehr als 80 % der Neuwagen zur Standardausstattung. Mit einer Lebensdauer von über 200.000 km gehören sie zu den langlebigsten Teilen eines Autos.
Die größte Herausforderung sind heute die Diesel-Abgase. Das Hauptproblem der bei deutlich geringeren Temperaturen arbeitenden Dieselmotoren ist die große Menge unverbrannter Treibstoff- und Rußpartikel im Abgas, die herkömmliche Katalysatoren mechanisch zusetzen würden. Um dieses Problem zu lösen, hat BASF spezielle Diesel-Oxidations-Katalysatoren und katalytische Rußfilter entwickelt. Diese fangen den Ruß zunächst ab und verbrennen ihn dann rückstandsfrei mithilfe von katalytischen Oberflächen und einer speziellen Regelung von Sauerstoffgehalt und Temperatur. Der gängige Begriff „Ruß- oder Partikelfilter“ wird der darin enthaltenen Technologie also kaum gerecht.
Zudem benötigen Dieselmotoren ein „mageres“ Luft-Benzin-Gemisch, das zu einem hohen Gehalt von Restsauerstoff im Abgas führt. Dieser erschwert die Umwandlung von NO<small>x</small> zu N<small>2</small> erheblich, die nur unter weitgehend sauerstofffreien Bedingungen ablaufen kann. Doch auch hier arbeiten die Experten der BASF Catalysts an Lösungen: Während des „mageren“ Betriebs speichern NO<small>x</small>-Speicherkats die Stickoxide zunächst chemisch. Wenn der Speicher dann erschöpft ist, schaltet der Motor kurzzeitig automatisch auf ein „fettes“ Luft-Benzin-Gemisch um. Unter diesen Bedingungen kann der Katalysator die gespeicherten NO<small>x</small> in N<small>2</small> und O<small>2</small> umwandeln. Der Speicher wird regeneriert und der Motor kann wieder auf den Magermix umschalten, der sowohl die Motorleistung als auch die Verbrennung von Rußpartikeln begünstigt. Ein anderer Ansatz ist das Einsprühen geringer Mengen von Ammoniak in das Abgas, das aus mitgeführtem Harnstoff freigesetzt wird. Auf speziellen Katalysatoroberflächen verwandelt es die Nox dann in harmlosen N<small>2</small>.
<u>Neben den Autokatalysatoren arbeitet</u> <a href=http://www2.basf.de/en/catalysts/?id=V00-.W1IoA*Mebw2-1l>BASF Catalysts</a> <u>auch an einer Reihe anderer Anwendungen:</u>
• Wenn der Motor eines Autos an heißen Tagen ausgeschaltet wird, entstehen im Verbrennungsraum besonders hohe Konzentrationen unverbrannter Kohlenwasserstoffe. Um diese abzufangen, hat BASF <b>Kohlenwasserstofffallen aus Zeolith</b> (einem Mineral aus Aluminium und Silikat) entwickelt. Diese werden zwischen Motor und Katalysator eingebaut und binden die Kohlenwasserstoffe, die dann nach dem Start des Motors verbrannt werden.
• Millionen von Rasenmähern, Kettensägen, Motorrädern und Modellflugzeugen werden von Verbrennungsmotoren angetrieben, doch ihre Abgase gelangen meist ungereinigt in die Luft. BASF Catalysts entwickelt Lösungen auch für diese <b>Kleingeräten</b>, die in ihrer Summe merklich zur Abgasproblematik beitragen. Am anderen Ende der Größenskala stehen Katalysatoren für ganze <b>Kraftwerke</b>, die vor allem die Emissionen von NO<small>x</small> und CO gering halten.
• Der katalytische Überzug "PremAir" für den Autokühler schließlich baut an Smogtagen bereits in der Luft vorhandenes Ozon ab und hilft so aktiv bei der Luftreinhaltung. Ozon häuft sich auch in den Kabinen von Flugzeugen an, wo katalytische Filter die Konzentrationen dieses Reizgases niedrig halten. Gleichzeitig sorgen Katalysatoren in den Turbinen des Flugzeugs für einen geringeren Ausstoß von Schadstoffen in die Atmosphäre.
