Aufgabe Vorschlag A - Aufgabe 2 - Emissionsminderung · Abitur Hessen Umwelttechnik LK 2021

2.3 Beschreiben Sie die katalytischen Varianten zur Reduzierung von NOx und Rußpartikeln aus Diesel-Motoren. Formulieren Sie dazu jeweils die Reaktionsgleichung der dabei ablaufenden chemischen Reaktion.

Lösung: Entstickung (SCR-Verfahren): Eindüsung einer wässrigen Harnstofflösung in das Abgas. Thermolyse/Hydrolyse zu Ammoniak und CO2: $(\text{NH}_2)_2\text{CO} + \text{H}_2\text{O} \rightarrow 2\,\text{NH}_3 + \text{CO}_2$ Katalytische Reduktion der Stickoxide mit Ammoniak zu Stickstoff und Wasser: $4\,\text{NO} + 4\,\text{NH}_3 + \text{O}_2 \rightarrow 4\,\text{N}_2 + 6\,\text{H}_2\text{O}$ Rußpartikelabscheidung (DPF): Poröser Wandstromfilter aus Keramik, der Partikel zurückhält. Bei Filterregeneration Oxidation des Rußes zu CO2 mithilfe eines Edelmetallkatalysators: $\text{C} + \text{O}_2 \rightarrow \text{CO}_2$ bzw. $\text{C} + 2\,\text{NO} \rightarrow \text{N}_2 + \text{CO}_2$ (CRT-Effekt mit $\text{C} + 2\,\text{NO}_2 \rightarrow \text{CO}_2 + 2\,\text{NO}$).

2.4 Berechnen Sie überschlägig die Menge der Rußpartikel, die von einem Diesel-Pkw ohne Rußpartikelfilter pro Kilometer ausgestoßen würde, wenn von einem durchschnittlichen Filterabscheidegrad bei Dieselrußpartikelfiltern von 99,2% ausgegangen werden kann.

Lösung: $0{,}562\text{ g/km}$ / $562{,}5\text{ mg/km}$

2.5 Begründen Sie, dass die Reduzierung von Stickstoff im Dieseltreibstoff keine geeignete Primärmaßnahme darstellt, um den Ausstoß von Stickoxiden bei Diesel-Pkw zu verringern.

Lösung: Nennenswerte Stickoxidemissionen entstehen fast ausschließlich durch die Oxidation des atmosphärischen Stickstoffs aus der angesaugten Verbrennungsluft (ca. 78 % N2) bei hohen Verbrennungstemperaturen. Der im Kraftstoff gebundene Stickstoffanteil ist verschwindend gering und spielt für die Gesamtemission keine Rolle.

2.6 Erläutern Sie in diesem Zusammenhang die Aufgabe eines Katalysators. Begründen Sie den ausschließlichen Einsatz der SCR bei der Dieselabgasreinigung sowie die Verfahrensweise, bei der Dieselabgasreinigung die SCR der Rußpartikelabscheidung nachzuschalten.

Lösung: Aufgabe des Katalysators: Erhöhung der Reaktionsgeschwindigkeit durch Senkung der Aktivierungsenergie, ohne selbst verbraucht zu werden, sodass Reaktionen bei niedrigeren Temperaturen ablaufen können. Einsatz von SCR: Abgase von Dieselmotoren haben vergleichsweise geringe Temperaturen, die für die thermische Reduktion ohne Katalysator (SNCR) nicht ausreichen. Der Katalysator senkt die erforderliche Reaktionstemperatur in das Abgastemperaturfenster des Dieselmotors. Nachschaltung der SCR: Rußpartikel würden die reaktive Oberfläche des Katalysators verstopfen, ihn mechanisch verschleißen und als Katalysatorgift wirken. Zudem benötigt der Partikelfilter (CRT-System) Stickoxide für die Rußoxidation.