EMITEC EMITEC - Portal Schule Wirtschaft
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I&S Gesellschaft<br />
für partnerschaftliche<br />
Beziehungen<br />
zwischen Industrie<br />
und<br />
<strong>Schule</strong>/Öffentlichkeit<br />
Bonn 1997<br />
Antje Koch, Ursula Tulp<br />
Lehrplananbindung<br />
Kopiervorlage / Unterrichtsinhalte, -ziele, -methoden<br />
SI/II Industrieunternehmen der Region (Sw, Ek, Ch, Bi)<br />
(1) Unternehmensprofil <strong>EMITEC</strong> (Information, Aufgaben)<br />
(1) Autoabgaskatalysator (Information, Aufgaben)<br />
SI Autoabgaskatalysator/Katalysator, Katalyse/Chemische Reaktion/Treibhauseffekt<br />
(Ch, Ph)<br />
(2) Aufgabenblatt Autoabgaskatalysator<br />
- Die Schülerinnen und Schüler benennen Edukte und Produkte der Stoffumsetzungen<br />
im Motor und im Katalysator<br />
- Die Schülerinnen und Schüler unterscheiden die genannten Stoffe hinsichtlich<br />
ihrer Wirkung auf Mensch und Umwelt<br />
(3) Vergleich von Keramik und Metall als Trägermaterial für Autoabgaskatalysatoren<br />
(Information, Modell/Aufgaben)<br />
S II Wärmekapazität/Wärmeleitfähigkeit/Katalysatortechnik (Ch, Ph)<br />
(4) Ermittlung der Wärmeleitfähigkeit von Keramik und Eisen (Schülerversuch)<br />
(5) Auswertung der Versuche auf Kopiervorlage 4<br />
(6) Methoden zur Verbesserung der Effizienz von Autoabgaskatalysatoren (Informationen,<br />
Aufgaben)<br />
Kontaktschule<br />
Gymnasium Lohmar<br />
Donrather Dreieck<br />
53797 Lohmar<br />
Tel.: (0 22 46) 1 80 28<br />
<strong>EMITEC</strong><br />
Gesellschaft für Emissionstechnologie mbH<br />
Mitarbeit und fachliche Beratung: Herr Kotterba (Gesellschaft für Emissionstechnologie mbH)<br />
Co-Autor: Dr. Christoph Merschhemke (I&S GmbH)
Seite 2 <strong>EMITEC</strong> (Gesellschaft für Emissionstechnologie mbH) Vollmer: KIS Köln<br />
Kopiervorlage 1<br />
<strong>EMITEC</strong> – Autokatalysatoren aus Lohmar<br />
Die Emitec hat ihren Firmensitz in dem kleinen<br />
Städtchen Lohmar wenige Kilometer<br />
von Siegburg entfernt im östlichen Teil des<br />
Köln-Bonner <strong>Wirtschaft</strong>sraumes. Die Firmengebäude<br />
mit dem großen Schriftzug des<br />
Unternehmens auf dem Dach kannst du<br />
schon von der Autobahn 3 aus erkennen.<br />
Emitec steht für „Emissionstechnologie“.<br />
Um die Autoabgase, also um das, was aus<br />
den Autos „emitiert“ wird, dreht sich alles<br />
in dem Unternehmen, das in nur 11 Jahren<br />
von drei auf 285 Mitarbeitern gewachsen ist.<br />
1986 produzierten die Rheinländer noch auf<br />
dem Küchentisch und verkauften gerade einmal<br />
600 Kats im Jahr. 1997 waren es bereits<br />
mehr als 2,7 Millionen Stück. Die Nachfrage<br />
nach Katalysatoren „Made in Lohmar“<br />
ist auch im Ausland groß. Etwa 70 % der<br />
produzierten Katalysatoren geht in den Export.<br />
Anfang 1997 nahm die Firma eine<br />
hochmoderne Fabrik mit 65 Beschäftigten<br />
in den USA in Betrieb, um das Exportgeschäft<br />
noch mehr anzukurbeln.<br />
Das Erfolgsrezept - Geschicktes Besetzen einer Marktlücke<br />
Das besondere an dem Kat des Lohmarer Untenehmens: Sein<br />
Wabenkörper ist aus Metall statt aus Keramik. Sein Vorteil: Er<br />
bietet bei längerer Lebensdauer eine höhere Leistung als der Keramik-Kat.<br />
Trotz dieser Vorteile von Stahlkatalysatoren setzten<br />
die Automobilhersteller zunächst auf den Keramik-Katalysator.<br />
Ursache hierfür war seine Verfügbarkeit, denn er konnte früher<br />
als sein Konkurrent aus Edelstahl in Serie produziert werden. Technische<br />
Probleme verhinderten dagegen zunächst die Serienfertigung<br />
des Metallkatalysators. Das Ei des Kolombus war ein 1978<br />
entwickeltes Hochtemperatur Lötverfahren – Startschuß für die<br />
Emitec-Produktion. Die ersten Kunden waren BMW-Alpina, Jaguar<br />
und Mercedes-Benz, aber auch Motorsägen wurden schon<br />
bald mit Metallkatalysatoren des Lohmarer Unternehmens ausgestattet.<br />
Herr Maus und seine Vision<br />
Seit 1989 dürfen in Deutschland keine Neuwagen mehr ohne Katalysator<br />
verkauft werden. Mittlerweile reicht es aber schon lange<br />
nicht mehr, einfach nur einen Katalysator im Auto zu haben, weil<br />
die gesetzlichen Bestimmungen vorsehen, daß immer niedrigere<br />
Grenzwerte für Schadstoffe in Autoabgasen eingehalten werden.<br />
Das Auto der Zukunft soll danach bereits in wenigen Jahren praktisch<br />
abgasfrei sein. Wenn der Diplom Ingenieur Wolfgang Maus,<br />
Geschäftsführer der Emitec, über die Möglichkeiten zukünftiger<br />
Katalysatorgenerationen nachdenkt, dann fällt ihm häufig der<br />
Begriff „Emissionsstaubsauger“ ein: Autos, deren Abgase sauberer<br />
sind als die Luft, die in den Motor strömt.<br />
Aufgaben:<br />
Schnitt durch einen Metallkatalysator: Metallkatalysatoren unterscheiden sich von<br />
Keramikkatalysatoren vor allem dadurch, daß das Trägermaterial (im Bild sichtbar) für<br />
die katalytisch wirksame Edelmetallschicht aus Metall ist.<br />
So funktioniert ein Kat<br />
Der Wabenkörper aus Keramik oder Metall ist etwa so groß wie<br />
eine Kokosnuß. Er wird von Hunderten feiner Kanäle durchzogen.<br />
Die Oberfläche dieser Kanäle hat eine Beschichtung aus Platin,<br />
Rhodium und Palladium. Diese erst sorgt dafür, daß der Kat<br />
die durchströmenden Abgase reinigt. Weit über 90 % der Schadstoffe<br />
– vor allem Kohlenmonoxid, Kohlenwasserstoffe und<br />
Stickoxide – werden von modernen Dreiwegekatalysatoren entfernt.<br />
Metallkatalysator: Der quer durchgeschnittene Wabenkörper zeigt<br />
gewellte und glatte Stahlfolien, die miteinander verlötet sind.<br />
1. Umweltschutz durch Autofahren? Beschreibe mit deinen Worten wie das Auto der Zukunft nach Ansicht von Herrn Maus einen<br />
Beitrag zum Umweltschutz leisten könnte.<br />
2. Herr Maus hat den Begriff „Emissionsstaubsauger“ für die Katalysatoren der Zukunft geprägt. Denke an deinen Chemieunterricht.<br />
Warum ist der Begriff aus der Sicht eines Chemikers falsch gewählt?<br />
3. Beschreibe die Firma Emitec in wenigen Sätzen. Versuche zu erklären, warum ein Katalysatorhersteller wie die Emitec in den<br />
letzten Jahren so große wirtschaftliche Erfolge erzielen konnte.
Vollmer: KIS Köln <strong>EMITEC</strong> ( Gesellschaft für Emissionstechnologie mbH) Seite 3<br />
Kopiervorlage 21<br />
Katalysatoren im Kampf gegen Atemgifte und Ozonkiller<br />
Autoabgase enthalten zu einem nicht unerheblichen Anteil umweltund<br />
gesundheitsgefährdende Stoffe. Nach einer Fahrstrecke von<br />
100 km hat ein Auto ohne Katalysator bei einer durchschnittlichem<br />
Geschwindigkeit von 100 km/h bereits etwa 1,5 kg Schadstoffe<br />
ausgestoßen. Bei dieser Zahlenangabe ist das „Treibhausgas“<br />
Kohlenstoffdioxid noch gar nicht mitberücksichtigt. Bei der<br />
Aufgaben:<br />
1.In dem grauen Kasten unten findest du Stoffe aufgeführt, die<br />
im Straßenverkehr eine Rolle spielen. Dargestellt sind die<br />
Stoffe, die wichtig sind, um den Motor in Bewegung zu<br />
halten, sowie die Stoffe, die den Motor bzw. den Katalysator<br />
als Abgase verlassen. Versuche die jeweiligen Stoffe den<br />
entsprechenden Kästchen über dem abgebildeten Auto<br />
zuzuordnen. Die Info-Box unten auf der Seite soll dir eine<br />
Hilfe bei der Aufgabe sein. Einige der genannten Stoffe<br />
können übrigens in mehrere Kästchen eingetragen werden.<br />
Verbindung<br />
Formel<br />
Kohlenstoffdioxid<br />
(CO2)<br />
Kohlenstoffmonoxid<br />
(CO)<br />
Stickstoff<br />
N2<br />
Stickstoffmonoxid<br />
NO<br />
Stickstoffdioxid<br />
NO 2<br />
Kohlenwasserstoffe<br />
C xH y<br />
Gefahrstoffsymbole R- (Gefahr)-Sätze<br />
S- (Sicherheits)-Sätze<br />
S: 3-7<br />
F<br />
T +<br />
T +<br />
R: 12-23<br />
S: 7-16-45<br />
R: 26/27<br />
S: 45<br />
R: 26-37<br />
S: 7/9-26-45<br />
unterschiedlich für die einzelnen<br />
Kohlenwasserstoffe<br />
T<br />
Info - Box<br />
hohen Dichte des Kraftfahrzeugverkehrs ist es dringend notwendig,<br />
diese schädlichen Abgaskomponenten möglichst vollständig<br />
zu entfernen. Ein Autoabgaskatalysator spielt hiebei eine wichtige<br />
Rolle, weil er schädliche Abgasbestandteile in weniger schädliche<br />
umwandelt.<br />
2. Im Katalysator finden Redoxreaktionen statt. Vergleiche die<br />
Verbindungen des Kohlenstoffes und des Stickstoffes die<br />
zum Katalysator gelangen mit denen, die den Katalysator<br />
verlassen.<br />
- Wird der Kohlenstoff bzw. Stickstoff in den Verbindungen<br />
durch die Reaktion im Katalysator reduziert oder oxidiert?<br />
Belege deine Aussage.<br />
- Bewerte die Wirkung des Katalysators anhand der Angaben<br />
zu den Stoffen in der Info-Box.<br />
Wirkung auf Mensch und Umwelt<br />
Fördert die Erwärmung der Erdatmosphäre; in höherer Konzentration<br />
wirkt es giftig<br />
Schweres Atemgift; erste Beeinträchtigungen schon bei 0,005%<br />
CO-Gehalt in der Luft<br />
Luft besteht zu 78% aus Stickstoff<br />
Atemgift, das ähnlich wie CO wirkt.<br />
Schleimhautreizung, kann das Lungengewebe zerstören; an der<br />
Bildung von Ozon beteiligt; Mitverursacher von saurem Regen<br />
Verursachen erhöhte Ozongehalte in der Luft; Einige sind gesundheitsschädlich,<br />
wie z.B. Benzol (krebserregend).
Seite 4 <strong>EMITEC</strong> (Gesellschaft für Emissionstechnologie mbH) Vollmer: KIS Köln<br />
Kopiervorlage 13<br />
Vergleich von Keramik- und Metallkatalysatoren<br />
Der Abgaskatalysator ist eine noch junge technische Entwicklung.<br />
Die ersten Autos mit Katalysator gab es in den 70er Jahren in den<br />
USA und Japan. In Deutschland dürfen seit 1989 keine Neuwagen<br />
mehr ohne Katalysator verkauft werden.Wegen der zunehmenden<br />
Verschärfung der Abgasgrenzwerte arbeiten die Ingenieure<br />
unter Hochdruck an der Verbesserung der Katalysatortechnik. Die<br />
ersten Katalysatoren besaßen einen Wabenkörper aus Keramik.<br />
In den letzten Jahren hat dieser sogenannte Keramikkatalysator<br />
Konkurrenz durch den Metallkatalysator bekommen, bei dem der<br />
Wabenkörper aus Edelstahl ist. Der Wabenkörper ist das Trägermaterial<br />
auf das die katalytische Beschichtung aufgetragen wird.<br />
Keramikkatalysator im Querschnitt Metallkatalysator im Querschnitt<br />
Aufgaben:<br />
1.Fasse mit Hilfe der Zeichnung oben die wesentlichen Unterschiede zwischen einem Metall- und einem Keramikkatalysator<br />
zusammen.<br />
2.Unten links findest du einen Textausschnitt aus einer Firmenbroschüre der Emitec. Darin werden Vorteile eines<br />
Metallkatalysators gegenüber einem Keramikkatalysator angesprochen. Lies den Text und beantworte die Fragen.<br />
Fragen zum Text:<br />
Warum hat ein Metallkatalysator eine größere innere<br />
Oberfläche, und warum ist das für die Wirksamkeit eines<br />
Katalysators wichtig?<br />
Ein Katalysator benötigt eine Betriebstemperatur von<br />
250-300° C, damit er wirksam ist. Was könnte der Grund<br />
dafür sein, daß eine so hohe Betriebstemperatur benötigt<br />
wird?<br />
Welche physikalischen Eigenschaften sorgen dafür, daß<br />
sich der Metallkatalysator schneller erwärmt.
Vollmer: KIS Köln <strong>EMITEC</strong> ( Gesellschaft für Emissionstechnologie mbH) Seite 5<br />
Kopiervorlage 14<br />
Keramik- und Eisenkatalysatoren im Vergleich: Wärmekapazität<br />
Ein Autokatalysator funktioniert nur, wenn er eine Temperatur<br />
von mindestens 250°C besitzt. Das bedeutet, daß ein Auto in den<br />
ersten Sekunden nach dem Start besonders viel schädliche Abgase<br />
produziert. Es ist also wichtig, daß der Katalysator möglichst<br />
schnell von dem durchströmenden Abgas erhitzt wird. Dabei spielen<br />
die Wärmeleitfähigkeit und die Wärmekapazität des Trägermaterials<br />
eine große Rolle.<br />
Der „Joghurtbecherversuch“<br />
Ermittlung der Wärmekapazitäten von Eisen und Keramik<br />
Meßprinzip<br />
Im „Joghurtbecherversuch“ werden Eisen bzw. Porzellan (Feinkeramik),<br />
die Raumtemperatur besitzen, mit heißem Wasser gemischt.<br />
Das heiße Wasser gibt solange Wärme an die Materialien<br />
ab, bis das Wasser und die Stoffe die gleiche Temperatur - die<br />
Mischungstemperatur- besitzen. Aufgrund der verschiedenen<br />
Wärmekapazitäten der beiden Stoffe stellen sich unterschiedliche<br />
Mischungstemperaturen ein. Weil die Wärmekapazität von<br />
Wasser bekannt ist, lassen sich aus der Anfangstemperatur des<br />
Wassers, der Materialien und der Mischungstemperatur die<br />
Wärmekapazitäten der Materialien berechnen. Damit sich die<br />
Mischungstemperatur schnell einstellt, sollten die untersuchten<br />
Stoffe eine große Oberfläche aufweisen.<br />
Materialien<br />
250 g kleine Porzellanbruchstücke, 250 g Eisenschrot (kleine<br />
Eisennägel), Thermometer, Thermoskanne mit ca. 55°C heißem<br />
Wasser, Styroporplatte, Kunststoffbecher mit Deckel („Joghurt<br />
500g“), Meßzylinder, Stopuhr. Porzellan und Eisen besitzen<br />
Raumtemperatur<br />
Arbeitsanweisung<br />
Der Kunststoffbecher auf der Styroporplatte wird mit 150 ml,<br />
ca. 55°C heißem Wasser befüllt. In 1/2-Minuten-Schritten wird<br />
die langsame Abkühlung des Wassers verfolgt.<br />
Nach 3 Minuten wird zügig (aber ohne zu spritzen) Eisen zugegeben.<br />
Der Becher wird geschwenkt (wichtig!). Wenn das Material<br />
fein genug ist, kann auch mit dem Thermometer gerührt werden.<br />
Die Temperaturmessung wird im 1/2-Minuten-Rythmus fortgesetzt<br />
(Abweichung notieren). Der Versuch kann nach etwa 6 Minuten<br />
abgebrochen werden.<br />
Wiederhole den Versuch mit Porzellan.<br />
Die Wärmeleitfähigkeit gibt an, wie schnell ein Stoff Wärmeenergie<br />
aufnimmt. Dagegen ist die Wärmekapazität ein Maß für<br />
die benötigte Menge an Wärmeenergie, die aufgebracht werden<br />
muß, damit der Stoff eine bestimmte Temperatur erreicht.<br />
Mit dem folgenden Versuch wollen wir die Wärmekapazitäten von<br />
Eisen und Keramik grob ermitteln.<br />
Zugabe von<br />
Eisen oder<br />
Porzellan<br />
Zeit [Min.]<br />
Temp. [°C]<br />
Eisen<br />
Temp [°C]<br />
Porzellan<br />
Aufgaben:<br />
1. Warum produziert ein Auto in den ersten Sekunden nach dem Start besonders viel schädliche Abgase?<br />
2. Was bedeuten die Begriffe Wärmeleitfähigkeit und Wärmekapazität?<br />
3. Wie sollte das Trägermaterial in Bezug auf seine Wärmeleitfähigkeit und seine Wärmekapazität beschaffen sein, damit es für<br />
eine Verwendung im Autokatalysator geeignet ist? Begründe deine Antwort.<br />
4. Wie kann man anhand der Ergebnisse aus dem Joghurtbecherversuch die „Wärmeleitfähigkeit“ eines Stoffes ermitteln ?<br />
Begründe deine Anwort.<br />
5. Wie unterscheiden sich nach deinen Untersuchungsergebnissen Eisen und Porzellan in ihrer Wärmekapazität?<br />
6. Welcher der beiden untersuchten Stoffe ist demnach besser als Trägermaterial in Autokatalysatoren geeignet?<br />
0<br />
0,5<br />
1,0<br />
1,5<br />
2,0<br />
2,5<br />
3,0<br />
3,5<br />
4,0<br />
4,5<br />
5,0<br />
5,5<br />
6,0
Seite 6 <strong>EMITEC</strong> (Gesellschaft für Emissionstechnologie mbH) Vollmer: KIS Köln<br />
Kopiervorlage 51<br />
Auswertung des Joghurtbecherversuches<br />
Anhand der Meßdaten aus dem Joghurtbecherversuch können wir die Wärmekapazitäten von Eisen und Porzellan berechnen.<br />
Die aufgenommene Wärmemenge ermitteln wir in diesem Versuch durch Zugabe einer abgewogenen Menge dieser Stoffe zu einer<br />
genau definierten Menge Wasser, das wir vorher auf ca. 55 °C erwärmt haben. Die von den Stoffen aufgenommene Wärmemenge<br />
leitet sich dann aus der Temperaturabnahme des Wassers ab.<br />
Definition Wärmekapazität<br />
Die Wärmekapazität (Formelzeichen C) eines Stoffes gibt<br />
an, wieviel Energie (Wärmemenge) Q notwendig ist, um eine<br />
Temperaturerhöhung ∆T des Stoffes um ein Kelvin (Formelzeichen<br />
K) zu bewirken. C wird in J/K gemessen.<br />
Q<br />
C =<br />
∆T<br />
Auswertung<br />
1. Ermittlung der Temperaturdifferenz aus den Meßpunkten<br />
Übertrage die Meßwerte aus der Tabelle zunächst in ein x-y-<br />
Diagramm (x-Achse: Zeit; y-Achse: Temperatur).<br />
Lege durch die Meßwerte im Diagramm, die den Meßverlauf<br />
vor und nach Zugabe des Materials beschreiben, jeweils eine<br />
Gerade (siehe Beispielauswertung unten).<br />
Die Temperaturabgabe an das zugegebene Material ist nach ca.<br />
15 Sekunden bereits vollständig vollzogen. Den Temperatursprung<br />
kannst du relativ genau ermitteln, indem du eine Senkrechte<br />
durch den Zeitpunkt 3 Min. 15 Sek. legst, die die obere<br />
und untere Meßgerade schneidet (siehe Beispielauswertung<br />
unten).<br />
Der Schnittpunkt mit der oberen Geraden liefert dir die Anfangstemperatur<br />
des Wassers vor Zugabe des Stoffes (TW), und<br />
der Schnittpunkt mit der unteren Geraden liefert die Mischtemperatur<br />
nach Wärmeaufnahme durch den zugesetzten Stoff<br />
(TM). Beispiel für eine graphische Auswertung der Daten aus dem<br />
Joghurtbecherversuch<br />
T W<br />
T M<br />
Temp. [°C]<br />
55,0<br />
50,0<br />
45,0<br />
40,0<br />
35,0<br />
0,0 1,0 2,0 3,0 4,0 5,0 6,0<br />
Zeit [Min.]<br />
Die spezifische Wärmekapazität (Formelzeichen c) ist die<br />
Energie, die notwendig ist, um genau ein kg des Stoffes um 1K<br />
zu erwärmen. c wird in J/(K • kg) gemessen. m = Masse des<br />
Stoffes in kg.<br />
C Q<br />
c = =<br />
m ∆T • m<br />
2. Berechnung der Wärmeabgabe an Eisen bzw. Porzellan<br />
Berechne aus der Temperaturabname des Wassers die Wärmeabgabe<br />
QW an Eisen bzw. Porzellan nach folgender Formel:<br />
Q W = c W • m W • (T W - T M)<br />
cW = 4,19 kJ/(kg • K) [ spezif. Wärmekapazität von Wasser]<br />
mW = 0,150 kg [ Masse von 150 ml Wasser]<br />
Für die Temperaturen T W und T M dürfen die Werte in °C<br />
eingesetzt werden, weil bei Temperaturdifferenzen K durch °C<br />
ersetzt werden darf.<br />
3. Berechnung der spezifischen Wärmekapazitäten von<br />
Eisen bzw. Porzellan<br />
Mit den berechneten Wärmeabgaben QW von Wasser an Eisen<br />
bzw. Porzellan kannst du mit folgender Formel die spezifischen<br />
Wärmekapazitäten c von Eisen bzw. Porzellan ermitteln.<br />
QW c =<br />
(TM - TR) • mS m S = 0,25 kg [ Massen von Eisen und Porzellan]<br />
T R (Raumtemperatur = Temp. der Stoffe zu Versuchsbeginn)<br />
Aufgaben:<br />
1. Berechne die spezifische Wärmekapazität von Eisen<br />
und Porzellan.<br />
2. Vergleiche deine Meßwerte für die Wärmekapazität von<br />
Eisen und Porzellan mit den Literaturwerten [Porzellan:<br />
1,1 kJ/(K • kg); Eisen: 0,45 kJ/(K • kg)] und nenne<br />
mögliche Fehlerquellen beim „Joghurtbecherversuch“.<br />
3. Diskutiere die Eignung von Eisen und Porzellan als<br />
Trägermaterial in Autokatalysatoren anhand der ermittelten<br />
Werte für die Wärmekapazitäten von Eisen und<br />
Porzellan.
Vollmer: KIS Köln <strong>EMITEC</strong> ( Gesellschaft für Emissionstechnologie mbH) Seite 7<br />
Abgasgrenzwerte und Stand der Technik<br />
Mit den heutigen Katalysatoren können die schädlichen Bestandteile<br />
aus den Abgasen der Fahrzeuge bereits um über 90% verringert<br />
werden. In den Industrieländern werden aber zunehmend strengere<br />
Grenzwerte für Schadstoffe in Autoabgasen festgelegt. Angestrebt<br />
wird, daß zukünftige Motor- und Abgassysteme eines Tages<br />
auf dem Niveau von Elektrofahrzeugen liegen. Dieses ehrgeizige<br />
Ziel ist aber mit dem heutigen Stand der Motor- und Abgastechnik<br />
noch nicht erreichbar. Aus diesem Grunde erforschen<br />
Katalysatorhersteller wie die Emitec ständig neue Methoden, um<br />
die Effizienz der von ihnen produzierten Katalysatoren zu verbessern.<br />
Abgastests zeigen ein wichtiges Problem auf - Die Betriebstemperatur<br />
des Katalysators<br />
Abgasmessungen sind aufwendig und teuer. Ein Testwagen absolviert<br />
dazu auf einem Rollenprüfstand ein genau festgelegtes<br />
Katalysatortechnik der Zukunft<br />
Forschungsansätze zu Verbesserungen in der Katalysatortechnik<br />
Die rechtsstehende Grafik zeigt die Werte für den<br />
Ausstoß von Kohlenwasserstoffen dreier Fahrzeuge<br />
mit unterschiedlichen Abgasanlagen. Die Messungen<br />
erstrecken sich über einen Zeitraum von etwas<br />
mehr als 20 Minuten. Es handelt sich zu jeder<br />
Meßphase um aufaddierte (kumulierte) Werte für die<br />
Kohlenwasserstoff-Emission. Gemessen wurde die<br />
Kohlenwasserstoffemission bei Verwendung von<br />
zwei baugleichen Katalysatoren, die in unterschiedlicher<br />
Entfernung vom Motor installiert wurden.<br />
Gleichzeitig hat man eine Messung mit einer Auspuffanlage<br />
ohne Katalysator durchgeführt.<br />
Schematische Darstellung einer motornahen und einer<br />
motorfernen (Katalysator am Unterboden)<br />
Katalysatoranlage.<br />
Aufgaben:<br />
Katalysator<br />
1. Beschreiben Sie die drei Phasen der Kohlenwasserstoffemission<br />
für eine Abgasanlage mit Katalysator, wie sie in der<br />
Grafik dargestellt werden.<br />
Beantworten Sie dazu folgende Fragen:<br />
- Wie unterscheidet sich die Wirkung einer Abgasanlage mit<br />
Katalysator von der ohne Katalysator?<br />
- In welcher Phase ist die Wirksamkeit des Katalysators am<br />
größten?<br />
- Wie läßt sich die unterschiedliche Wirksamkeit des<br />
Katalysators in den verschiedenen Phasen erklären?<br />
Kopiervorlage 61<br />
Fahrprogramm, das auf die Sekunde genau eingehalten werden<br />
muß. Es handelt sich um die Simulation des Durchschnittsalltags<br />
eines Autos. In rund 20 Minuten fährt das Probefahrzeug<br />
etwa 11 Kilometer weit.<br />
Die Ergebnisse der Abgastests zeigen, daß die ersten 60 Sekunden<br />
über den Erfolg entscheiden: Der Großteil der Schadstoffe<br />
wird in dieser ersten Betriebsphase ausgestoßen, weil<br />
die meisten der zur Zeit gängigen Katalysatormodelle die benötigte<br />
Beriebstemperatur von 200 - 300 °C zeitverzögert erreicht.<br />
Erst bei dieser Temperatur ist aber ein Katalysator wirksam.<br />
Die Grafik unten zeigt den Verlauf der Kohlenwasserstoff-Emissionen<br />
verschiedener Fahrzeuge mit zunehmender<br />
Fahrzeit. Die Messungen deuten einen wichtigen Schwerpunkt<br />
bei der Erforschung verbesserter Katalysatoranlagen an:<br />
2. Vergleichen Sie die Emissionswerte für eine Abgasanlage<br />
mit einem Katalysator am Unterboden (motorfern) mit der<br />
einer motornahen Anordnung des Katalysators.<br />
- Begründen Sie die Meßergebnisse<br />
3. Machen Sie auf der Basis der gewonnenen Erkenntnisse<br />
Verbesserungsvorschläge für eine Abgasanlage, mit der<br />
eine Verminderung des Schadstoffausstoßes erzielt werden<br />
kann.<br />
4. Diskutieren Sie die Umweltverträglichkeit von Elektrofahrzeugen<br />
im Vergleich zu den für die Zukunft angestrebten<br />
sogenannten „Null-Emissions-Fahrzeugen“.
Seite 8 <strong>EMITEC</strong> (Gesellschaft für Emissionstechnologie mbH) Vollmer: KIS Köln<br />
Didaktische Kopiervorlage Bemerkungen 1<br />
Einsatzmöglichkeiten der Arbeitsblätter im Unterricht und Anbindung an die Lehrpläne<br />
Die Kopiervorlagen lassen sich im Mittelstufenunterricht im Rahmen der Behandlung des Themas „Wärmelehre“ (Physik) und des<br />
Themas „Chemische Reaktion, Aktivierungsenergie, Katalysator“ (Chemie) verwenden.<br />
Eine vertiefende Behandlung läßt sich im Oberstufenunterricht Chemie im Rahmen der Behandlung des Themenkomplexes „Chemisches<br />
Gleichgewicht, Aktivierungsenergie/Katalysator“ realisieren.<br />
Informationen, Bemerkungen, Lösungen zu den Kopiervorlagen<br />
Kopiervorlage 2<br />
Problemorientierter Einstieg in das Thema „Autoabgaskatalysator“.<br />
Die Schüler sollen im Verlauf eines dreistufigen Prozesses<br />
zunächst erarbeiten, welche Stoffe im Motor zur Reaktion<br />
gebracht werden, welche Stoffe als Motoremissionen zum Katalysator<br />
gelangen und zu welchen Stoffen die Motoremissionen im<br />
Katalysator umgesetzt werden.<br />
Anschließend sollen sie die ablaufenden Redoxreaktionen unterscheiden<br />
lernen. Ihnen soll deutlich werden, daß der Kohlenstoff<br />
bei der Reaktion unverbrannter Kohlenwasserstoffe (CxHy) zu<br />
Kohlenstoffdioxis (CO2 ) und Wasser sowie bei der Umsetzung<br />
von Kohlenstoffmonoxid (CO) zu Kohlenstoffdioxid (CO2 )<br />
oxidiert wird. Andererseits wird der Stickstoff in den Stickoxiden<br />
(NOx) reduziert, wenn diese zu gasförmigen Stickstoffmolekülen<br />
(N2 ) umgesetzt werden.<br />
Schließlich sollen die Schüler aus den Daten in der „Info-Box“<br />
schlußfolgern können, daß die Reaktionsprodukte der Umsetzungen<br />
im Katalysator geringer toxisch sind als die Ausgangsstoffe.<br />
Bei der Behandlung des Themas sollte allerdings auch das Problembewußtsein<br />
geschaffen werden, daß in großen Mengen<br />
Kohlenstoffdioxid gebildet wird, welches zwar für Tiere und<br />
Menschen wenig toxisch ist, das aber ein hohes Potential zur Erwärmung<br />
der Erdatmosphäre (Treibhauseffekt) aufweist.<br />
Kopiervorlage 3<br />
Die Schüler lernen u.a., daß die Größe der inneren Oberfläche<br />
eines Katalysators sehr wichtig für dessen Wirksamkeit ist. Damit<br />
die Schadstoffteilchen umgesetzt werden können, müssen sie mit<br />
der inneren Oberfläche des Katalysators in Kontakt treten. Aus<br />
diesem Grunde ist eine möglichst große innere Oberfläche notwendig.<br />
Andererseits sollen die äußeren Abmessungen des<br />
Katalysators für eine platzsparende Anordnung unter dem Auto<br />
möglichst klein sein.<br />
Zur besseren Veranschaulichung bietet sich der Hinweis auf Analogien<br />
in der Natur an. In natürlichen Systemen ergibt sich häufig<br />
das Problem bei möglichst geringer räumlicher Ausdehnung (kleine<br />
äußere Oberfläche) eine möglichst große innere Oberfläche zu<br />
realisieren. Gute Beispiele hierfür sind u.a. der menschliche Darm<br />
oder die Lunge.<br />
Im menschlichen Dünndarm hat die Natur das Problem mit beeindruckendem<br />
Ergebnis gelöst. Bei einer äußeren Oberfläche von<br />
nur 0,4 m2 weist er eine innere Oberfläche von 200-300 m2 auf.<br />
Die innere Oberfläche ist damit um das 500fache größer als die<br />
äußere Oberfläche.<br />
Vorschlag für ein Gedankenexperiment<br />
Um die Unterschiede der inneren Oberfläche eines Keramik- und<br />
eines Metallkatalysators anschaulich herauszustellen, bietet es sich<br />
an, daß die Schüler selber Katalysatormodelle erstellen: Dazu<br />
werden sie aufgefordert, dünne und dickere Papierstreifen so aufzurollen,<br />
daß die Streifen - in einer Papierrolle untergebracht -<br />
eine möglichst große Oberfläche aufweisen, die gleichmäßig von<br />
Luft durchströmt werden kann. Dabei lernen die Schüler verschiedene<br />
Grundsätze nachzuvollziehen, die beim Katalysatorbau berücksichtigt<br />
werden:<br />
Zum einen läßt sich selbstverständlich bei gleichem Materialverbrauch<br />
(gleiches Papiergewicht) eine größere Oberfläche erzeugen,<br />
wenn das Papier möglichst dünn ist (Analogie: Vorteile Metall<br />
gegenüber Keramik). Dabei bietet sich die spiralige Aufwicklung<br />
der Papierstreifen als Lösungsansatz an (Analogie: Metallkatalysator).<br />
Es zeigt sich aber, daß bei spiraliger Aufwicklung<br />
die Flächen unterschiedlich und z.T. sehr eng aufeinanderliegen,<br />
sodaß bei sehr enger Lagenfolge keine ausreichende Luftdurchströmung<br />
gewährleistet ist. Um einen gleichmäßigen Abstand<br />
zwischen den Schichten zu erzeugen, ist es sinnvoll, zick-zack<br />
förmige Papier- oder in Analogie zum Katalysatormodell, Metallstreifen<br />
zu verwenden. Ein solches Bauprinzip können die Schüler<br />
anhand der Querschnittskizze eines Edelmetallkatalysators auf<br />
der Kopiervorlage 3 wiedererkennen.<br />
Modell eines Metallkatalysators<br />
Spiralig aufgewickelter Papierstreifen<br />
in einer Rolle (Toilettenpapier-<br />
Innenrolle)<br />
Die Schüler erfahren, daß ein Katalysator eine Betriebstemperatur<br />
von 250°C bis 300°C aufweisen sollte, um wirksam zu sein, d.h.<br />
um die angestrebten Reaktionen ablaufen lassen zu können. Hierzu<br />
bietet sich folgender Versuch an, der unbedingt vorher erprobt<br />
werden sollte, weil manchmal Schwierigkeiten auftauchen:<br />
Versuch: Das „katalytische“ Feuerzeug als Autokat-Effekt<br />
Chemikalien und Geräte:<br />
Feuerzeug, Platinwendel (l = 15 cm, d = 0,2 mm), Streichhölzer<br />
Durchführung:<br />
An einem Feuerzeug wird eine Platinwendel so angebracht, daß<br />
sie sich im Gasstrom des Feuerzeugs befindet. Nun entzündet<br />
man das Feuerzeug und wartet, bis die Platinwendel glüht. Man<br />
bläst jetzt die Flamme aus, läßt aber das Butangas weiter strömen.<br />
Ergebnis:<br />
Zunächst scheint die Reaktion erloschen, aber nach kurzer Zeit<br />
glüht der Draht wieder.<br />
Deutung:<br />
Man beobachtet eine katalytische „Nachverbrennung“. Das (nicht<br />
reagierte) Butangas wird am noch warmen Platindraht unter starker<br />
Wärmeentwicklung zu Kohlenstoffdioxid und Wasser oxidiert.<br />
(aus D. Büttner, S. Bär: Experimente zum Thema Katalyse; NiU-<br />
Ch 8 (1997) Nr. 39, S.11-13)
Vollmer: KIS Köln <strong>EMITEC</strong> ( Gesellschaft für Emissionstechnologie mbH) Seite 9<br />
Kopiervorlage 4+5<br />
Ermittlung der spezifischen Wärmekapazität von Eisen und Porzellan<br />
(Auswertung des Joghurtbecherversuches).<br />
Die in der Tabelle dargestellten Ergebnisse sind von den Autorinnen<br />
nach Durchführung der Versuche gemäß Versuchsanleitung<br />
auf KV4 an der Universität Düsseldorf ermittelt worden.<br />
Zugabe<br />
Eisen oder<br />
Porzellan<br />
Aus den Meßpunkten ergibt sich folgende Berechnung:<br />
Für Porzellan:<br />
TR = 21,0 °C (Raumtemperatur)<br />
aus Diagramm ermittelt: TW = 49,0 °C<br />
TM = 41,4 °C<br />
1. Q W = C W � m W � (T W -T M )<br />
= 4,19 kJ/kgK� 0,150 kg � 7,6 K = 4,78 kJ<br />
2. c Porzellan =<br />
= 0,94 kJ / kgK<br />
Exp. ermittelte spez. Wärmekapazität von Porzellan: 0,94 kJ/kgK<br />
Literatur: 1,1 kJ/kgK (dtv-Atlas zur Physik, Bd. 1, 1987)<br />
Für Eisen:<br />
TR = 20,0 °C (Raumtemperatur)<br />
aus Diagramm ermittelt: TW = 50,1 °C<br />
TM = 45,2 °C<br />
1. Q W = C W � m W � (T W -T M )<br />
= 4,19 kJ/kgK� 0,150 kg � 4,9 K = 3,08 kJ<br />
2. c Porzellan =<br />
Q W<br />
m Porzellan � (T M -T R )<br />
Q W<br />
m Porzellan � (T M -T R )<br />
= 0,49 kJ / kgK<br />
Zeit<br />
[ Min.<br />
]<br />
Temp.<br />
[ ° C]<br />
Eisen<br />
Temp.<br />
[ ° C]<br />
Porzel<br />
l an<br />
0 53, 8 52,<br />
3<br />
0, 5 53, 2 51,<br />
9<br />
1, 0 52, 7 51,<br />
3<br />
1, 5 52, 0 50,<br />
7<br />
2, 0 51, 4 50,<br />
2<br />
2, 5 50, 8 49,<br />
8<br />
3, 0 50, 4 49,<br />
2<br />
3, 5 45, 2 40,<br />
9<br />
4, 0 44, 4 41,<br />
3<br />
4, 5 43, 9 41,<br />
1<br />
5, 0 43, 5 40,<br />
9<br />
5, 5 43, 4 40,<br />
7<br />
6, 0 43, 2 40,<br />
5<br />
3,08 kJ<br />
0,25 Kg � (45,2 - 20,0)<br />
Exp. ermittelte spez. Wärmekapazität von Porzellan: 0,49 kJ/kgK<br />
Literatur: 0,45 kJ/kgK (Schülerduden „Die Physik“, Dudenverlag, 1974)<br />
=<br />
=<br />
4,78 kJ<br />
0,25 Kg � (41,4 - 21,0)<br />
Hintergrundinformationen<br />
Kopiervorlage 1<br />
Kopiervorlage 4+5<br />
Die Schüler lernen, daß der überwiegende Teil der Schadstoffe in<br />
der Startphase des Fahrzeuges emittiert wird. Ursache hierfür ist<br />
die Tatsache, daß die Betriebstemperatur des Katalysators erst<br />
einige Minuten nach dem Start des Fahrzeuges erreicht wird.<br />
Zu den Aufgaben<br />
Aufgabe 1<br />
In der Phase I ist der Abgaskatalysator nahezu wirkungslos. Etwa<br />
eine Minute nach dem Start setzt die Wirkung des Katalysators<br />
mit zunehmender Erwärmung ein. In betriebswarmem Zustand ist<br />
die Wirkung am größten.<br />
Aufgabe 2<br />
Für die motornahe Anordnung der Abgasanlage zeigen sich bessere<br />
Emissionswerte, weil der Katalysator die erforderliche<br />
Betriebstemperatur schneller erreicht. Sobald der betriebswarme<br />
Zustand erreicht ist, weisen beide Anordnungen (motornah und<br />
motorfern) vergleichbare Emissionswerte auf.<br />
Aufgabe 3<br />
Die Schüler sollten leicht auf die Idee kommen, daß ein vor dem<br />
Start aufgeheizter Katalysator die besten Ergebnisse aufweisen<br />
würde. Ein solcher elektrisch aufheizbarer Katalysator ist bei<br />
Emitec bereits vor längerer Zeit entwickelt worden und wird in<br />
verschiedenen Fahrzeugen bereits eingesetzt.<br />
Aufgabe 4<br />
Elektrofahrzeuge sind i.d.R. nicht besonders umweltfreundlich,<br />
weil die benötigte Stromenergie letztendlich aus der Verbrennung<br />
fossiler Brennstoffe (Kohlekraftwerke) oder aus Atomkraftwerken<br />
stammt.<br />
Hintergrundinformationen<br />
Dreiwegekatalysator<br />
Der ständig zunehmende Verkehr in den hochindustrialisierten<br />
Ländern, aber auch mehr und mehr in den Entwicklungs- und<br />
Schwellenländern, hat Maßnahmen für eine Schadstoffreduzierung<br />
in den Autoabgasen unumgänglich gemacht. In den USA und in<br />
Japan wurden schon in den 70er Jahren Katalysatoren verbindlich<br />
vorgeschrieben. Im Jahre 1990 waren in der Bundesrepublik<br />
Deutschland von ca. 30 Millionen Pkws erst 4,5 Millionen mit<br />
einem Katalysator ausgerüstet.<br />
Mit dem geregelten Dreiwegekatalysator können in den Abgasen<br />
die Schadstoffe Kohlenwasserstoffe, Kohlenstoffmonoxid und<br />
nitrose Gase zu Kohlenstoffdioxid, Wasserdampf und elementarem<br />
Stickstoff umgewandelt werden. Der Name Dreiwegekatalysator<br />
bezieht sich auf die Umwandlung dieser drei Hauptschadstoffe.<br />
Der Katalysator besteht aus einem keramischen oder metallischen<br />
Wabenkörper, dessen Oberfläche mit den Edelmetallen Platin,<br />
Palladium und Rhodium belegt ist. Damit wird eine simultane<br />
Umsetzung der Schadstoffe (Oxidation von Kohlenstoffmonoxid<br />
sowie der Kohlenwasserstoffe und Reduktion der nitrosen Gase)<br />
erreicht.<br />
Inwieweit die Funktionstüchtigkeit des Katalysators über eine<br />
Betriebsstrecke von 80.000 Kilometern erhalten bleibt, hängt im<br />
wesentlichen davon ab, ob der Katalysator starken Erschütterungen<br />
oder thermischen Überlastungen (Fehlzündungen) ausgesetzt<br />
wird. Hierdurch wird seine Effektivität herabgesetzt.<br />
Die Regelung erfolgt über die Lambda-Sonde, die den Sauerstoffgehalt<br />
im Abgas vor dem Katalysator mißt. Sie arbeitet wie ein<br />
Konzentrationselement. Sie mißt die Potentialdifferenz, die sich<br />
durch den Konzentrationsunterschied des Sauerstoffs im Abgas<br />
und in der Luft an den Elektroden einstellt. Dadurch kann eine
Seite 10 <strong>EMITEC</strong> (Gesellschaft für Emissionstechnologie mbH) Vollmer: KIS Köln<br />
Hintergrundinformationen<br />
Kopiervorlage 1<br />
Steuerung der Kraftstoff-Luft-Gemischbildung in einem sehr engen<br />
Bereich erfolgen. Unter diesen Bedingungen werden hohe<br />
Schadstoff-Umsätze im Katalysator erreicht.<br />
Perspektiven in der Katalysatorentwicklung<br />
Die weltweit verschärften Emissionsgesetze erfordern zunehmend<br />
effektivere Katalysator-Konzepte. Stufenweise sollen in den nächsten<br />
10 Jahren die Abgasgrenzwerte drastisch gesenkt werden.<br />
Damit diese Vorgaben auch tatsächlich eingehalten werden, soll<br />
der Verbraucher durch entsprechende steuerliche Vergünstigungen<br />
dazu angehalten werden, möglichst schadstoffarme Autos zu<br />
kaufen.<br />
Erreichen lassen sich die zukünftigen Abgasvorschriften nur durch<br />
eine wesentliche Steigerung der Effektivität des Abgasnachbehandlungssystems<br />
insbesondere des Katalysators.<br />
Fahrzeuge mit Katalysator stoßen den größten Teil der Schadstoffe<br />
im sogenannten Wärmesenkenbereich aus, das ist die erste<br />
Phase nach Starten des Motors, bevor der Katalysator seine<br />
Betriebstemperatur von 250 - 300 °C erreicht hat. In dieser etwa<br />
1-2 minütigen Phase werden etwa 80 % der automobilen Gesamtemission<br />
ausgestoßen.<br />
Um hier Verbesserungen zu erzielen, sind bereits motornahe<br />
Katalysatorsysteme entwickelt worden, die zu einem schnelleren<br />
Aufheizen des Katalysators führen. Die Firma <strong>EMITEC</strong> hat mit<br />
einem elektrisch heizbaren Katalysator ein besonders wirksames<br />
Verfahren entwickelt. In langjähriger Entwicklung ist ein serienreifes<br />
Produkt entstanden, das den Katalysator vor dem Starten<br />
auf Betriebstemperatur aufheizt und so Kaltstart-Emissionen deutlich<br />
absenkt.<br />
Das Katalysatorsystem besteht aus einem elektrisch heizbaren<br />
Startkatalysator und einem nachgeordneten konventionellen<br />
Metallkatalysator.<br />
Das E-Kat-System (beheizter Katalysator) wiederum setzt aufwendige<br />
und komplizierte Steuer- und Regelmechanismen voraus.<br />
Es besteht aus dem elektrisch beheizten Katalysator, einer<br />
Heizkatalysator-Steuerung (Schalter), dem Motormanagement und<br />
der Energieversorgung. Nach Aussagen der Firma <strong>EMITEC</strong> erfüllt<br />
der elektrisch heizbare Katalysator der jüngsten Baureihe<br />
(Serie 6) schon heute die zukünftigen scharfen Grenzwerte.<br />
Literatur<br />
D. Buck: Der Autoabgaskatalysator; NiU-P/Ch 15, 34. Jahrgang, 1986, Friedrich in Seelze<br />
D. Büttner, S. Bär: Experimente zum Thema Katalyse: NiU-Chemie 8, 39. Jahrgang, 1997, Freidrich in Seelze, S. 11-13<br />
Zum Joghurtbecherversuch<br />
J. Luysberg: Ausgewählte Stoffgebiete aus der Wärmelehre unter Berücksichtigung der SI-Einheiten: PdN-Physik,<br />
Heft 2, 1974, S. 36-37<br />
Zum Thema „Metallkatalysator“ sind verschiedene Schriften über die Gesellschaft für Emissionstechnologie zu beziehen.<br />
Kontaktinformationen zum Unternehmen<br />
1. Ansprechpartner<br />
Herr Kotterba, <strong>EMITEC</strong> Gesellschaft für Emissionstechnologie mbH, Hauptstraße 150, 53797 Lohmar<br />
Tel.: (0 22 46) 109-101, Fax: (0 22 46) 109-109, e-mail: PKotterb@emimhs.MHS.compuserve.com<br />
2. Unterrichts- und Informationsmaterialien<br />
Weitere Informationsmaterialien zum Unternehmen und zum Thema „Metallkatalysator“ können über die angegebene<br />
Adresse bezogen werden.<br />
3. Betriebsbesichtigungen und Betriebspraktika<br />
Betriebsbesichtigungen und Betriebspraktika sind auf Anfrage möglich.<br />
4. Ausbildungsplätze und berufliche Möglichkeiten<br />
Das Unternehmen bildet in folgenden Berufen aus:<br />
Industriekaufleute, Mechatroniker, Industriemechaniker Fachrichtung Maschinen- und Systemtechnik, IT-<br />
Systemelektroniker