EMITEC EMITEC - Portal Schule Wirtschaft

I&S Gesellschaft
für partnerschaftliche
Beziehungen
zwischen Industrie
und
Schule/Öffentlichkeit
Bonn 1997
Antje Koch, Ursula Tulp
Lehrplananbindung
Kopiervorlage / Unterrichtsinhalte, -ziele, -methoden
SI/II Industrieunternehmen der Region (Sw, Ek, Ch, Bi)
(1) Unternehmensprofil EMITEC (Information, Aufgaben)
(1) Autoabgaskatalysator (Information, Aufgaben)
SI Autoabgaskatalysator/Katalysator, Katalyse/Chemische Reaktion/Treibhauseffekt
(Ch, Ph)
(2) Aufgabenblatt Autoabgaskatalysator
- Die Schülerinnen und Schüler benennen Edukte und Produkte der Stoffumsetzungen
im Motor und im Katalysator
- Die Schülerinnen und Schüler unterscheiden die genannten Stoffe hinsichtlich
ihrer Wirkung auf Mensch und Umwelt
(3) Vergleich von Keramik und Metall als Trägermaterial für Autoabgaskatalysatoren
(Information, Modell/Aufgaben)
S II Wärmekapazität/Wärmeleitfähigkeit/Katalysatortechnik (Ch, Ph)
(4) Ermittlung der Wärmeleitfähigkeit von Keramik und Eisen (Schülerversuch)
(5) Auswertung der Versuche auf Kopiervorlage 4
(6) Methoden zur Verbesserung der Effizienz von Autoabgaskatalysatoren (Informationen,
Aufgaben)
Kontaktschule
Gymnasium Lohmar
Donrather Dreieck
53797 Lohmar
Tel.: (0 22 46) 1 80 28
EMITEC
Gesellschaft für Emissionstechnologie mbH
Mitarbeit und fachliche Beratung: Herr Kotterba (Gesellschaft für Emissionstechnologie mbH)
Co-Autor: Dr. Christoph Merschhemke (I&S GmbH)

Seite 2 EMITEC (Gesellschaft für Emissionstechnologie mbH) Vollmer: KIS Köln
Kopiervorlage 1
EMITEC – Autokatalysatoren aus Lohmar
Die Emitec hat ihren Firmensitz in dem kleinen
Städtchen Lohmar wenige Kilometer
von Siegburg entfernt im östlichen Teil des
Köln-Bonner Wirtschaftsraumes. Die Firmengebäude
mit dem großen Schriftzug des
Unternehmens auf dem Dach kannst du
schon von der Autobahn 3 aus erkennen.
Emitec steht für „Emissionstechnologie“.
Um die Autoabgase, also um das, was aus
den Autos „emitiert“ wird, dreht sich alles
in dem Unternehmen, das in nur 11 Jahren
von drei auf 285 Mitarbeitern gewachsen ist.
1986 produzierten die Rheinländer noch auf
dem Küchentisch und verkauften gerade einmal
600 Kats im Jahr. 1997 waren es bereits
mehr als 2,7 Millionen Stück. Die Nachfrage
nach Katalysatoren „Made in Lohmar“
ist auch im Ausland groß. Etwa 70 % der
produzierten Katalysatoren geht in den Export.
Anfang 1997 nahm die Firma eine
hochmoderne Fabrik mit 65 Beschäftigten
in den USA in Betrieb, um das Exportgeschäft
noch mehr anzukurbeln.
Das Erfolgsrezept - Geschicktes Besetzen einer Marktlücke
Das besondere an dem Kat des Lohmarer Untenehmens: Sein
Wabenkörper ist aus Metall statt aus Keramik. Sein Vorteil: Er
bietet bei längerer Lebensdauer eine höhere Leistung als der Keramik-Kat.
Trotz dieser Vorteile von Stahlkatalysatoren setzten
die Automobilhersteller zunächst auf den Keramik-Katalysator.
Ursache hierfür war seine Verfügbarkeit, denn er konnte früher
als sein Konkurrent aus Edelstahl in Serie produziert werden. Technische
Probleme verhinderten dagegen zunächst die Serienfertigung
des Metallkatalysators. Das Ei des Kolombus war ein 1978
entwickeltes Hochtemperatur Lötverfahren – Startschuß für die
Emitec-Produktion. Die ersten Kunden waren BMW-Alpina, Jaguar
und Mercedes-Benz, aber auch Motorsägen wurden schon
bald mit Metallkatalysatoren des Lohmarer Unternehmens ausgestattet.
Herr Maus und seine Vision
Seit 1989 dürfen in Deutschland keine Neuwagen mehr ohne Katalysator
verkauft werden. Mittlerweile reicht es aber schon lange
nicht mehr, einfach nur einen Katalysator im Auto zu haben, weil
die gesetzlichen Bestimmungen vorsehen, daß immer niedrigere
Grenzwerte für Schadstoffe in Autoabgasen eingehalten werden.
Das Auto der Zukunft soll danach bereits in wenigen Jahren praktisch
abgasfrei sein. Wenn der Diplom Ingenieur Wolfgang Maus,
Geschäftsführer der Emitec, über die Möglichkeiten zukünftiger
Katalysatorgenerationen nachdenkt, dann fällt ihm häufig der
Begriff „Emissionsstaubsauger“ ein: Autos, deren Abgase sauberer
sind als die Luft, die in den Motor strömt.
Aufgaben:
Schnitt durch einen Metallkatalysator: Metallkatalysatoren unterscheiden sich von
Keramikkatalysatoren vor allem dadurch, daß das Trägermaterial (im Bild sichtbar) für
die katalytisch wirksame Edelmetallschicht aus Metall ist.
So funktioniert ein Kat
Der Wabenkörper aus Keramik oder Metall ist etwa so groß wie
eine Kokosnuß. Er wird von Hunderten feiner Kanäle durchzogen.
Die Oberfläche dieser Kanäle hat eine Beschichtung aus Platin,
Rhodium und Palladium. Diese erst sorgt dafür, daß der Kat
die durchströmenden Abgase reinigt. Weit über 90 % der Schadstoffe
– vor allem Kohlenmonoxid, Kohlenwasserstoffe und
Stickoxide – werden von modernen Dreiwegekatalysatoren entfernt.
Metallkatalysator: Der quer durchgeschnittene Wabenkörper zeigt
gewellte und glatte Stahlfolien, die miteinander verlötet sind.
1. Umweltschutz durch Autofahren? Beschreibe mit deinen Worten wie das Auto der Zukunft nach Ansicht von Herrn Maus einen
Beitrag zum Umweltschutz leisten könnte.
2. Herr Maus hat den Begriff „Emissionsstaubsauger“ für die Katalysatoren der Zukunft geprägt. Denke an deinen Chemieunterricht.
Warum ist der Begriff aus der Sicht eines Chemikers falsch gewählt?
3. Beschreibe die Firma Emitec in wenigen Sätzen. Versuche zu erklären, warum ein Katalysatorhersteller wie die Emitec in den
letzten Jahren so große wirtschaftliche Erfolge erzielen konnte.

Vollmer: KIS Köln EMITEC ( Gesellschaft für Emissionstechnologie mbH) Seite 3
Kopiervorlage 21
Katalysatoren im Kampf gegen Atemgifte und Ozonkiller
Autoabgase enthalten zu einem nicht unerheblichen Anteil umweltund
gesundheitsgefährdende Stoffe. Nach einer Fahrstrecke von
100 km hat ein Auto ohne Katalysator bei einer durchschnittlichem
Geschwindigkeit von 100 km/h bereits etwa 1,5 kg Schadstoffe
ausgestoßen. Bei dieser Zahlenangabe ist das „Treibhausgas“
Kohlenstoffdioxid noch gar nicht mitberücksichtigt. Bei der
Aufgaben:
1.In dem grauen Kasten unten findest du Stoffe aufgeführt, die
im Straßenverkehr eine Rolle spielen. Dargestellt sind die
Stoffe, die wichtig sind, um den Motor in Bewegung zu
halten, sowie die Stoffe, die den Motor bzw. den Katalysator
als Abgase verlassen. Versuche die jeweiligen Stoffe den
entsprechenden Kästchen über dem abgebildeten Auto
zuzuordnen. Die Info-Box unten auf der Seite soll dir eine
Hilfe bei der Aufgabe sein. Einige der genannten Stoffe
können übrigens in mehrere Kästchen eingetragen werden.
Verbindung
Formel
Kohlenstoffdioxid
(CO2)
Kohlenstoffmonoxid
(CO)
Stickstoff
N2
Stickstoffmonoxid
NO
Stickstoffdioxid
NO 2
Kohlenwasserstoffe
C xH y
Gefahrstoffsymbole R- (Gefahr)-Sätze
S- (Sicherheits)-Sätze
S: 3-7
F
T +
T +
R: 12-23
S: 7-16-45
R: 26/27
S: 45
R: 26-37
S: 7/9-26-45
unterschiedlich für die einzelnen
Kohlenwasserstoffe
T
Info - Box
hohen Dichte des Kraftfahrzeugverkehrs ist es dringend notwendig,
diese schädlichen Abgaskomponenten möglichst vollständig
zu entfernen. Ein Autoabgaskatalysator spielt hiebei eine wichtige
Rolle, weil er schädliche Abgasbestandteile in weniger schädliche
umwandelt.
2. Im Katalysator finden Redoxreaktionen statt. Vergleiche die
Verbindungen des Kohlenstoffes und des Stickstoffes die
zum Katalysator gelangen mit denen, die den Katalysator
verlassen.
- Wird der Kohlenstoff bzw. Stickstoff in den Verbindungen
durch die Reaktion im Katalysator reduziert oder oxidiert?
Belege deine Aussage.
- Bewerte die Wirkung des Katalysators anhand der Angaben
zu den Stoffen in der Info-Box.
Wirkung auf Mensch und Umwelt
Fördert die Erwärmung der Erdatmosphäre; in höherer Konzentration
wirkt es giftig
Schweres Atemgift; erste Beeinträchtigungen schon bei 0,005%
CO-Gehalt in der Luft
Luft besteht zu 78% aus Stickstoff
Atemgift, das ähnlich wie CO wirkt.
Schleimhautreizung, kann das Lungengewebe zerstören; an der
Bildung von Ozon beteiligt; Mitverursacher von saurem Regen
Verursachen erhöhte Ozongehalte in der Luft; Einige sind gesundheitsschädlich,
wie z.B. Benzol (krebserregend).

Seite 4 EMITEC (Gesellschaft für Emissionstechnologie mbH) Vollmer: KIS Köln
Kopiervorlage 13
Vergleich von Keramik- und Metallkatalysatoren
Der Abgaskatalysator ist eine noch junge technische Entwicklung.
Die ersten Autos mit Katalysator gab es in den 70er Jahren in den
USA und Japan. In Deutschland dürfen seit 1989 keine Neuwagen
mehr ohne Katalysator verkauft werden.Wegen der zunehmenden
Verschärfung der Abgasgrenzwerte arbeiten die Ingenieure
unter Hochdruck an der Verbesserung der Katalysatortechnik. Die
ersten Katalysatoren besaßen einen Wabenkörper aus Keramik.
In den letzten Jahren hat dieser sogenannte Keramikkatalysator
Konkurrenz durch den Metallkatalysator bekommen, bei dem der
Wabenkörper aus Edelstahl ist. Der Wabenkörper ist das Trägermaterial
auf das die katalytische Beschichtung aufgetragen wird.
Keramikkatalysator im Querschnitt Metallkatalysator im Querschnitt
Aufgaben:
1.Fasse mit Hilfe der Zeichnung oben die wesentlichen Unterschiede zwischen einem Metall- und einem Keramikkatalysator
zusammen.
2.Unten links findest du einen Textausschnitt aus einer Firmenbroschüre der Emitec. Darin werden Vorteile eines
Metallkatalysators gegenüber einem Keramikkatalysator angesprochen. Lies den Text und beantworte die Fragen.
Fragen zum Text:
Warum hat ein Metallkatalysator eine größere innere
Oberfläche, und warum ist das für die Wirksamkeit eines
Katalysators wichtig?
Ein Katalysator benötigt eine Betriebstemperatur von
250-300° C, damit er wirksam ist. Was könnte der Grund
dafür sein, daß eine so hohe Betriebstemperatur benötigt
wird?
Welche physikalischen Eigenschaften sorgen dafür, daß
sich der Metallkatalysator schneller erwärmt.

Vollmer: KIS Köln EMITEC ( Gesellschaft für Emissionstechnologie mbH) Seite 5
Kopiervorlage 14
Keramik- und Eisenkatalysatoren im Vergleich: Wärmekapazität
Ein Autokatalysator funktioniert nur, wenn er eine Temperatur
von mindestens 250°C besitzt. Das bedeutet, daß ein Auto in den
ersten Sekunden nach dem Start besonders viel schädliche Abgase
produziert. Es ist also wichtig, daß der Katalysator möglichst
schnell von dem durchströmenden Abgas erhitzt wird. Dabei spielen
die Wärmeleitfähigkeit und die Wärmekapazität des Trägermaterials
eine große Rolle.
Der „Joghurtbecherversuch“
Ermittlung der Wärmekapazitäten von Eisen und Keramik
Meßprinzip
Im „Joghurtbecherversuch“ werden Eisen bzw. Porzellan (Feinkeramik),
die Raumtemperatur besitzen, mit heißem Wasser gemischt.
Das heiße Wasser gibt solange Wärme an die Materialien
ab, bis das Wasser und die Stoffe die gleiche Temperatur - die
Mischungstemperatur- besitzen. Aufgrund der verschiedenen
Wärmekapazitäten der beiden Stoffe stellen sich unterschiedliche
Mischungstemperaturen ein. Weil die Wärmekapazität von
Wasser bekannt ist, lassen sich aus der Anfangstemperatur des
Wassers, der Materialien und der Mischungstemperatur die
Wärmekapazitäten der Materialien berechnen. Damit sich die
Mischungstemperatur schnell einstellt, sollten die untersuchten
Stoffe eine große Oberfläche aufweisen.
Materialien
250 g kleine Porzellanbruchstücke, 250 g Eisenschrot (kleine
Eisennägel), Thermometer, Thermoskanne mit ca. 55°C heißem
Wasser, Styroporplatte, Kunststoffbecher mit Deckel („Joghurt
500g“), Meßzylinder, Stopuhr. Porzellan und Eisen besitzen
Raumtemperatur
Arbeitsanweisung
Der Kunststoffbecher auf der Styroporplatte wird mit 150 ml,
ca. 55°C heißem Wasser befüllt. In 1/2-Minuten-Schritten wird
die langsame Abkühlung des Wassers verfolgt.
Nach 3 Minuten wird zügig (aber ohne zu spritzen) Eisen zugegeben.
Der Becher wird geschwenkt (wichtig!). Wenn das Material
fein genug ist, kann auch mit dem Thermometer gerührt werden.
Die Temperaturmessung wird im 1/2-Minuten-Rythmus fortgesetzt
(Abweichung notieren). Der Versuch kann nach etwa 6 Minuten
abgebrochen werden.
Wiederhole den Versuch mit Porzellan.
Die Wärmeleitfähigkeit gibt an, wie schnell ein Stoff Wärmeenergie
aufnimmt. Dagegen ist die Wärmekapazität ein Maß für
die benötigte Menge an Wärmeenergie, die aufgebracht werden
muß, damit der Stoff eine bestimmte Temperatur erreicht.
Mit dem folgenden Versuch wollen wir die Wärmekapazitäten von
Eisen und Keramik grob ermitteln.
Zugabe von
Eisen oder
Porzellan
Zeit [Min.]
Temp. [°C]
Eisen
Temp [°C]
Porzellan
Aufgaben:
1. Warum produziert ein Auto in den ersten Sekunden nach dem Start besonders viel schädliche Abgase?
2. Was bedeuten die Begriffe Wärmeleitfähigkeit und Wärmekapazität?
3. Wie sollte das Trägermaterial in Bezug auf seine Wärmeleitfähigkeit und seine Wärmekapazität beschaffen sein, damit es für
eine Verwendung im Autokatalysator geeignet ist? Begründe deine Antwort.
4. Wie kann man anhand der Ergebnisse aus dem Joghurtbecherversuch die „Wärmeleitfähigkeit“ eines Stoffes ermitteln ?
Begründe deine Anwort.
5. Wie unterscheiden sich nach deinen Untersuchungsergebnissen Eisen und Porzellan in ihrer Wärmekapazität?
6. Welcher der beiden untersuchten Stoffe ist demnach besser als Trägermaterial in Autokatalysatoren geeignet?
0
0,5
1,0
1,5
2,0
2,5
3,0
3,5
4,0
4,5
5,0
5,5
6,0

Seite 6 EMITEC (Gesellschaft für Emissionstechnologie mbH) Vollmer: KIS Köln
Kopiervorlage 51
Auswertung des Joghurtbecherversuches
Anhand der Meßdaten aus dem Joghurtbecherversuch können wir die Wärmekapazitäten von Eisen und Porzellan berechnen.
Die aufgenommene Wärmemenge ermitteln wir in diesem Versuch durch Zugabe einer abgewogenen Menge dieser Stoffe zu einer
genau definierten Menge Wasser, das wir vorher auf ca. 55 °C erwärmt haben. Die von den Stoffen aufgenommene Wärmemenge
leitet sich dann aus der Temperaturabnahme des Wassers ab.
Definition Wärmekapazität
Die Wärmekapazität (Formelzeichen C) eines Stoffes gibt
an, wieviel Energie (Wärmemenge) Q notwendig ist, um eine
Temperaturerhöhung ∆T des Stoffes um ein Kelvin (Formelzeichen
K) zu bewirken. C wird in J/K gemessen.
Q
C =
∆T
Auswertung
1. Ermittlung der Temperaturdifferenz aus den Meßpunkten
Übertrage die Meßwerte aus der Tabelle zunächst in ein x-y-
Diagramm (x-Achse: Zeit; y-Achse: Temperatur).
Lege durch die Meßwerte im Diagramm, die den Meßverlauf
vor und nach Zugabe des Materials beschreiben, jeweils eine
Gerade (siehe Beispielauswertung unten).
Die Temperaturabgabe an das zugegebene Material ist nach ca.
15 Sekunden bereits vollständig vollzogen. Den Temperatursprung
kannst du relativ genau ermitteln, indem du eine Senkrechte
durch den Zeitpunkt 3 Min. 15 Sek. legst, die die obere
und untere Meßgerade schneidet (siehe Beispielauswertung
unten).
Der Schnittpunkt mit der oberen Geraden liefert dir die Anfangstemperatur
des Wassers vor Zugabe des Stoffes (TW), und
der Schnittpunkt mit der unteren Geraden liefert die Mischtemperatur
nach Wärmeaufnahme durch den zugesetzten Stoff
(TM). Beispiel für eine graphische Auswertung der Daten aus dem
Joghurtbecherversuch
T W
T M
Temp. [°C]
55,0
50,0
45,0
40,0
35,0
0,0 1,0 2,0 3,0 4,0 5,0 6,0
Zeit [Min.]
Die spezifische Wärmekapazität (Formelzeichen c) ist die
Energie, die notwendig ist, um genau ein kg des Stoffes um 1K
zu erwärmen. c wird in J/(K • kg) gemessen. m = Masse des
Stoffes in kg.
C Q
c = =
m ∆T • m
2. Berechnung der Wärmeabgabe an Eisen bzw. Porzellan
Berechne aus der Temperaturabname des Wassers die Wärmeabgabe
QW an Eisen bzw. Porzellan nach folgender Formel:
Q W = c W • m W • (T W - T M)
cW = 4,19 kJ/(kg • K) [ spezif. Wärmekapazität von Wasser]
mW = 0,150 kg [ Masse von 150 ml Wasser]
Für die Temperaturen T W und T M dürfen die Werte in °C
eingesetzt werden, weil bei Temperaturdifferenzen K durch °C
ersetzt werden darf.
3. Berechnung der spezifischen Wärmekapazitäten von
Eisen bzw. Porzellan
Mit den berechneten Wärmeabgaben QW von Wasser an Eisen
bzw. Porzellan kannst du mit folgender Formel die spezifischen
Wärmekapazitäten c von Eisen bzw. Porzellan ermitteln.
QW c =
(TM - TR) • mS m S = 0,25 kg [ Massen von Eisen und Porzellan]
T R (Raumtemperatur = Temp. der Stoffe zu Versuchsbeginn)
Aufgaben:
1. Berechne die spezifische Wärmekapazität von Eisen
und Porzellan.
2. Vergleiche deine Meßwerte für die Wärmekapazität von
Eisen und Porzellan mit den Literaturwerten [Porzellan:
1,1 kJ/(K • kg); Eisen: 0,45 kJ/(K • kg)] und nenne
mögliche Fehlerquellen beim „Joghurtbecherversuch“.
3. Diskutiere die Eignung von Eisen und Porzellan als
Trägermaterial in Autokatalysatoren anhand der ermittelten
Werte für die Wärmekapazitäten von Eisen und
Porzellan.

Vollmer: KIS Köln EMITEC ( Gesellschaft für Emissionstechnologie mbH) Seite 7
Abgasgrenzwerte und Stand der Technik
Mit den heutigen Katalysatoren können die schädlichen Bestandteile
aus den Abgasen der Fahrzeuge bereits um über 90% verringert
werden. In den Industrieländern werden aber zunehmend strengere
Grenzwerte für Schadstoffe in Autoabgasen festgelegt. Angestrebt
wird, daß zukünftige Motor- und Abgassysteme eines Tages
auf dem Niveau von Elektrofahrzeugen liegen. Dieses ehrgeizige
Ziel ist aber mit dem heutigen Stand der Motor- und Abgastechnik
noch nicht erreichbar. Aus diesem Grunde erforschen
Katalysatorhersteller wie die Emitec ständig neue Methoden, um
die Effizienz der von ihnen produzierten Katalysatoren zu verbessern.
Abgastests zeigen ein wichtiges Problem auf - Die Betriebstemperatur
des Katalysators
Abgasmessungen sind aufwendig und teuer. Ein Testwagen absolviert
dazu auf einem Rollenprüfstand ein genau festgelegtes
Katalysatortechnik der Zukunft
Forschungsansätze zu Verbesserungen in der Katalysatortechnik
Die rechtsstehende Grafik zeigt die Werte für den
Ausstoß von Kohlenwasserstoffen dreier Fahrzeuge
mit unterschiedlichen Abgasanlagen. Die Messungen
erstrecken sich über einen Zeitraum von etwas
mehr als 20 Minuten. Es handelt sich zu jeder
Meßphase um aufaddierte (kumulierte) Werte für die
Kohlenwasserstoff-Emission. Gemessen wurde die
Kohlenwasserstoffemission bei Verwendung von
zwei baugleichen Katalysatoren, die in unterschiedlicher
Entfernung vom Motor installiert wurden.
Gleichzeitig hat man eine Messung mit einer Auspuffanlage
ohne Katalysator durchgeführt.
Schematische Darstellung einer motornahen und einer
motorfernen (Katalysator am Unterboden)
Katalysatoranlage.
Aufgaben:
Katalysator
1. Beschreiben Sie die drei Phasen der Kohlenwasserstoffemission
für eine Abgasanlage mit Katalysator, wie sie in der
Grafik dargestellt werden.
Beantworten Sie dazu folgende Fragen:
- Wie unterscheidet sich die Wirkung einer Abgasanlage mit
Katalysator von der ohne Katalysator?
- In welcher Phase ist die Wirksamkeit des Katalysators am
größten?
- Wie läßt sich die unterschiedliche Wirksamkeit des
Katalysators in den verschiedenen Phasen erklären?
Kopiervorlage 61
Fahrprogramm, das auf die Sekunde genau eingehalten werden
muß. Es handelt sich um die Simulation des Durchschnittsalltags
eines Autos. In rund 20 Minuten fährt das Probefahrzeug
etwa 11 Kilometer weit.
Die Ergebnisse der Abgastests zeigen, daß die ersten 60 Sekunden
über den Erfolg entscheiden: Der Großteil der Schadstoffe
wird in dieser ersten Betriebsphase ausgestoßen, weil
die meisten der zur Zeit gängigen Katalysatormodelle die benötigte
Beriebstemperatur von 200 - 300 °C zeitverzögert erreicht.
Erst bei dieser Temperatur ist aber ein Katalysator wirksam.
Die Grafik unten zeigt den Verlauf der Kohlenwasserstoff-Emissionen
verschiedener Fahrzeuge mit zunehmender
Fahrzeit. Die Messungen deuten einen wichtigen Schwerpunkt
bei der Erforschung verbesserter Katalysatoranlagen an:
2. Vergleichen Sie die Emissionswerte für eine Abgasanlage
mit einem Katalysator am Unterboden (motorfern) mit der
einer motornahen Anordnung des Katalysators.
- Begründen Sie die Meßergebnisse
3. Machen Sie auf der Basis der gewonnenen Erkenntnisse
Verbesserungsvorschläge für eine Abgasanlage, mit der
eine Verminderung des Schadstoffausstoßes erzielt werden
kann.
4. Diskutieren Sie die Umweltverträglichkeit von Elektrofahrzeugen
im Vergleich zu den für die Zukunft angestrebten
sogenannten „Null-Emissions-Fahrzeugen“.

Seite 8 EMITEC (Gesellschaft für Emissionstechnologie mbH) Vollmer: KIS Köln
Didaktische Kopiervorlage Bemerkungen 1
Einsatzmöglichkeiten der Arbeitsblätter im Unterricht und Anbindung an die Lehrpläne
Die Kopiervorlagen lassen sich im Mittelstufenunterricht im Rahmen der Behandlung des Themas „Wärmelehre“ (Physik) und des
Themas „Chemische Reaktion, Aktivierungsenergie, Katalysator“ (Chemie) verwenden.
Eine vertiefende Behandlung läßt sich im Oberstufenunterricht Chemie im Rahmen der Behandlung des Themenkomplexes „Chemisches
Gleichgewicht, Aktivierungsenergie/Katalysator“ realisieren.
Informationen, Bemerkungen, Lösungen zu den Kopiervorlagen
Kopiervorlage 2
Problemorientierter Einstieg in das Thema „Autoabgaskatalysator“.
Die Schüler sollen im Verlauf eines dreistufigen Prozesses
zunächst erarbeiten, welche Stoffe im Motor zur Reaktion
gebracht werden, welche Stoffe als Motoremissionen zum Katalysator
gelangen und zu welchen Stoffen die Motoremissionen im
Katalysator umgesetzt werden.
Anschließend sollen sie die ablaufenden Redoxreaktionen unterscheiden
lernen. Ihnen soll deutlich werden, daß der Kohlenstoff
bei der Reaktion unverbrannter Kohlenwasserstoffe (CxHy) zu
Kohlenstoffdioxis (CO2 ) und Wasser sowie bei der Umsetzung
von Kohlenstoffmonoxid (CO) zu Kohlenstoffdioxid (CO2 )
oxidiert wird. Andererseits wird der Stickstoff in den Stickoxiden
(NOx) reduziert, wenn diese zu gasförmigen Stickstoffmolekülen
(N2 ) umgesetzt werden.
Schließlich sollen die Schüler aus den Daten in der „Info-Box“
schlußfolgern können, daß die Reaktionsprodukte der Umsetzungen
im Katalysator geringer toxisch sind als die Ausgangsstoffe.
Bei der Behandlung des Themas sollte allerdings auch das Problembewußtsein
geschaffen werden, daß in großen Mengen
Kohlenstoffdioxid gebildet wird, welches zwar für Tiere und
Menschen wenig toxisch ist, das aber ein hohes Potential zur Erwärmung
der Erdatmosphäre (Treibhauseffekt) aufweist.
Kopiervorlage 3
Die Schüler lernen u.a., daß die Größe der inneren Oberfläche
eines Katalysators sehr wichtig für dessen Wirksamkeit ist. Damit
die Schadstoffteilchen umgesetzt werden können, müssen sie mit
der inneren Oberfläche des Katalysators in Kontakt treten. Aus
diesem Grunde ist eine möglichst große innere Oberfläche notwendig.
Andererseits sollen die äußeren Abmessungen des
Katalysators für eine platzsparende Anordnung unter dem Auto
möglichst klein sein.
Zur besseren Veranschaulichung bietet sich der Hinweis auf Analogien
in der Natur an. In natürlichen Systemen ergibt sich häufig
das Problem bei möglichst geringer räumlicher Ausdehnung (kleine
äußere Oberfläche) eine möglichst große innere Oberfläche zu
realisieren. Gute Beispiele hierfür sind u.a. der menschliche Darm
oder die Lunge.
Im menschlichen Dünndarm hat die Natur das Problem mit beeindruckendem
Ergebnis gelöst. Bei einer äußeren Oberfläche von
nur 0,4 m2 weist er eine innere Oberfläche von 200-300 m2 auf.
Die innere Oberfläche ist damit um das 500fache größer als die
äußere Oberfläche.
Vorschlag für ein Gedankenexperiment
Um die Unterschiede der inneren Oberfläche eines Keramik- und
eines Metallkatalysators anschaulich herauszustellen, bietet es sich
an, daß die Schüler selber Katalysatormodelle erstellen: Dazu
werden sie aufgefordert, dünne und dickere Papierstreifen so aufzurollen,
daß die Streifen - in einer Papierrolle untergebracht -
eine möglichst große Oberfläche aufweisen, die gleichmäßig von
Luft durchströmt werden kann. Dabei lernen die Schüler verschiedene
Grundsätze nachzuvollziehen, die beim Katalysatorbau berücksichtigt
werden:
Zum einen läßt sich selbstverständlich bei gleichem Materialverbrauch
(gleiches Papiergewicht) eine größere Oberfläche erzeugen,
wenn das Papier möglichst dünn ist (Analogie: Vorteile Metall
gegenüber Keramik). Dabei bietet sich die spiralige Aufwicklung
der Papierstreifen als Lösungsansatz an (Analogie: Metallkatalysator).
Es zeigt sich aber, daß bei spiraliger Aufwicklung
die Flächen unterschiedlich und z.T. sehr eng aufeinanderliegen,
sodaß bei sehr enger Lagenfolge keine ausreichende Luftdurchströmung
gewährleistet ist. Um einen gleichmäßigen Abstand
zwischen den Schichten zu erzeugen, ist es sinnvoll, zick-zack
förmige Papier- oder in Analogie zum Katalysatormodell, Metallstreifen
zu verwenden. Ein solches Bauprinzip können die Schüler
anhand der Querschnittskizze eines Edelmetallkatalysators auf
der Kopiervorlage 3 wiedererkennen.
Modell eines Metallkatalysators
Spiralig aufgewickelter Papierstreifen
in einer Rolle (Toilettenpapier-
Innenrolle)
Die Schüler erfahren, daß ein Katalysator eine Betriebstemperatur
von 250°C bis 300°C aufweisen sollte, um wirksam zu sein, d.h.
um die angestrebten Reaktionen ablaufen lassen zu können. Hierzu
bietet sich folgender Versuch an, der unbedingt vorher erprobt
werden sollte, weil manchmal Schwierigkeiten auftauchen:
Versuch: Das „katalytische“ Feuerzeug als Autokat-Effekt
Chemikalien und Geräte:
Feuerzeug, Platinwendel (l = 15 cm, d = 0,2 mm), Streichhölzer
Durchführung:
An einem Feuerzeug wird eine Platinwendel so angebracht, daß
sie sich im Gasstrom des Feuerzeugs befindet. Nun entzündet
man das Feuerzeug und wartet, bis die Platinwendel glüht. Man
bläst jetzt die Flamme aus, läßt aber das Butangas weiter strömen.
Ergebnis:
Zunächst scheint die Reaktion erloschen, aber nach kurzer Zeit
glüht der Draht wieder.
Deutung:
Man beobachtet eine katalytische „Nachverbrennung“. Das (nicht
reagierte) Butangas wird am noch warmen Platindraht unter starker
Wärmeentwicklung zu Kohlenstoffdioxid und Wasser oxidiert.
(aus D. Büttner, S. Bär: Experimente zum Thema Katalyse; NiU-
Ch 8 (1997) Nr. 39, S.11-13)

Vollmer: KIS Köln EMITEC ( Gesellschaft für Emissionstechnologie mbH) Seite 9
Kopiervorlage 4+5
Ermittlung der spezifischen Wärmekapazität von Eisen und Porzellan
(Auswertung des Joghurtbecherversuches).
Die in der Tabelle dargestellten Ergebnisse sind von den Autorinnen
nach Durchführung der Versuche gemäß Versuchsanleitung
auf KV4 an der Universität Düsseldorf ermittelt worden.
Zugabe
Eisen oder
Porzellan
Aus den Meßpunkten ergibt sich folgende Berechnung:
Für Porzellan:
TR = 21,0 °C (Raumtemperatur)
aus Diagramm ermittelt: TW = 49,0 °C
TM = 41,4 °C
1. Q W = C W � m W � (T W -T M )
= 4,19 kJ/kgK� 0,150 kg � 7,6 K = 4,78 kJ
2. c Porzellan =
= 0,94 kJ / kgK
Exp. ermittelte spez. Wärmekapazität von Porzellan: 0,94 kJ/kgK
Literatur: 1,1 kJ/kgK (dtv-Atlas zur Physik, Bd. 1, 1987)
Für Eisen:
TR = 20,0 °C (Raumtemperatur)
aus Diagramm ermittelt: TW = 50,1 °C
TM = 45,2 °C
1. Q W = C W � m W � (T W -T M )
= 4,19 kJ/kgK� 0,150 kg � 4,9 K = 3,08 kJ
2. c Porzellan =
Q W
m Porzellan � (T M -T R )
Q W
m Porzellan � (T M -T R )
= 0,49 kJ / kgK
Zeit
[ Min.
]
Temp.
[ ° C]
Eisen
Temp.
[ ° C]
Porzel
l an
0 53, 8 52,
3
0, 5 53, 2 51,
9
1, 0 52, 7 51,
3
1, 5 52, 0 50,
7
2, 0 51, 4 50,
2
2, 5 50, 8 49,
8
3, 0 50, 4 49,
2
3, 5 45, 2 40,
9
4, 0 44, 4 41,
3
4, 5 43, 9 41,
1
5, 0 43, 5 40,
9
5, 5 43, 4 40,
7
6, 0 43, 2 40,
5
3,08 kJ
0,25 Kg � (45,2 - 20,0)
Exp. ermittelte spez. Wärmekapazität von Porzellan: 0,49 kJ/kgK
Literatur: 0,45 kJ/kgK (Schülerduden „Die Physik“, Dudenverlag, 1974)
=
=
4,78 kJ
0,25 Kg � (41,4 - 21,0)
Hintergrundinformationen
Kopiervorlage 1
Kopiervorlage 4+5
Die Schüler lernen, daß der überwiegende Teil der Schadstoffe in
der Startphase des Fahrzeuges emittiert wird. Ursache hierfür ist
die Tatsache, daß die Betriebstemperatur des Katalysators erst
einige Minuten nach dem Start des Fahrzeuges erreicht wird.
Zu den Aufgaben
Aufgabe 1
In der Phase I ist der Abgaskatalysator nahezu wirkungslos. Etwa
eine Minute nach dem Start setzt die Wirkung des Katalysators
mit zunehmender Erwärmung ein. In betriebswarmem Zustand ist
die Wirkung am größten.
Aufgabe 2
Für die motornahe Anordnung der Abgasanlage zeigen sich bessere
Emissionswerte, weil der Katalysator die erforderliche
Betriebstemperatur schneller erreicht. Sobald der betriebswarme
Zustand erreicht ist, weisen beide Anordnungen (motornah und
motorfern) vergleichbare Emissionswerte auf.
Aufgabe 3
Die Schüler sollten leicht auf die Idee kommen, daß ein vor dem
Start aufgeheizter Katalysator die besten Ergebnisse aufweisen
würde. Ein solcher elektrisch aufheizbarer Katalysator ist bei
Emitec bereits vor längerer Zeit entwickelt worden und wird in
verschiedenen Fahrzeugen bereits eingesetzt.
Aufgabe 4
Elektrofahrzeuge sind i.d.R. nicht besonders umweltfreundlich,
weil die benötigte Stromenergie letztendlich aus der Verbrennung
fossiler Brennstoffe (Kohlekraftwerke) oder aus Atomkraftwerken
stammt.
Hintergrundinformationen
Dreiwegekatalysator
Der ständig zunehmende Verkehr in den hochindustrialisierten
Ländern, aber auch mehr und mehr in den Entwicklungs- und
Schwellenländern, hat Maßnahmen für eine Schadstoffreduzierung
in den Autoabgasen unumgänglich gemacht. In den USA und in
Japan wurden schon in den 70er Jahren Katalysatoren verbindlich
vorgeschrieben. Im Jahre 1990 waren in der Bundesrepublik
Deutschland von ca. 30 Millionen Pkws erst 4,5 Millionen mit
einem Katalysator ausgerüstet.
Mit dem geregelten Dreiwegekatalysator können in den Abgasen
die Schadstoffe Kohlenwasserstoffe, Kohlenstoffmonoxid und
nitrose Gase zu Kohlenstoffdioxid, Wasserdampf und elementarem
Stickstoff umgewandelt werden. Der Name Dreiwegekatalysator
bezieht sich auf die Umwandlung dieser drei Hauptschadstoffe.
Der Katalysator besteht aus einem keramischen oder metallischen
Wabenkörper, dessen Oberfläche mit den Edelmetallen Platin,
Palladium und Rhodium belegt ist. Damit wird eine simultane
Umsetzung der Schadstoffe (Oxidation von Kohlenstoffmonoxid
sowie der Kohlenwasserstoffe und Reduktion der nitrosen Gase)
erreicht.
Inwieweit die Funktionstüchtigkeit des Katalysators über eine
Betriebsstrecke von 80.000 Kilometern erhalten bleibt, hängt im
wesentlichen davon ab, ob der Katalysator starken Erschütterungen
oder thermischen Überlastungen (Fehlzündungen) ausgesetzt
wird. Hierdurch wird seine Effektivität herabgesetzt.
Die Regelung erfolgt über die Lambda-Sonde, die den Sauerstoffgehalt
im Abgas vor dem Katalysator mißt. Sie arbeitet wie ein
Konzentrationselement. Sie mißt die Potentialdifferenz, die sich
durch den Konzentrationsunterschied des Sauerstoffs im Abgas
und in der Luft an den Elektroden einstellt. Dadurch kann eine

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Hintergrundinformationen
Kopiervorlage 1
Steuerung der Kraftstoff-Luft-Gemischbildung in einem sehr engen
Bereich erfolgen. Unter diesen Bedingungen werden hohe
Schadstoff-Umsätze im Katalysator erreicht.
Perspektiven in der Katalysatorentwicklung
Die weltweit verschärften Emissionsgesetze erfordern zunehmend
effektivere Katalysator-Konzepte. Stufenweise sollen in den nächsten
10 Jahren die Abgasgrenzwerte drastisch gesenkt werden.
Damit diese Vorgaben auch tatsächlich eingehalten werden, soll
der Verbraucher durch entsprechende steuerliche Vergünstigungen
dazu angehalten werden, möglichst schadstoffarme Autos zu
kaufen.
Erreichen lassen sich die zukünftigen Abgasvorschriften nur durch
eine wesentliche Steigerung der Effektivität des Abgasnachbehandlungssystems
insbesondere des Katalysators.
Fahrzeuge mit Katalysator stoßen den größten Teil der Schadstoffe
im sogenannten Wärmesenkenbereich aus, das ist die erste
Phase nach Starten des Motors, bevor der Katalysator seine
Betriebstemperatur von 250 - 300 °C erreicht hat. In dieser etwa
1-2 minütigen Phase werden etwa 80 % der automobilen Gesamtemission
ausgestoßen.
Um hier Verbesserungen zu erzielen, sind bereits motornahe
Katalysatorsysteme entwickelt worden, die zu einem schnelleren
Aufheizen des Katalysators führen. Die Firma EMITEC hat mit
einem elektrisch heizbaren Katalysator ein besonders wirksames
Verfahren entwickelt. In langjähriger Entwicklung ist ein serienreifes
Produkt entstanden, das den Katalysator vor dem Starten
auf Betriebstemperatur aufheizt und so Kaltstart-Emissionen deutlich
absenkt.
Das Katalysatorsystem besteht aus einem elektrisch heizbaren
Startkatalysator und einem nachgeordneten konventionellen
Metallkatalysator.
Das E-Kat-System (beheizter Katalysator) wiederum setzt aufwendige
und komplizierte Steuer- und Regelmechanismen voraus.
Es besteht aus dem elektrisch beheizten Katalysator, einer
Heizkatalysator-Steuerung (Schalter), dem Motormanagement und
der Energieversorgung. Nach Aussagen der Firma EMITEC erfüllt
der elektrisch heizbare Katalysator der jüngsten Baureihe
(Serie 6) schon heute die zukünftigen scharfen Grenzwerte.
Literatur
D. Buck: Der Autoabgaskatalysator; NiU-P/Ch 15, 34. Jahrgang, 1986, Friedrich in Seelze
D. Büttner, S. Bär: Experimente zum Thema Katalyse: NiU-Chemie 8, 39. Jahrgang, 1997, Freidrich in Seelze, S. 11-13
Zum Joghurtbecherversuch
J. Luysberg: Ausgewählte Stoffgebiete aus der Wärmelehre unter Berücksichtigung der SI-Einheiten: PdN-Physik,
Heft 2, 1974, S. 36-37
Zum Thema „Metallkatalysator“ sind verschiedene Schriften über die Gesellschaft für Emissionstechnologie zu beziehen.
Kontaktinformationen zum Unternehmen
1. Ansprechpartner
Herr Kotterba, EMITEC Gesellschaft für Emissionstechnologie mbH, Hauptstraße 150, 53797 Lohmar
Tel.: (0 22 46) 109-101, Fax: (0 22 46) 109-109, e-mail: PKotterb@emimhs.MHS.compuserve.com
2. Unterrichts- und Informationsmaterialien
Weitere Informationsmaterialien zum Unternehmen und zum Thema „Metallkatalysator“ können über die angegebene
Adresse bezogen werden.
3. Betriebsbesichtigungen und Betriebspraktika
Betriebsbesichtigungen und Betriebspraktika sind auf Anfrage möglich.
4. Ausbildungsplätze und berufliche Möglichkeiten
Das Unternehmen bildet in folgenden Berufen aus:
Industriekaufleute, Mechatroniker, Industriemechaniker Fachrichtung Maschinen- und Systemtechnik, IT-
Systemelektroniker