AdBlue

Ein Pkw-Hersteller nutzt die Marke an einem Tankeinfüllstutzen.

Lizenzfreies Produkt Diesel exhaust fluid (DEF) aus dem nordamerikanischen Markt

AdBlue ist eine Marke für Produkte und Dienstleistungen in Bezug auf Abgasnachbehandlung bei Dieselmotoren mittels selektiver katalytischer Reduktion (SCR). Diese Abgasnachbehandlung ermöglicht eine Reduktion der ausgestoßenen Stickoxide (NO_x) um bis zu 97 Prozent. Die hierfür u. a. notwendige wässrige Harnstofflösung ist in ISO 22241 als AUS 32 genormt.

Die Marke gehört dem deutschen Verband der Automobilindustrie (VDA) und kann von Unternehmen zur Herstellung entsprechender Produkte lizenziert werden.

Zur technischen Wirkungsweise der Abgasnachbehandlung siehe SCR für den Einsatz in Fahrzeugen und Schiffen

Lizenzbedingungen

Der Markeninhaber beschreibt seine Vergaberichtlinien wie folgt: Vorlage:Zitat Die aktuellen Lizenzbedingungen können beim Inhaber angefragt werden. Zur Einführung 2009 wurden die Lizenz- und Zertifizierungskosten exemplarisch für einen Hersteller der Harnstofflösung genannt.

Die der Marke zugrunde liegende ISO-Norm standardisiert und benennt die wässrige Lösung dabei international mit AUS 32 für aqueous urea solution. Die Norm beschreibt weiterhin notwendige Test- und Qualitätssicherungsverfahren, sowie Lager- und Logistikanforderungen. Der Verband lizenziert die Marke nur in Verbindung mit umfangreichen Auditierungsmaßnahmen, die vom jeweiligen Lizenznehmer zu tragen sind.

Lizenznehmer

Die Marke wird weltweit von Industriebetrieben lizenziert, die sie für Benennung und Qualifizierung der Harnstofflösung nutzen. Die Anzahl an Lizenznehmern wuchs von 124 im Oktober 2014 auf 177 im Mai 2018.

Spezifikationen

AdBlue besteht aus einem Gemisch von demineralisiertem Wasser und ca. 32 % Harnstoff. Die Flüssigkeit besitzt folgende physikalische Eigenschaften:

Eigenschaft	Wert	Einheit
Harnstoffgehalt	31,8–33,2	Gew.-%
Kristallisationsbeginn	−11,5	°C
Brechungsindex	1,3817–1,3843	–
Wärmeleitfähigkeit	0,57	W/(m·K)
Spezifische Wärmekapazität	3,51	J/(g·K)
Schmelzenthalpie	270	J/g
Dichte bei 20 °C	1,087–1,093	g/cm³
Dynamische Viskosität	1,4	mPa·s

Das Mischverhältnis ist nahe am eutektischen Punkt. Dies ermöglicht den niedrigsten möglichen Schmelzpunkt, und die Konzentration in flüssiger oder fester Phase ändert sich nicht nennenswert, wenn Teile der Lösung einfrieren.

Herstellungsprozess

Vorlage:Hauptartikel Harnstoff (CH₄N₂O) wird in der chemischen Industrie großtechnisch aus Ammoniak (NH₃) und Kohlendioxid (CO₂) hergestellt. Ammoniak wird dazu mittels elektrischer Energie (85 bis 160 kWh pro t) aus Stickstoff (N₂) und Wasserstoff (H₂) hergestellt (Haber-Bosch-Verfahren). Der benötigte Wasserstoff wird wiederum fast ausschließlich aus – überwiegend fossilem – Methan (CH₄) hergestellt.

Durch hohe Gaspreise stieg der Preis des Additivs von vormals 13 €/100 l auf 76 €/100 l im ersten Quartal 2022.

Chemische Reaktionen der Abgasnachbehandlung

AdBlue wird zur Reduktion von Stickoxiden zu Stickstoff und Wasser in die Abgase eingebracht. Dazu ist eine Abgastemperatur von mindestens 180 °C erforderlich. Dabei entsteht Ammoniak, der anschließend verbraucht wird, sowie Kohlenstoffdioxid:

$\mathrm{(}\mathrm{N}{\mathrm{H}}_{\mathrm{2}}{\mathrm{)}}_{\mathrm{2}}\mathrm{C}\mathrm{O}\mathrm{⟶}\mathrm{N}{\mathrm{H}}_{\mathrm{3}}\mathrm{+}\mathrm{H}\mathrm{N}\mathrm{C}\mathrm{O}$

$\mathrm{H}\mathrm{N}\mathrm{C}\mathrm{O}\mathrm{+}{\mathrm{H}}_{\mathrm{2}}\mathrm{O}\mathrm{⟶}\mathrm{N}{\mathrm{H}}_{\mathrm{3}}\mathrm{+}\mathrm{C}{\mathrm{O}}_{\mathrm{2}}$

Setzt man die Atommassen N=14u, H=1u, C=12u und O=16u in die Summenformeln von Harnstoff und Wasser ein, ergeben sich Molekülmassen von 60u für $\mathrm{(}\mathrm{N}{\mathrm{H}}_{\mathrm{2}}{\mathrm{)}}_{\mathrm{2}}\mathrm{C}\mathrm{O}$ und 18u für ${\mathrm{H}}_{\mathrm{2}}\mathrm{O}$. Um das Massenverhältnis von 32,5 % zu 67,5 % zu erhalten, muss 1 mol Harnstoff in 6,92 mol Wasser gelöst sein. Bei den chemischen Reaktionen wird dabei 1 mol Harnstoff und 1 mol Wasser umgesetzt, d. h. 5,92 mol Wasser bleiben erhalten. Man erhält dann 2 mol Ammoniak, also 34 g, aus 1 mol Harnstoff und 6,92 mol Wasser, d. h. aus 184,6 g AdBlue. Damit erhält man etwa 184 mg Ammoniak aus 1 g AdBlue. Mit einer Dichte von 1,09 g/cm³ erhält man 0,2 g Ammoniak aus 1 ml AdBlue.

Dann reagiert Ammoniak mit Stickoxiden. Dabei finden folgende Reaktionen statt:

(1) $\mathrm{N}\mathrm{O}\mathrm{+}\mathrm{2}\mathrm{N}{\mathrm{H}}_{\mathrm{3}}\mathrm{+}\mathrm{N}{\mathrm{O}}_{\mathrm{2}}\mathrm{⟶}\mathrm{2}{\mathrm{N}}_{\mathrm{2}}\mathrm{+}\mathrm{3}{\mathrm{H}}_{\mathrm{2}}\mathrm{O}$

(2) $\mathrm{4}\mathrm{N}\mathrm{O}\mathrm{+}\mathrm{4}\mathrm{N}{\mathrm{H}}_{\mathrm{3}}\mathrm{+}{\mathrm{O}}_{\mathrm{2}}\mathrm{⟶}\mathrm{4}{\mathrm{N}}_{\mathrm{2}}\mathrm{+}\mathrm{6}{\mathrm{H}}_{\mathrm{2}}\mathrm{0}$

Zunächst findet die Fast SCR-Reaktion (1) statt. Ist dann noch Stickstoffmonoxid vorhanden, findet die Standard SCR (2) statt. Die Standard SCR benötigt jedoch höhere Temperaturen als die Fast SCR. Bei niedrigen Katalysatortemperaturen von 200 °C benötigen Vanadium-basierte SCR-Katalysatoren ein $\mathrm{N}{\mathrm{O}}_{\mathrm{2}}\mathrm{:}\mathrm{N}{\mathrm{O}}_{\mathrm{x}}$-Verhältnis nahe 0,5:1, während Kupfer-Zeolith-Katalysatoren schon mit einem $\mathrm{N}{\mathrm{O}}_{\mathrm{2}}\mathrm{:}\mathrm{N}{\mathrm{O}}_{\mathrm{x}}$-Wert von 0,2 Umwandlungsraten über 90 % erreichen können, vor allem, weil in Kupfer-Zeolith-Katalysatoren ein Teil des Stickstoffmonoxid zu Stickstoffdioxid oxidiert wird, so dass auch bei niedrigen Werten für $\mathrm{N}{\mathrm{O}}_{\mathrm{2}}\mathrm{:}\mathrm{N}{\mathrm{O}}_{\mathrm{x}}$ am Eingang des Katalysators die Reaktion (1) stattfinden kann.

Folgende Reaktion ist eine SCR-Reaktion und daher möglich, sie ist aber unerwünscht:

(3) $\mathrm{8}\mathrm{N}{\mathrm{H}}_{\mathrm{3}}\mathrm{+}\mathrm{6}\mathrm{N}{\mathrm{O}}_{\mathrm{2}}\mathrm{⟶}\mathrm{7}{\mathrm{N}}_{\mathrm{2}}\mathrm{+}\mathrm{1}\mathrm{2}{\mathrm{H}}_{\mathrm{2}}\mathrm{O}$

Reaktion (3) findet nur statt, wenn es einen Überschuss an Stickstoffdioxid gibt. Gibt es diesen Überschuss, dann finden weitere Reaktionen statt, die vor allem bei Temperaturen unter 200 °C Ammoniumnitrat und Distickstoffmonoxid bilden können. Bei Vanadium-basierten SCR-Katalysatoren verläuft Reaktion (3) noch langsamer als die Standard SCR. Bei anderen Katalysatortypen verläuft (3) zwar schneller, die unerwünschte Bildung von Ammoniumnitrat und Distickstoffmonoxid tritt aber auch auf.

Verbrauch

AdBlue-Tank eines Lkw

Die Verordnung 692/2008 schreibt vor, dass bei Stickoxidemissionen von Fahrzeugen das $\mathrm{N}{\mathrm{O}}_{\mathrm{2}}$-Äquivalent betrachtet wird, d. h. Stickstoffmonoxid wird mit der molaren Masse von Stickstoffdioxid angenommen.

In den Reaktionen (1) und (2) wird jeweils 1 Mol Ammoniak pro 1 Mol Stickoxide benötigt. Da das $\mathrm{N}{\mathrm{O}}_{\mathrm{2}}$-Äquivalent betrachtet wird, spielt die Unterscheidung zwischen Stickstoffmonoxid und Stickstoffdioxid hier keine Rolle. Mit einer molaren Masse von 46 g/mol für Stickstoffdioxid ergibt sich, dass 46 g Stickoxide mittels 17 g Ammoniak reduziert werden. Da 85 ml AdBlue benötigt werden, um 17 g Ammoniak zu gewinnen, werden 85 ml AdBlue für 46 g Stickoxide benötigt, d. h. 1 l AdBlue genügt zur Reduktion von 540 g Stickoxiden. Würde man nicht mit dem $\mathrm{N}{\mathrm{O}}_{\mathrm{2}}$-Äquivalent rechnen, sondern die reine Masse von Stickstoffmonoxid und Stickstoffdioxid rechnen, würde die Reaktion (1) etwa 450 g Stickoxide reduzieren. In praktischen Anwendungen, die mehr als 80 % Umwandlungsrate erfordern, wird typischerweise mit 1,05 bis 1,10 mol Ammoniak pro 1 mol Stickoxide gearbeitet, so dass 1,05 bis 1,10 l AdBlue pro 540 g Stickoxide notwendig werden.

Das Umweltbundesamt gibt für Diesel-PKW der Abgasnorm Euro 5 einen Flottendurchschnitt von 950 mg NO_x/km an, d. h. 770 mg NO_x/km über dem Grenzwert von 180 mg/km. Mit einem AdBlue-Bedarf von 1 Liter pro 540 g Stickoxide hätten solche Fahrzeuge im Flottendurchschnitt 1,4 l/1000 km verbrauchen müssen, wenn sie ein AdBlue-System gehabt hätten. Dieser Wert bezieht sich auf die bestehende Fahrzeugflotte inklusive der Abschalteinrichtungen in der Abgasrückführung. Bereits eine besser konstruierte, wirksamere Abgasrückführung würde die Menge entstehender, und damit zu reduzierender, Stickoxide senken. Damit würde auch der AdBlue-Bedarf weiter sinken.

Scania hatte 2014 einen Wert von 6 % des Kraftstoffverbrauchs für seine Euro VI-Motoren ohne Abgasrückführung, und 3 % für seine Euro VI-Motoren mit Abgasrückführung veröffentlicht, und somit klargestellt, dass die genaue Konstruktion des Motors einen erheblichen Einfluss auf den AdBlue-Verbrauch hat. Für PKW geben einige Quellen wesentlich höhere Werte an, zum Beispiel 4 % bis 6 % des Kraftstoffverbrauchs, oder 5 bis 8 Prozent des Kraftstoffverbrauchs, oder im Extremfall bis zu 8,5 Liter pro 1000 Kilometer. Anhand der chemischen Reaktionen sind solche Abschätzungen für den langfristigen Verbrauch jedoch nicht nachvollziehbar, denn 5 bis 8 % wären bei einem Kraftstoffverbrauch von 6 l/100 km bereits 3 bis 4,8 l/1000 km, was einem durchschnittlichen $\mathrm{N}{\mathrm{O}}_{\mathrm{2}}$-Äquivalent von 1,5 bis 2,6 g NO_x/km entspräche.

Wiederum andere Quellen nennen für Euro 5 - Fahrzeuge bei Vollgas auf der Autobahn, basierend auf dem ADAC EcoTest, Werte von 2 g NO_x/km, was einen Verbrauch von 4 l/1000 km bei Vollgas bedeuten würde.

Im Jahr 2018 hat Bosch für einen prototypisch veränderten VW Golf, der den Euro-6-Grenzwert von 80 mg NOx/km im Realbetrieb deutlich unterschritten hat, je nach Fahrweise einen AdBlue-Verbrauch von 0,5 bis 1,8 l/1000 km angegeben. Bei Wohnmobilen der Abgasnorm Euro 6d-TEMP machen Hersteller teils gar keine Angaben, oder geben eine sehr große Spanne an, wie z. B. 1 bis 5 Prozent des Kraftstoffverbrauchs bei Ford.

Identifikation

Abfrage des Sensors für Harnstoffkonzentration

Die Ausbreitungsgeschwindigkeit von Ultraschall in wässrigen Harnstofflösungen hängt von der Harnstoffkonzentration ab. Basierend auf dieser Grundlage ist es möglich, die Harnstoffkonzentration mittels Ultraschall so genau zu messen, dass nicht nur eine Fehlbetankung zum Beispiel mit Wasser („ungenügende AdBlue-Qualität“ im rechtlichen Sinne) erkannt werden kann, sondern dass die Dosierung an die tatsächliche Harnstoffkonzentration angepasst werden kann.

Kartellvorwürfe

In einem Kartell hatten sich Volkswagen, Daimler und BMW über die Größe der Tanks für die Harnstofflösung verständigt. Daimler und VW hatten sich selbst angezeigt und hofften auf die Kronzeugenregelung.

In diesem Zusammenhang wurde behauptet, dass damit die Abgasreinigung nur kompromittiert möglich war. Allerdings hat das Volumen des AdBlue-Tanks an sich keinen direkten Einfluss auf die Funktion der Abgasreinigung. Die Darstellung, dass die Abgasreinigung durch kleinere Tanks beeinträchtigt werde, ist nur haltbar, wenn man annimmt, dass es Fahrern nicht möglich ist, AdBlue bei Bedarf nachzufüllen, obwohl der Einfüllstutzen, wie im Bild oben, direkt neben den Diesel-Einfüllstützen konstruiert werden kann und obwohl AdBlue ausreichend verfügbar ist.

Die Europäische Kommission meint in einer Pressemitteilung vom 8. Juli 2021, dass die Geldbußen in Höhe von 875 Mio. EUR gegen Daimler, BMW, Volkswagen, Audi und Porsche (Daimler genoss jedoch die Kronzeugenregelung) dadurch gerechtfertigt seien, dass die Unternehmen im Rahmen mehrerer Fachkonferenzen unter anderem beschlossen hätten, nicht untereinander einen Wettbewerb darum auszutragen, die gesetzlichen Forderungen nach NO_x-Reduzierung im Abgas überzuerfüllen, obwohl sie die Technologie dazu besaßen. In den Treffen über fünf Jahre (2009 bis 2014) sei es darum gegangen, Verbrauchsrichtlinien und Nachfüll-Reichweiten zu vereinbaren.

Zapfsäulen

Diesel-PKW an einer AdBlue-Zapfsäule

Es gibt verschiedene Zapfsäulen für PKW und LKW. Ende 2020 verfügten in Deutschland 932 von ca. 14 000 öffentlichen Tankstellen über AdBlue-Zapfsäulen für Pkw. Einige PKW werden heute so konstruiert, dass eine Betankung mit AdBlue auch an LKW-Zapfsäulen technisch möglich ist.

Rechtliches

Es gibt gesonderte Vorschriften für Fahrzeuge, die ein Abgasnachbehandlungssystem, das ein zusätzliches Reagens benötigt, verwenden. Die Vorschriften sind dabei so formuliert, dass kein bestimmtes Reagens vorgegeben wird. Für PKW finden sich diese Vorschriften in der Verordnung 692/2008, Anhang XVI, bzw. ab 2022 in der Verordnung 2017/1151 Anhang XVI. Für LKW der Euro VI-Norm gilt die Verordnung 595/2009. Für nicht für den Straßenverkehr bestimmte mobile Maschinen und Geräte befinden sich die entsprechenden Vorschriften in der 2017/654. Weitere Vorschriften finden sich in den UN/ECE-Regelungen 49 (für Nutzfahrzeuge) und 83 (für PKW).

Am Beispiel PKW wird unter anderem folgendes im Anhang XVI der 692/2008 geregelt:

• 4. bis 6.: Das Fahrzeug muss entweder AdBlue-Qualität und AdBlue-Verbrauch überwachen oder aber die NOx-Emissionen direkt messen, um die korrekte Funktion des Systems zu überwachen
• 8.: Wie sich das Fahrzeug verhalten muss, wenn das Abgasnachbehandlungssystem nicht korrekt funktioniert, z. B. weil der AdBlue-Tank leer oder falsch befüllt ist
• 9.3: Der Fahrzeughersteller muss Neufahrzeugkunden darüber informieren, ob sie AdBlue selbst zwischen den Wartungsintervallen nachfüllen müssen
• 10: Gefrorenes AdBlue muss innerhalb von 20 Minuten zur Verfügung stehen, wenn die Temperatur im Inneren des Tanks bei −15 °C liegt und das Fahrzeug bei −15 °C gestartet wird.

Die UN/ECE-Regelungen 49 (Anhang 11, Punkt 5.2) und 83 (Anlage 6, Punkt 8.1.1) erlauben es dem Fahrzeughersteller, bei Fahrzeugen für Rettungsdienste, Streitkräfte, den Katastrophenschutz, Feuerwehren und die für die Aufrechterhaltung der öffentlichen Ordnung zuständigen Kräfte das sog. Aufforderungssystem von Fahrzeugen mit AdBlue-System dauerhaft zu deaktivieren. Das Aufforderungssystem ist dasjenige System, das sicherstellt, dass ein Betrieb mit leerem AdBlue-Tank oder defektem AdBlue-System nicht möglich ist.

Weblinks

• Fachempfehlung des Deutschen Feuerwehrverbandes zum Umgang mit AdBlue vom 4. Juli 2019