Der Katalysator
Ein Katalysator ist ein vielseitiger Begriff, der durchaus abgegrenzt werden muss. So gibt es diesen Begriff beispielsweise in der Chemie, wo er einen Stoff bezeichnet, der die Reaktionsgeschwindigkeit einer chemischen Reaktion erhöht ohne dabei selber verbraucht zu werden. Dies geschieht normalerweise durch die Herabsetzung der Aktivierungsenergie. Das heißt, dass Katalysatoren die Möglichkeit haben, die Kinetik chemischer Reaktionen zu verändern, ohne dabei deren Thermodynamik zu verändern. Die Hin- und Rückreaktion wird dabei gleichermaßen beschleunigt und ändert in diesem Falle nichts am Gleichgewicht der Reaktion. Es gibt typische Eigenschaften dieses Katalysators, die ihn eindeutig charakterisieren. So beschleunigt er nicht nur die Reaktion und verringert die Aktivierungsmenge, sondern wirkt auch selektiv. Das heißt, dass bestimmte Reaktionen bestimmte Katalysatoren unbedingt benötigen. Nach der Reaktion liegt der Katalysator dann wieder unverändert vor. Erstmals eingesetzt wurde der Katalysator wahrscheinlich vor über 5000 Jahren von den Assyrern bei der Gärung von Alkohol. Bereits seit der Antike werden chemische Reaktionen mit Hilfe von Katalysatoren ausgeführt. Jedoch kam erst Jöns Jakob Berzelius im Jahre 1835 zu der Erkenntnis, dass eine Vielzahl der Reaktionen lediglich dann erfolgen, wenn ein bestimmter Stoff ebenfalls dabei war. Dieser Stoff sollte jedoch nicht verbraucht werden und nach der Reaktion immer noch vorliegen. Seiner Ansicht nach wurden diese Stoffe also nicht umgesetzt, lieferten aber lediglich durch ihre Anwesenheit die Energie über ihre katalytische Kraft. Daher auch die Bezeichnung „Katalysator“. Erst in der Folgezeit gelang es dann, tieferes Verständnis für die thermodynamischen Hintergründe der Katalyse zu gewinnen. Besonders Wilhelm Ostwald galt damals als einer der Vorreiter und gewann für seine Arbeiten auch den Nobelpreis in Chemie.
Der Fahrzeugkatalysator
Der Fahrzeugkatalysator kann auch kurz als Katalysator bezeichnet werden und dient der Abgasnachbehandlung von Fahrzeugen mit Verbrennungsmotoren. Durch diesen Katalysator können die Schadstoffemissionen im Abgas drastisch reduziert werden. Allgemein gesehen kann die gesamte Anlage zur Abgasnachbehandlung als Fahrzeugkatalysator bezeichnet werden. Erfinder des ersten Fahrzeugkatalysators ist der französische Ingenieur Eugene Houdry. Im Jahre 1950 machte er sich die ersten Gedanken über dieses Thema, als die Ergebnisse über Smog in Los Angeles veröffentlicht wurden. Im Jahre 1956 erhielt er das Patent für diese Erfindung. Der erste Abgaskatalysator wurde jedoch nicht eingesetzt. Erst später wurden Drei-Wege-Katalysatoren von anderen Männern entwickelt, die 1973 im Markt eingeführt wurden. In der Regel besteht dieser Katalysator aus mehreren Komponenten. Als Träger dient ein temperaturkonstanter Wabenkörper aus Keramik, der eine Vielzahl dünnwandiger Kanäle aufweist. Spezielle Matten oder ein zusätzliches Metallgehäuse sind bei den Metall-Katalysatoren in der Regel nicht notwendig.
Selbstverständlich gibt es auch verschiedene Arten von Katalysatoren, so beispielsweise den Drei-Wege-Katalysator, den ungeregelten Katalysator und den Oxidationskatalysator (Dieselmotor, Zweitakt-Ottomotor). Am Fahrzeugkatalysator wird jedoch durchaus auch Kritik geübt, die man sich zu Herzen nehmen sollte. So stehen da besonders die verursachten Emissionen von Platinaerosolen, die Freisetzung von Schwefeltrioxid, Schwefelwasserstoff und Cyanwasserstoff sowie die in für Katalysatoren notwendigen bleifreiem Benzin beigemischten Antiklopfmittel und Benzol. In Teilen der USA war der Katalysator seit 1974, damals noch ungeregelt, vorgeschrieben. In Europa galt die Schweiz als Vorreiter im Alleingang und schrieb ab 1986 Katalysatoren für alle Neuwagen vor. Andere Länder, wie beispielsweise Österreich oder Schweden zogen dann sehr schnell nach. Erst Ende 1984 beschloss dann auch Deutschland, den Einbau von Katalysatoren in Neufahrzeugen ab 1989 zur Auflage zu machen. Durch diverse steuerliche Anreize konnte der Einsatz von Katalysatoren deutlich beschleunigt werden.
Erfüllung heutiger Abgasgrenzwerte
Durch eine drastische Verkürzung der Kaltlaufphase, konnten die Emissionen der Fahrzeuge erheblich gesenkt werden. Jedoch musste in diesem Fall nun erst einmal herausgefunden werden, wie denn diese Kaltlaufphase verkürzt werden kann. Folgende Möglichkeiten sind dabei offenbart worden: eine möglichst motornahe Katalysatormontage konnte beispielsweise helfen. So hilft eine Montage direkt hinter dem Abgaskrümmer dabei, erfordert jedoch sehr wärmebeständige Werkstoffe sowie eine sehr gute Anströmung des Katalysators. Auch die Lufteinblasung vor dem Katalysator kann dazu führen, dass die Kaltstartphase erheblich verkürzt wird. So kann durch eine exotherme Reaktion der Katalysator schneller aufgeheizt werden. Eine exotherme Reaktion entsteht beispielsweise dadurch, dass die restlichen Kraftstoffanteile nachverbrannt werden. Doppelwandige Abgasrohre sind eine weitere Variante. So können sich die heißen Abgase nicht zu schnell abkühlen. Zu guter Letzt wäre noch die Möglichkeit eines elektrisch beheizbaren Katalysators sowie einer Spätzündung genannt. Bei den meisten Serienfahrzeugen, also zirka 60%, hat sich die motornahe Katalysatoranordnung sehr stark durchgesetzt. Schließlich handelt es sich hierbei um die kostengünstigste Variante und gleichzeitig auch noch um eine sehr Kraftstoff sparende Methode. Hat man ein älteres Fahrzeug und sucht nunmehr eine Nachrüstlösung, bietet sich der sogenannte Aufrüstungskat an. Hier erzielt man zum einen den Effekt, eine bessere Umweltverträglichkeit vorweisen zu können, die sowohl in der Kaltlaufphase als auch im warmen Betriebszustand vorhanden ist. Dies ist ein starker Gegensatz zum Kaltlaufregler. Auch eine Einstufung in eine bessere Schadstoffklasse ist damit in der Regel verbunden. Eine teils deutliche Ersparnis bei der Kfz-Steuer ist damit ebenfalls einhergehend. Es können sich also zahlreiche Vorteile bieten, die dem Autofahrer zugute kommen, wenn man den Schritt der Aufrüstung geht und etwas für die Umwelt tun möchte.