Klimaneutrale Kraft- und Brennstoffe – E-Fuels

E-Fuels sind synthetische Kraftstoffe, welche aus Wasser und Kohlenstoffdioxid (CO2) unter Einsatz von elektrischem Strom hergestellt werden. Dieser Prozess wird auch als “Power-to-Fuel” (deutsch: “Strom-zu-Treibstoff“) bezeichnet. Sollte der für den Syntheseprozess notwendige Strom aus erneuerbaren Quellen, wie z.B. Photovoltaik, Windkraft oder Biomasse, stammen, können bisherige Verbrennungsmotoren klimaneutral betrieben werden.

Herstellung

Aus sogenanntem Synthesegas (Kohlenstoffmonoxid und Wasserstoff) können flüssige Kraft- und Brennstoffe synthetisch hergestellt werden. Die Produkteigenschaften können hierbei in weiten Bereichen gesteuert und so „maßgeschneiderte“ Produkte erzeugt werden. Dabei gehören die Syntheseprozesse (z. B. Methanolsynthese, Fischer-Tropsch-Synthese) weitgehend zum aktuellen Stand der Technik. Die Herausforderung besteht in der Herstellung bzw. Bereitstellung des Synthesegases, wobei in Abhängigkeit der Rohstoffe unterschiedliche Technologien zum Einsatz kommen (müssen). Unterschieden werden die nachhaltigen Prozessketten in Biomass-to-Liquid-Prozesse („BtL“) mit beliebiger Biomasse als Kohlenstoff- und Wasserstoffquelle und Power-to-Liquid-Prozesse („PtL“) auf der Basis von elektrolytisch erzeugtem Wasserstoff und Kohlendioxid.

Die PtL-Technologie besteht aus mehreren Hauptverfahrensschritten wobei diese bis auf die Elektrolyse und die CO2-Abscheidung aus Luft für sich genommen technologisch ausgereift sind. Die Elektrolyse zur Gewinnung von Wasserstoff und Sauerstoff aus elektrischer Energie und Wasser ist technologisch verfügbar, wird jedoch noch nicht in sehr großem Maßstab betrieben. Forschungsbedarf besteht hier in Richtung einer gut skalierbaren Technik, die sowohl im dynamischen Lastbetrieb arbeiten kann, als auch den Wasserstoff unter erhöhtem Druck erzeugt. Ein weiteres Forschungsfeld im Rahmen der PtL-Technologie ist die direkte Nutzung von CO2 anstelle von CO in den weiterführenden Synthesen. Dadurch könnte der Prozessschritt der Wassergas-Shift-Reaktion entfallen.

Ausgehend von Synthesegas lassen sich flüssige Kraft- und Brennstoffe sowohl über die Fischer-Tropsch-Synthese (FT-Synthese) als auch die Methanolsynthese herstellen. Beide Verfahren sind ausgereift und werden seit Jahrzehnten großtechnisch eingesetzt. Benzin, welches mittels Fischer-Tropsch hergestellt wird besitzt zunächst schlechte Klopfeigenschaften und eine nur geringe Lagerstabilität. Mit Hilfe zusätzlicher Veredelungsschritte kann es jedoch in einen hochwertigen Ottokraftstoff überführt werden. Ein Beispiel hierfür ist Südafrika, wo ein großer Teil des Benzins durch FT-Synthese gewonnen wird.
Für die Erzeugung von Kerosin, Diesel und Heizöl wird die sog. Niedertemperatur-Synthese an Cobalt-Katalysatoren bevorzugt. Dieselkraftstoff und Heizöl EL aus PtL/BtL-Prozessen besitzen die  gleichen Vorzüge (hohe Cetan-Zahl, gute Lagerstabilität, geringere Emissionen) und Nachteile (Abquellen von Dichtungen, für einige Flammwächter nicht wahrnehmbares Flammbild) wie Erzeugnisse aus fossilem Rohöl.

Vorteile

Ein großer Vorteil solch flüssiger und klimaneutraler Energieträger besteht darin, dass die bestehende Infrastruktur bestehen beleiben kann, ohne große Änderungen notwendig zu machen. Mit synthetischem E-Diesel können Diesel-Fahrzeuge CO2-neutral betrieben werden, Flugzeuge mit E-Kerosin fliegen oder Haus-Eigentümer ihre Ölheizung mit E-Heizöl betreiben.

Auch ist hiermit die Lagerung bzw. Speicherung klimaneutral erzeugter Energie möglich, um zum Beispiel für Perioden vorzusorgen in denen kein “grüner” Srom erzeugt werden kann (z.B. Winter für Photovoltaik oder Windstille für Windenergie).

Des Weiteren können während der Synthese die Kraftstoffe so angepasst werden, dass auch andere Schadstoffe wie z.B. Stickoxide minimiert bzw. vollständig vermieden werden können.

Nachteile

Allerdings müssen auch derzeit noch bestehende Nachteile in Betracht gezogen werden. Die größte Herausfoderung besteht in der Bereitstellung von klimaneutralen Kraftstoffen in den benötigten Mengen. Die bisherigen Anlagen zur Erzeugung dienen zur Zeit noch der Forschung und Erprobung der benötigten Technologien und stehen noch nicht in den erforderlichen Größen zur Verfügung. Hier gehen Unternehmen und Forscher jedoch davon aus, dass sich dies in den nächsten 10 Jahren ändern wird. So sind die Kosten für einen Liter Kraftstoff derzeit noch sehr hoch. Sollten die Mengen erhöht werden, werden die Kosten entsprechend sinken.

Auch die Bereitstellung der benötigten Energie stellt ein Problem dar. Die Syntheseprozesse sind sehr energieaufwendig und müssen Strom aus erneuerbaren Energiequellen nutzten, um wirklich klimaneutrale Kraftstoffe herstellen zu können. In Deutschland wären große Investitionen in den Ausbau der Windenergie notwendig. Oder man verlagert die Herstellung in Länder mit höherer Ausnutzung von z.B. Photovoltaik.

Eine weitere Problematik besteht darin, dass die so erzeugten Krafstoffe derzeit einen geringeren Wirkungsgrad haben als bei Elektromotoren. Hier gehen Forscher aber davon aus, dass dieser in Zukunft noch gesteigert werden kann.

 

Weitere Informationen finden Sie auf der Seite www.zukunftsheizen.de, oder in den unten aufgeführten aktuellen Studien zur Thematik:

Prognos-Studie zu
E-Fuels

Perspektiven synthetischer
Kraft- und Brennstoffe

IWO Klima-Studie
2019

Wind- und Wärme
Modellregion F.-W.-Lübke-Koog

Studie zu THG-reduzierten Kraft- und Brennstoffen