Vor fünf Jahren hat sich die ZEV Alliance zusammengefunden. Sie ist ein Staaten-Verbund, der den Verkehr bis spätestens 2050 klimaneutral machen will. Auch Deutschland gehört zu den ZEV Alliance-Gründungspartnern und will die Verkehrsemissionen vor allem mit E-Autos reduzieren. Ohne Unterstützung durch E-Fuels wird dies aber kaum gelingen. Schon die Produktion der synthetischen Kraftstoffe mit Grünstrom und CO2 aus Kraftwerksschloten verbessert die Klimabilanz. Auch weil Bio- und Kunststoffabfälle als Ausgangsbasis für E-Fuels genutzt werden können.

Die ambitionierten Klimaziele der ZEV Alliance sind 2050 nicht zu erreichen, wenn erneuerbare Energien ausschließlich direkt als Strom genutzt werden. Denn Grünstrom lässt sich kaum speichern, wenn er an besonders windigen oder sonnigen Tagen im Überfluss anfällt. Die Lösung sind synthetische Kraftstoffe, die sich zur zweiten Säule der Nutzung erneuerbarer Energien mausern werden.

In verschiedenen Pilotprojekten werden längst synthetische Kraftstoffe aus Abfall, Reststoffen (Holzschnitzel, Fette) oder auch Algen erzeugt. Als besonders vielversprechender Produktionspfad hat sich die Herstellung aus Wasserstoff als Basisprodukt entpuppt. Denn Wasserstoff hat den entscheidenden Vorteil, in der Natur in unendlicher Menge vorhanden zu sein, allerdings stets in gebundener Form. Aber es lässt sich klimaneutral, mittels Elektrolyse und mit regenerativem Strom herstellen. 

Wie werden E-Fuels produziert?

Idealerweise steht überschüssiger Grünstrom für die Produktion von synthetischen Kraftstoffen zur Verfügung, der verbilligt die Herstellkosten erheblich. Mit dem regenerativen Strom wird Wasser per Elektrolyse in Sauerstoff (O) und Wasserstoff (H) aufgespaltet. Im nächsten Prozessschritt reagiert dieser Wasserstoff mit dem Klimagas Kohlendioxid (CO), das zum Beispiel als Abfallprodukt aus anderen industriellen Prozessen entnommen oder aus der Umgebungsluft gefiltert werden kann. Derart produzierte Kraftstoffe werden als strombasiert bezeichnet: kurz E-Fuels oder Power-to-X genannt.

Aus den Reaktionspartnern CO2 und Wasserstoff lässt sich beispielsweise Methanol (CH3OH) synthetisieren, das in weiteren Verfahren als Basis für verschiedene Flüssigkraftstoffe dient. Benzin ist einer davon. Mit dem Methanol-to-Gasoline-Verfahren kann CH3OH direkt in Benzin (Gasoline) umgewandelt werden. Dabei wird Methanol zunächst zu Dimethylether (C2H6O) kondensiert und dann unter Abspaltung von Wasser zu einem aromatenreichen Kohlenwasserstoffgemisch umgewandelt. Benzin gehört zu dieser Gruppe der Kohlenwasserstoffgemische, ebenso wie Diesel oder Kerosin.

Eine weitere gängige Methode zur Herstellung von synthetischen Kraftstoffen ist die Fischer-Tropsch-Synthese. Wie beim Methanol-to-Gasoline-Verfahren, wird hier zunächst ein Synthesegas erzeugt, in diesem Fall das bereits angesprochene Wasserstoffgas (H2), gemischt mit Kohlenmonoxid (CO). Dieses Gemisch lässt sich in ein breites Spektrum gasförmiger und flüssiger Kohlenwasserstoffe umwandeln. Bekannt ist das Verfahren bereits seit 1925, es wurde ursprünglich zur Verflüssigung von Kohle entwickelt und basierte über Jahrzehnte auf fossilen Rohstoffen, jetzt wird es auch in verschiedenen grünen Pilotprojekten eingesetzt, um klimaneutrale Flüssigkraftstoffe herzustellen. Die Fischer-Tropsch-Synthese arbeitet bei Temperaturen von etwa 160 bis 300 C und Drücken bis zu 25 bar und erzeugt hochwertiges Benzin, Diesel und Kerosin.

Herstellung von E-Fuels

Die Herstellung von E-Fuels erfolgt bereits in kleineren Anlagen, wie hier in dem PTL-Reaktor von Sunfire in Dresden – © eFUEL-TODAY

E-Fuels verbrennen sauberer und klimaneutral

Ein weiterer vielversprechender synthetischer Kraftstoff ist Oxymethylenether (kurz: OME). Die OME-Synthese basiert ebenfalls auf Methanol, das zu Formaldehyd (CH2O) oxidiert und anschließend zu OME umgewandelt wird. Auch die OME-Herstellung läuft bislang nur in Pilotprojekten, aber das Interesse an OME wächst. Denn das Endprodukt hat gegenüber anderen Kraftstoffen den Vorteil, dass Sauerstoff direkt eingelagert ist. Dadurch entstehen bei der Verbrennung im Dieselmotor nur sehr geringe Mengen Ruß und Stickoxide (NOx), mit positiven Auswirkungen auf die Umwelt aber auch auf die Motor-Peripherie. Denn die Abgasnachbehandlung kann bei Motoren, die mit OME laufen, deutlich einfacher und damit billiger gestaltet werden.

Biomass-to-Liquid oder kurz BtL-Kraftstoffe sind eine weitere Spielart der synthetischen Kraftstoffe. Sie werden aus Biomasse, vor allem aus biogenen Rückständen, wie Klärschlämmen, Stroh oder Holzabfällen, aber auch aus Algen hergestellt. Für ihre Produktion können Vergärungs-, Vergasungs- oder Pyrolyseverfahren genutzt werden. Bei der Pyrolyse wird aus der Biomasse durch Erhitzen unter Sauerstoffausschluss eine Flüssigkeit gewonnen, die ähnlich dem fossilen Rohöl zu Kraftstoffen verarbeitet werden kann. Aus der Biomasse lassen sich aber auch Synthesegase gewinnen, die mit der Fischer-Tropsch-Synthese zu flüssigen Kraftstoffen weiterverarbeitet werden können. Das Biomasse-Synthesegas kann wahlweise biotechnologisch durch Enzyme oder Mikroorganismen zu Kohlenwasserstoffen und in der Folge zu Kraftstoff umgesetzt werden. In jedem Fall entsteht ein Kraftstoff, der klimaneutral verbrennt, weil in ihm nur so viel CO2 gebunden ist, wie die Biomasse auf der er basiert, beim Wachstum der Luft entzogen hat.

Der Bestandsflotte bieten die E-Fuels große Vorteile

E-Fuels fehlen Stickstoff- und Schwefelverbindungen sowie aromatische Kohlenwasserstoffe, die für die rohölbasierten Pendants typisch sind. Das trägt erheblich zu einem geringeren Schadstoffausstoß bei, ohne, dass technische Änderungen am Verbrennungsmotor notwendig wären. Ein weiterer zentraler Vorteil: Synthetische Kraftstoffe unterscheiden sich technisch nicht von fossilen Kraftstoffen. Sie können in Reinform oder als Beimischung, unter gewissen Voraussetzungen und in gewissen Grenzen, in allen Bestandsfahrzeugen genutzt werden und die vorhandene Fahr- und Flugzeugflotte, sowie die Schifffahrt sauberer und CO2-ärmer machen. Es gibt nur wenige Einschränkungen, beispielsweise bei OME. Es ist nicht mit allen Dichtungsmaterialien kompatibel. Angesichts der Vorteile erscheint es aber als sehr sinnvoll die Motorentechnik und Einspritztechnik der Fahrzeuge daran anzupassen.

Generell müssen die Eigenschaften von synthetischen Kraftstoffen innerhalb der Normen für Diesel, Benzin und Kerosin liegen damit keine Schäden an den Motoren in Bestandsfahrzeugen auftreten. Die Norm EN 15940 regelt, welche qualitativen Anforderungen zu erfüllen sind. Sie erleichtert es den Entwicklern Motorneuentwicklungen grundsätzlich für synthetischen Sprit auszulegen.

Das Blending oder Beimischen von E-Fuels ist ein erster Schritt

Noch gibt es keine großtechnischen Produktionsanlagen für E-Fuels und andere synthetische Kraftstoffe, einer weitgehenden Umstellung auf die umweltfreundlichen Energieträger steht also vorerst ihre geringe Verfügbarkeit im Wege. Ihre Wirkung können sie aber heute schon mit dem so genannten Blending – eFuel wird konventionellem Kraftstoff beigemischt, es entsteht ein so genannter Blend – entfalten. Die Blends haben einen Einfluss auf den CO2– und Schadstoffausstoß, auch und gerade wenn sie in der bestehenden Fahrzeugflotte zum Einsatz kommen. Deren Alter liegt in Deutschland bei durchschnittlichen elf Jahren. Jedes Auto verbraucht im Schnitt zwischen 900 und 1000 Liter Kraftstoff im Jahr. Die damit verbundenen CO2-Emissionen lassen sich mit Blends schnell und einfach senken.

E-Fuels als Beimischung in herkömmlichen Kraftstoffen kann den CO2-Ausstoß signifikant reduzieren – © eFUEL-TODAY

Beispielsweise mit dem Dieselkraftstoff R33, der auf einen regenerativen Anteil von 33% setzt. Die Bio-Komponenten bestehen aus hydriertem Pflanzenöl und Altspeiseölmethylester. Die Ansprüche der Dieselnorm DIN EN 590 werden von R33 sogar übererfüllt. Es kann daher in allen Dieselfahrzeugen uneingeschränkt verwendet werden. In einem Flottenversuch flossen mehr als zwei Millionen Liter R33 in die Kraftstofftanks normaler Diesel-Pkw, ohne, dass deren Technik angepasst werden musste. Die am Großversuch beteiligten Fahrzeuge haben insgesamt mehr als 26 Millionen Kilometer problemlos zurückgelegt und dabei mehr als 20 Prozent Treibhausgasemissionen eingespart.

Bleibt die Frage nach den Kosten. Noch sind die E-Fuels viel teurer als konventionelle Kraftstoffe, die momentanen Kosten für E-Fuels liegen bei bis zu 4,5 € pro Liter Dieseläquivalent. Der wissenschaftliche Dienst des Deutschen Bundestages geht aber davon aus, dass dieser Nachteil entfällt, wenn die Kraftstoffe mittels erneuerbaren Energien im Ausland, beispielsweise in Wüstenregionen, produziert werden. Ein Ziel von etwa 1 € pro Liter Dieseläquivalent erscheint dem wissenschaftlichen Dienst mit Importen aus Regionen, die ein hohes Angebot an regenerativer Energie bieten, erreichbar. Per Schiff oder Pipeline können die E-Fuels der Zukunft mit überschaubarem Aufwand nach Zentral-Europa exportiert werden, um hier ihren Beitrag zur Erfüllung der ZEV-Alliance-Ziele zu leisten.

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