Synthetische Kraftstoffe – Energieträger der Zukunft?

6.9.2019

Synthetische Kraftstoffe – E-Fuels – Power-to-X: Alternative Kraftstoffe gibt es viele in der Forschung. Sind sich auch praxistauglich? Die wichtigsten Fragen und Antworten.

E fuels sunfire Tankstelle
Die Industrie ist auf der Suche nach neuen Kraftstoffen
  • Synthetische Kraftstoffe sind weiter im Forschungsstadium
  • Ihre Effizienz ist umstritten 
  • Bundesregierung legt Förderprogramm auf

 

Benzin, Diesel, Elektro, Wasserstoff, synthetischer Sprit: Womit werden unsere Autos in Zukunft fahren? Eine Frage, die im Zusammenhang mit den aktuellen Klimaschutzzielen viele beschäftigt und jetzt das Bundesumweltministerium veranlasst hat, ein Programm für die Entwicklung von strombasierten Brennstoffen (Power-to-X) zu fördern. In der Energieregion Lausitz soll ein Kompetenzzentrum zur Erforschung der PtX-Technologie aufgebaut werden.


Warum werden synthetische Kraftstoffe entwickelt?

Mit dem Pariser Klimaabkommen hat sich die Weltgemeinschaft auf Klimaschutzziele verständigt, die weitreichende Folgen haben: Fossile Energie soll durch regenerative ersetzt werden. Das bedeutet:  Schiffe dürfen nicht mehr mit Schweröl fahren, Flugzeuge nicht mehr mit Kerosin fliegen und Fahrzeuge mit Verbrennungsmotoren sollen Elektroautos weichen. Zielpunkt ist das Jahr 2050. Was aber, wenn es morgen einen Kraftstoff gäbe, der sauber verbrennt, bezahlbar und klimaneutral hergestellt wird? Könnte man damit weiter konventionell Auto fahren, ohne die Luft zu verpesten? Um das zu klären, versuchen Forscher seit vielen Jahren, die unterschiedlichsten synthetischen Kraftstoffe zu entwickeln. 


Woraus werden synthetische Kraftstoffe gemacht?

Zunächst hatten Forscher untersucht, ob sich aus nachwachsenden Rohstoffen wie Mais, Raps, Weizen und Palmöl Kraftstoffe für Otto- und Dieselmotoren erzeugen lassen. Doch schnell zeigte sich, dass hier erhebliche Umweltprobleme folgen. So wurden und werden in Asien und Südamerika Urwälder für Palmölplantagen gerodet. Zwar in erster Linie für Kosmetik und Lebensmittel, aber eben auch für Kraftstoffbeimischungen. 

Nach wenig erfolgsversprechenden Versuchen mit Abfall, Reststoffen oder auch Algen arbeiten Experten nun mit synthetischen Kraftstoffen, die auf Wasserstoff als Grundprodukt setzen. Denn Wasserstoff hat den entscheidenden Vorteil, in der Natur nahezu unendlich vorhanden zu sein und außerdem klimaneutral hergestellt werden zu können. Und da Wasserstoff per Elektrolyse von Wasser mithilfe von regenerativem Strom freigesetzt wird, reden Wissenschaftler hier von "strombasierten Kraftstoffen" bzw. von E-Fuels oder Power-to-X.

Was sind die Vorteile von E-Fuels?

Zoom-In
E fuels sunfire
So klar wie Wasser: Synthetischer Kraftstoff

Wasserstoff und alle auf Wasserstoff basierenden E-Fuels können praktisch ohne Mengenbegrenzung hergestellt werden und im Vergleich zu herkömmlichem Benzin und Diesel recht sauber verbrennen. Idealerweise wären sie auch in den Bestandsfahrzeugen, also Benzin- und Diesel-Pkw einsetzbar.

Damit keine Schäden an den Motoren auftreten, müssten sie für Diesel die Norm DIN EN 590 und für Benzin die Norm DIN EN 228 erfüllen und könnten problemlos über das bestehende Tankstellennetz vertrieben werden. Deshalb sollten Motoren in Neufahrzeugen auch schon grundsätzlich für synthetischen Sprit ausgelegt werden. 


Wie werden E-Fuels hergestellt?

Zunächst braucht man regenerativen Strom – am besten überschüssigen Wind- oder Solarstrom, den das Netz nicht aufnehmen kann. Damit wird Wasser per Elektrolyse in Sauerstoff (O2) und Wasserstoff (H2) gespalten – das ergibt als ersten Grundstoff Wasserstoff. Im zweiten Arbeitsschritt wird dieser Wasserstoff mit Kohlendioxid (CO2) verbunden, das zum Beispiel als Abfallprodukt aus anderen industriellen Prozessen abfällt oder aus der Umgebungsluft extrahiert wird.

Mögliche Endprodukte sind synthetischer Diesel, synthetisches Benzin und synthetisches Gas. Die Herstellung erfolgt derzeit noch in geringen Mengen, etwa in Forschungs- und Pilotprojekten. Die bekannteste Anlage steht im norddeutschen Werlte, wo Audi mit Industriepartnern klimaneutrales, synthetisches E-Gas produziert. Dieses wird in das normale Erdgasnetz eingespeist und mit den Mengen verrechnet, die Kunden von Audi bzw. vom VW-Konzern tanken. Strombasiertes Benzin und strombasierter Diesel werden noch nicht in den Verkehr gebracht


Wie effizient sind E-Fuels?

Aufgrund der zahlreichen einzelnen Schritte fallen bei der Herstellung von E-Fuels hohe Wirkungsverluste an. Von der im Prozess eingesetzten Energie bleiben in der "Well-to-Wheel"-Betrachtung am Ende nur 10 bis 15 Prozent übrig. Zum Vergleich: Im Elektroauto kommen 70 bis 80 Prozent der Ausgangs-Energie am Rad an. Und deshalb stellt sich natürlich die Frage nach der Sinnhaftigkeit, die wohl nur beim Einsatz von zusätzlich erzeugtem regenerativen Strom positiv zu beantworten ist.

Auch ein Thema: Die Erzeugung erneuerbaren Stroms ist stark schwankend und unabhängig von der Nachfrage, sodass erhebliche Kapazitäten zur Speicherung von Strom notwendig sind. Diskutiert wird in diesem Zusammenhang auch die Frage, ob Wasserstoff die optimale Speichertechnologie bietet. Natürlich könnte man Wasserstoff  in Reinform auch als direkten Kraftstoff in Verbrennungsmotoren verwenden. BMW zum Beispiel hat bereits einen Wasserstoff-Verbrennungsmotor im 7er-BMW zur Serienreife entwickelt, das Projekt wegen Speicherproblemen im Auto aber wieder eingestellt.

Was würde synthetischer Sprit kosten?

Zoom-In
E fuels sunfire
Wasserstoff-Elektrolyse: Ausgangspunkt muss grüner Strom sein

Stand heute wären für einen Liter synthetischer Kraftstoff 4,50 Euro in der Herstellung fällig. Optimistische Prognosen wie die des Wuppertal Instituts gehen davon aus, dass im Jahr 2030 ein Preis von 2,29 Euro inkl. Steuern möglich wäre. Klar ist: Trotz des generell gewachsenen ökologischen Bewusstseins werden die meisten Kunden E-Fuels nur akzeptieren, wenn der Preis stimmt. Und dafür wird es wichtig sein, mit welchen Steuern der Staat diese Kraftstoffe belegt und wieviel Sprit die Autos dann im Alltagsbetrieb verbrauchen.


Wann und wo ist mit E-Fuel als Kraftstoff zu rechnen?

Gegen eine baldige Markteinführung auf breiter Front sprechen der schlechte Wirkungsgrad, die aufwendige, also teure Herstellung und fehlende Industrieanlagen. Experten sehen das Einsatzgebiet von E-Fuels deshalb ausschließlich in Transport-Bereichen, wo weder ein Elektro- noch ein Brennstoffzellenantrieb in Frage kommen. Das wäre vor allem in Flugzeugen und Schiffen der Fall. Der Grund: In Flugzeugen oder Schiffen müsste man so extrem große Batterien oder Wasserstofftanks mitführen, dass vom Transportvolumen zu wenig übrig bliebe. Synthetische Kraftstoffe hingegen beanspruchen wegen ihrer hohen Energiedichte nicht mehr Raum als Kerosin oder Diesel und wiegen auch nicht mehr.


Was sind die nächsten Schritte in der Forschung?

In einem aktuellen Forschungsprojekt wird versucht, den Wirkungsgrad in der Produktionskette deutlich zu erhöhen. Theoretisch sei ein Wirkungsgrad von bis zu 60 Prozent möglich, heißt es in einer Mitteilung des Karlsruher Institut für Technologie (KIT). Zentraler Bestandteil der Versuchsanlage ist ein neuer Synthesereaktor, der mit deutlich geringerer Prozessenergie als bisher auskommt. Jetzt muss die Anlage zeigen, ob der Wirkungsgrad tatsächlich in der Praxis realisiert werden kann.    

 

Text: Wolfgang Rudschies. Fotos: PR.

Kontakt zur Redaktion:  redaktion@adac.de