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Synthetische Kraftstoffe – Energieträger der Zukunft?

Auto tankt an einer Tankstelle mit alternativen Kraftstoffen
Die Industrie ist auf der Suche nach neuen Kraftstoffen ∙ © Sunfire

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

  • 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?

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 in Bestandsfahrzeugen auftreten, müssten die Eigenschaften von synthetischen Kraftstoffen innerhalb der Normen für Diesel und Benzin liegen. Inzwischen gibt es für sie auch eine extra Norm: EN 15940. Idealerweise würden e-fuels über das bestehende Tankstellennetz vertrieben. Motoren in Neufahrzeugen müssten 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?

Stand heute wären für einen Liter synthetischer Kraftstoff circa 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 aufgrund des schlechten Wirkungsgrads nicht im Pkw, sondern 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.    

Experten-Interview

Die Firma Sunfire forscht seit vielen Jahren zum Thema synthetischer Kraftstoff. ADAC Redakteur Wolfgang Rudschies hatte Gelegenheit Carl Berninghausen, den CEO von Sunfire, nach dem Stand der Dinge zu befragen.

"Wir machen, was ein Baum macht"

Herr Berninghausen, können Sie einem Laien erklären, wie das Herzstück Ihrer Anlage, der Synthesereaktor, funktioniert?
Also im Grunde genommen machen wir, was ein Baum in der Natur macht. Der Baum verwandelt Wasser und Kohlendioxid aus seiner Umgebung mit Hilfe von Sonnenenergie in Biomasse. Das nennt man Photosynthese. Bei uns ist es eben eine andere Form von Synthese, nämlich eine elektrische. Unsere Technik braucht genau wie der Baum eine Energiequelle, denn Wasser und Kohlendioxid sind sozusagen die ausgenutzten oder verbrauchten Zustände von Wasserstoff und Kohlenstoff. Wenn man die wieder aktivieren möchte und wieder daraus was Brennbares machen möchte, muss man Energie zuführen. Das geht beim Baum durch die Sonne und bei uns durch Strom. Und so wie beim Baum dann als Erstes ein brennbares Material, nämlich Holz, entsteht, entsteht bei uns ein brennbares Material – ein synthetisches Erdölsubstitut.

Nun wird für die Produktion des synthetischen Kraftstoffes sehr viel Strom gebraucht. Den könnte man doch eigentlich direkt nutzen in einer Batterie. Warum muss man diesen Umweg gehen?
Tägliche Strecken von 80 bis 120 Kilometer kann man wunderbar mit Batterien machen, und sollte es auch tun. Etwas anderes ist es, wenn Autos lange Strecken fahren sollen. Oder denken wir mal an schwere Lastwagen, die viel mehr Energie mit sich tragen müssen oder Flugzeuge oder Schiffe – da kommen wir dann an die Grenzen einer Batterie. Jeder LKW, der auf die Straße kommt, bleibt da 30 Jahre! Also macht es Sinn, dass man für die alsbald eine Lösung schafft, CO2-neutral weiterzufahren.

Der Wirkungsgrad in der Prozesskette liegt bei nur 15 Prozent, das ist ein vernichtend schlechter Wert.
Unsere Technologie kommt auf höhere Wirkungsgrade. Sie beträgt vom Einfangen des Stroms bis zur Energie am Reifen 20 Prozent oder etwas darüber. Entscheidend ist aber, wie teurer der Kraftstoff am Ende wird. Bei Herstellung und Verteilung in Deutschland kostet der Strom 15, 16 Cent pro Kilowattstunde, inklusive der Umlagen bis zu 30 Cent. Das macht die Produktion von E-Fuels viel zu teuer. Wenn man Elektro-Fuel aber in Norwegen herstellt, wo der Strom nur 3 Cent kostet, dann ist es unterm Strich billiger, mit Elektro-Fuel zu fahren, als mit dem hier geladenen Strom.

Was wird ein Liter E-Fuel dann kosten?
Die aktuellsten Studien schießen sich – ohne Steuern– auf Größenordnungen zwischen 1,20 € und 1,70 € pro Liter ein.

Gibt es einen Nachweis, dass man E-Fuels in bestehenden Motoren nutzen kann, ohne dass diese geschädigt werden?
Ja, Total Excellium oder Shell V Power haben genau dieselben Eigenschaften. Beides sind Designerkraftstoffe, die dadurch hergestellt werden, dass man fossiles Erdgas in seine Bestandteile zerlegt und dann wieder zusammensetzt. Bei uns werden diese beiden Bestandteile eben nicht aus Erdgas gewonnen, sondern aus Kohlendioxid und Wasser. Aber im Ergebnis sind sie genau gleich. Man kann den Kraftstoff beigemischt allen Verbrennungsfahrzeugen zur Verfügung stellen.

Wann gehen Sie in Produktion?
Wir wollen Ende 2022 in Norwegen eine Anlage mit einer Jahresproduktion von zehn Millionen Liter fertiggestellt haben. Das sind noch kleine Mengen, aber wir hoffen, dass dann die Mineralölindustrie und die Autoindustrie das Thema groß machen. Wir werden ihnen diese Technologie zur Verfügung stellen.