Mobilität: Mit Strom zum Sprit

Wind- und Solarstrom sind die Energiequelle für synthetischen Kraftstoff. Mehrfache Umwandlungsschritte machen den klimaneutralen Sprit aber teurer als herkömmliches Benzin und Diesel aus Mineralöl. Foto: stock.adobe.com/© Soonthorn

Während die einen glauben, dass wir in wenigen Jahren den Verbrennungsmotor zu Grabe tragen und nur noch elektrisch fahren, erwarten die anderen, dass wir noch in Jahrzehnten fossiles Benzin und Diesel zapfen. Wie wissenschaftliche Studien vorhersagen, liegen beide Seiten daneben. Um die Klimaziele zu erreichen und in den kommenden Jahren signifikant Kohlendioxid zu reduzieren, ist mehr als eine Maßnahme vonnöten. Eine Lösung könnte künstlich hergestellter synthetischer Kraftstoff sein.

Die globalen Folgen des Klimawandels könnten bei einem ungebremsten Anstieg der Kohlenstoffdioxid-Emissionen bis zum Jahr 2050 für Wirtschaft und Gesellschaft größer sein, als bislang angenommen. Auf Basis wissenschaftlicher Klimamodelle hat die Unternehmensberatung McKinsey in einer aktuellen Studie errechnet, dass bei weiterhin steigenden Emissionen schon in zehn Jahren Hunderte Millionen Menschen in Regionen leben, denen tödliche Hitzewellen drohen könnten.

Bis 2050 wären bis zu 1,2 Milliarden Menschen davon betroffen. Die größten Umweltauswirkungen sind in Ländern wie Indien, Pakistan, Bangladesch und Nigeria zu erwarten, doch auch europäische Länder wie Deutschland müssten sich auf Hitze- und Dürreperioden einstellen. Für das Umweltbundesamt weist die Menge an Extremereignissen der vergangenen Jahre, wie etwa der Hitzesommer 2018, deutlich auf Effekte des Klimawandels hin. Der UN-Klimarat (IPCC) erklärte in einem Sonderbericht 2018, dass menschliche Aktivitäten als Hauptursache des momentanen Temperaturanstieges gelten. Dem Kohlenstoffdioxid (CO2) in seiner Funktion als Treib­haus­gas kommt dabei eine entscheidende Rolle zu.

Zu hoher CO2-Ausstoß

CO2 absorbiert einen Teil der von der Erde in das Welt­all abgegebenen Wärme und strahlt diese zurück auf die Erde. Durch diesen natürlichen Treib­haus­effekt entsteht auf der Erde das gemäßigte Klima. Doch durch das Verbrennen von Kohle, Erdöl und Erdgas wird seit der Industri­alisierung weltweit immer mehr CO2 freigesetzt. Das sorgt für eine Sättigung in der Atmosphäre und verstärkt den Treibhauseffekt. Da der Motor der globalen Industrialisierung aber nicht einfach abgeschaltet werden kann, gilt es, die Erderwärmung so weit es geht zu reduzieren. 2015 haben sich die Staaten im Pariser Klimaschutzabkommen das globale Ziel gesetzt, die Erderwärmung im Vergleich zum vorindustriellen Zeitalter (vor 1830) auf deutlich unter zwei Grad Celsius zu begrenzen, besser noch wären 1,5 Grad. Laut IPCC hat sich die Atmosphäre seit dem vorindustriellen Zeitalter um 0,8 bis 1,2 Grad Celsius aufgeheizt. Das Mercator Research Institut on Global Commons and Climate Change (MCC) hat errechnet, dass zur Erreichung des 1,5-Grad-Ziels von Ende 2017 an noch 420 Gigatonnen (Gt) CO2 in die Atmosphäre abgegeben werden dürften. Da die Welt jedoch jährlich rund 42 Gt an CO2 ausstoße, wäre dieser Puffer von 2021 an – bei einem ungebremsten Anstieg der CO2-Emissionen – in weniger als sieben Jahren aufgebraucht. Bis eine Erderwärmung um zwei Grad erreicht wäre, dürfe die Menschheit binnen der kommenden 25 Jahre laut MCC noch 1170 Gt CO2 ausstoßen. Die Einschränkungen durch die Corona-Pandemie führten unter anderem übrigens dazu, dass der CO2-Ausstoß im vergangenen Jahr nur 34 Gt betrug.

 

Potenzial beim Verkehr

Industrie und Haushalte können aber nicht gänzlich und kurzfristig auf neue Technologien umgestellt werden, auch wenn die Wirtschaft mit dem Ausbau der Wind- und Sonnenenergie einen Teil zur Reduzierung der Treibhausgas-Emissionen beiträgt. Potenzial sehen Politik, Wirtschaft und Umweltschützer im Verkehr, auf den laut der Umweltschutzorganisation Greenpeace weltweit 14 Prozent des CO2-Ausstoßes entfallen. Neben dem Straßenverkehr gehören dazu Schiene, Luft- und Schifffahrt. Uneins sind sich die Experten aber bei der Frage, welche Verkehrsträger mit welchen alternativen Energien am effizientesten zur Reduktion der CO2-Emissionen beitragen.   

Der Mensch am Scheideweg: Bei einem ungebremsten Anstieg der CO2-Emissionen könnten in den kommenden Jahrzehnten noch mehr Regionen auf der Welt von Hitzewellen und Dürren betroffen sein. Foto: stock.adobe.com/© Travel mania

E-Mobilität dauert

Klar scheint: Die Elektromobilität ist auf jeden Fall dabei. Doch trotz steigender Neuzulassungszahlen verzeichnen die Statistiken für das Jahr 2019 weltweit nur einen Bestand an 7,9 Millionen Elektrofahrzeugen. Im Hinblick auf einen weltweiten Gesamtbestand von fast 1,2 Milliarden Fahrzeugen ist das ein verschwindend geringer Anteil, der sich in den kommenden Jahren nicht überproportional hochskalieren lässt. Das gilt auch für Deutschland. „Bei einem erst wachsenden Anteil an der jährlichen Erneuerungsquote von insgesamt circa sechs Prozent dauert der Technologiewandel hin zur batterieelektrischen individuellen Mobilität alleine zu lange, um die 2030er-CO2-Ziele des deutschen Klimaschutzgesetzes für den Verkehrssektor zu erreichen“, warnt Prof. Dr.-Ing. Peter Gutzmer. Er ist stellvertretender Leiter der Arbeitsgruppe 2 „Alternative Antriebe und Kraftstoffe für nachhaltige Mobilität“ der Nationalen Plattform Mobilität. Bis 2030 hat sich die Bundesregierung zum Ziel gesetzt, 55 Prozent weniger Treibhausgase im Vergleich zum Jahr 1990 auszustoßen. Gutzmer fügt zudem an, dass eine vollständig regenerativ basierte Energieversorgung der Elektrofahrzeuge noch lange nicht möglich sei.

Ebenfalls im Rennen sind Biokraftstoffe aus Anbaubiomasse. Bei deren Verbrennung wird das CO2 freigesetzt, das die pflanzlichen Rohstoffe zuvor während des Wachstums aus der Atmosphäre gebunden haben. Damit ist die Bilanz weitgehend CO2-neutral. Doch selbst eine Erhöhung des Ethanol-Anteils oder Biokraftstoffe aus tierischen Fetten und Altspeiseölen reichen alleine nicht, um die Klimaschutzziele zu erreichen.

E-Fuels für Verbrenner

Eine weitere Lösung sind künstlich erzeugte synthetische Kraftstoffe, sogenannte E-Fuels für Verbrennungsmotoren. Anders als bei herkömmlichen Kraftstoffen stammt die vorhandene Energie nicht aus fossilem Rohöl, sondern aus Strom, genauer gesagt aus regenerativ hergestellter Wind- oder Sonnenenergie. Bei dem Verfahren wandelt man Strom in Wasserstoff um, indem Wasser mittels des erzeugten Ökostroms in seine Bestandteile Sauerstoff und Wasserstoff aufgespalten wird. Anschließend wird CO2 aus der Luft gefiltert und mit dem regenerativ erzeugten Wasserstoff zu synthetischem Methanol kombiniert. In einem letzten Umwandlungsschritt entsteht aus dem Methanol synthetischer Kraftstoff.

Gemeinsam mit Porsche realisiert Siemens Energy in Chile beispielsweise ein Pilotprojekt, mit dem im Jahr 2022 durch dieses Verfahren aus Windstrom 130000 Liter klimaneutraler Kraftstoff produziert werden sollen. In zwei Schritten könnte die Kapazität bis 2024 insgesamt auf rund 55 Millionen Liter und bis 2026 auf etwa 550 Millionen Liter gesteigert werden.

In mehreren Umwandlungsschritten wird aus Strom erneuerbarer Energien Wasserstoff und schlussendlich synthetischer Kraftstoff hergestellt. Foto: Siemens

Gleiche Eigenschaften

Das Praktische daran: Am Motor sind keine Änderungen vonnöten, wie Ansgar Christ, Produktmanager für Pkw-Antriebssysteme bei Bosch, bestätigt: „Alle diese erneuerbaren Kraftstoffe können prinzipiell so produziert werden, dass ihre Eigenschaften den heute zulässigen Kraftstoffnormen für Verbrennungsmotoren genügen und ohne technische Modifikationen eingesetzt werden können.“ Ein zweites Einführungsdesaster wie bei E10 sieht Christ nicht. „Das wird unserer Meinung nach nicht passieren. Zum einen scheint uns das Thema erneuerbare CO2-reduzierte Kraftstoffe bereits recht breit in der Gesellschaft angekommen, verstanden und auch akzeptiert zu sein. Zum anderen war mit der Einführung von E10 ein Schritt über die damals gültigen Kraftstoffnormen hinaus verbunden. Dies ist heute für erneuerbaren drop-in-fähigen Kraftstoff nicht erforderlich.“ Drop-in bedeutet, dass synthetische und herkömmliche Kraftstoffe in jedem beliebigen Verhältnis gemischt und getankt werden können. Das bei der Verbrennung von E-Fuels freigesetzte CO2 stammt aus der Luft und ist somit klimaneutral.

Doch das Verfahren ruft auch Kritik hervor. Gegenüber der direkten Nutzung des Stroms in E-Autos verfügen synthetische Kraftstoffe aufgrund der mehrfachen Umwandlungsschritte über einen schlechteren Wirkungsgrad. Eine Studie des Wuppertal Instituts für Klima, Umwelt, Energie kommt zu dem Schluss, dass der Wirkungsgrad batterieelektrischer Pkw bei der Entnahme des Stroms aus dem Netz (Tank-to-wheel) bis zur Umsetzung in Fahrleistung 70 Prozent beträgt. Wasserstoff-Brennstoffzellen-Pkw kommen auf 34 Prozent, und verbrennungsmotorische Pkw mit E-Fuels auf unter elf Prozent. Aus dem Grund plädieren Umweltschützer dafür, E-Fuels nur in Verkehrsmitteln einzusetzen, die auch langfristig nicht elektrisch zu betreiben sind, wie etwa in Flugzeugen, Schiffen oder schweren Nutzfahrzeugen.

Bestandsflotte wichtig

Um die gesteckten CO2-Ziele umsetzen zu können, warnen Experten aber davor, die Pkw-Bestandsflotte der Verbrenner unberücksichtigt zu lassen. „Synthetische Kraftstoffe bieten gerade für den individuellen Verkehr über zunehmend erhöhte Beimischungen das Potenzial, kurzfristig zu deutlichen realen CO2-Minderungen beizutragen – gerade für den hohen Bestand an Fahrzeugen mit Verbrennungsmotoren“, sagt Prof. Gutzmer. Der geringe Wirkungsgrad bei der Herstellung von synthetischen Kraftstoffen alleine würde mit zunehmenden Volumen und Festlegung der Herstellungsstandorte an Bedeutung verlieren, sagt Gutzmer. „Viel entscheidender wird die Preisentwicklung über den Hochlauf sein, neben dem globalen Ausbau der regenerativen Stromerzeugung als Grundlage.“

Afrika, Australien und Chile bieten sich aufgrund ihrer klimatischen Bedingungen an, regenerativen Strom in großen Mengen und zu niedrigen Kosten herzustellen. Entscheidend ist, wie schnell eine Produktion im industriellen Maßstab gelingt. Der Transport der synthetischen Gase oder Kraftstoffe erfolgt per Schiff, das optimalerweise in Zukunft auch mit CO2-neutralen Kraftstoffen betrieben werden könnte.

Schiffe, Flugzeuge und schwere Nutzfahrzeuge lassen sich auf lange Sicht nicht elektrisch antreiben, weswegen Experten dort den Einsatz von E-Fuels präferieren. Foto: stock.adobe.com/© AlexanderNovikov

Apropos Kosten: Laut einer Studie von Agora-Verkehrswende aus 2018 liegen die wichtigsten Einflussgrößen für die Herstellung von synthetischem Kraftstoff in der Stromerzeugung, der Auslastung sowie den Investitionskosten
in die Umwandlungsanlagen. Dazu Prof. Gutzmer: „Aktuell variieren alle Kostenaussagen abhängig von den getroffenen Rahmenbedingungen noch sehr stark. Es besteht eine starke Abhängigkeit von den Stromkosten für die Elektrolyse des benötigten Wasserstoffs, was für die MENA-Region (engl. Middle East & North Africa, Anm. d. Red.) spricht. Aus heutiger Sicht scheinen Literpreise unter einem Euro erreichbar zu sein.“ Da hierzu hohe, mindestens dreistellige Millioneninvestitionen erforderlich seien, fordert Gutzmer die Politik auf, dafür die politischen Rahmenbedingungen zu schaffen. Schlechte Nachricht aber für Verbraucher: Teurer als herkömmliche Kraftstoffe auf Mineralölbasis bleiben E-Fuels noch länger. Forscher des Wuppertal Instituts errechneten (Stand 04/2019), dass der klimaneutrale Kraftstoff im Jahr 2030 bei einem gleichbleibenden Niveau der Energiesteuer und einer Umsatzsteuer von 19 Prozent pro Liter 2,29 Euro kosten könnte.
Da in den kommenden Jahren aufgrund der begrenzten Ressourcen des Öko-Sprits aber nicht davon auszugehen ist, dass fossile Kraftstoffe komplett ersetzt werden könnten, werden Beimischungen zur CO2-Reduktion vorerst reichen müssen.

Deutsche Entwicklung

Am Standort Deutschland wird bereits seit Jahren intensiv in Pilotanlagen an der Verfahrenstechnik und Produktionsprozessen geforscht. So wie bei der Karlsruher Mineraloelraffinerie Oberrhein oder im Karlsruher Institut für Technologie (KIT). Was im Kleinen funktioniert, soll bald im industriellen Maßstab angewendet werden. Die Planung für eine weitere Anlage hat das Bundesverkehrsministerium im Januar dieses Jahres beim Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) in Auftrag gegeben. An einem noch unbekannten Standort sollen in naher Zukunft 10000 Tonnen synthetisches Kerosin jährlich produziert werden. Um den Markthochlauf des Öko-Sprits weiter zu beschleunigen, hat die Bundesregierung für diese und weitere Anlagen einen Fördertopf mit 900 Millionen Euro gefüllt.

Die Zeit drängt, die CO2-Uhr tickt. „Wir müssen schnell reagieren, wenn wir die Bestandsflotte nicht stilllegen wollen“, warnt Prof. Gutzmer. Daran dürfte kaum jemand Interesse haben. Doch der Bau der Anlagen dauert seine Zeit und bis dahin schmelzen unsere Chancen, CO2 in spürbarem Maße zu reduzieren, wie die Eisberge am Nordpol immer weiter.

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