Forschungsinformationssystem des BMVI

zurück Zur Startseite FIS

Strombasierte synthetische Kraftstoffe

Erstellt am: 15.03.2023 | Stand des Wissens: 15.03.2023
Synthesebericht gehört zu:
Ansprechpartner
IKEM - Institut für Klimaschutz, Energie und Mobilität e.V.

Strombasierte synthetische Kraftstoffe oder auch Electric Fuels (E-Fuels) genannt, können über elektrolytisch erzeugten Wasserstoff generiert werden. Der erzeugte Wasserstoff kann entweder selbst als gasförmiger Kraftstoff (Power to Gas, PtG) in einem Verbrenner oder Brennstoffzellenfahrzeug eingesetzt oder aber weiterverarbeitet werden. Wird der Wasserstoff weiterverarbeitet, können vielfältige gasförmige (PtG) oder flüssige Kraftstoffe (Power to Liquid, PtL) hergestellt werden. Die verschiedenen Verfahren zur Herstellung von gasförmigen oder flüssigen synthetischen Kraftstoffen auf Basis von Strom werden mit Power-to-X (PtX) zusammengefasst [PiSe21, S.834].
Für alle PtX-Kraftstoffe gleicht sich der Herstellungsprozess in den ersten Schritten [AgVe19, S.35]. Zunächst wird für alle PtX Wasserstoff hergestellt. Der für die Elektrolyse (sowie für die anschließenden Produktionsschritte) bereitgestellte Strom sollte dabei aus erneuerbaren Quellen stammen, um die Treibhausgasemissionen zu minimieren [SeEh18, S.18; AgFr18, S.31]. Grundsätzlich sind unterschiedliche Elektrolyse-Techniken nutzbar (zum Beispiel alkalische Elektrolyse, Hochtemperatur-Elektrolyse). Grüner Wasserstoff kann aber aus der Vergasung fester Biomasse generiert werden. Die Potenziale hierzu sind jedoch begrenzt. [AgVe19, S.25] Durch die Weiterverarbeitung des Wasserstoffs können dann unterschiedliche Kraftstoffe wie Methan, Methanol, Benzin, Diesel oder auch Kerosin synthetisch hergestellt werden, ohne mit der Nahrungsmittelproduktion zu konkurrieren (vergleiche Biokraftstoffe der ersten Generation) [Maus19, S.433].
Für die PtL- und PtG-Prozesse muss zunächst Kohlenstoffdioxid (CO2) beschaffen werden. Die geschieht in der Regel durch die Separierung von CO2 aus der Atmosphäre oder aus nachhaltigen biogenen Quellen. Anschließend sind verschiedene Verarbeitungsschritte möglich. Beim PtG-Prozess kann beispielsweise durch eine katalytische oder biologische Methanisierung aus Wasserstoff sowie CO2 (oder Kohlenmonoxid) Methan hergestellt werden. [AgFr18, S. 67ff.] 
PtL können durch die Fischer-Tropsch-Synthese oder die Methanolsynthese hergestellt werden. Bei der Fischer-Tropsch-Synthese werden die CO-Moleküle (welche zuvor über die Shift-Reaktion aus dem CO2 hergestellt wurden) dem Wasserstoff ergänzt, sodass höhere Kohlenwasserstoffketten entstehen, die anschließend raffiniert werden. Bei der Methanolsynthese wird aus dem Wasserstoff Methanol hergestellt, welches direkt genutzt oder anschließend in andere synthetische Flüssigkraftstoffe umgewandelt werden kann [dena18]. Die PtL können konventionellen Kraftstoffen in beliebiger Menge beigemischt werden oder diese vollständig ersetzen. Somit kann die bisher verwendete Tank- und Verteilinfrastruktur der konventionellen Kraftstoffe weiter genutzt werden. [SeEh18, S.16ff.]
Insgesamt wird bei den Herstellungsprozessen sehr viel Energie benötigt. So werden für die Produktion von 1 Megajoule PtG beziehungsweise PtL etwa 5 Megajoule Strom benötigt [AgVe19, S.24]. Das bei der Herstellung gebundene CO2 wird bei der Verbrennung wieder freigegeben [AvKa18, S.17]. Bei einer Betrachtung der Well-to-Wheel-Emissionen ist eine Einsparung von mindestens 70 Prozent der Treibhausgase im Vergleich zu konventionellen Kraftstoffen möglich [AgFr18, S.30]. Darüber hinaus können durch die PtX auch andere Luftschadstoffe reduziert werden [SeEh18, S.18]. 
Die Höhe der Kosten für die PtX sind schwer abzuschätzen, da es viele verschiedene einflussnehmende Faktoren gibt. Hier sind unter anderem die Stromerzeugungskosten, die Kosten für das benötigte CO2 sowie die Investitionskosten für die Elektrolyseure zu nennen. Es ist jedoch davon auszugehen, dass die Kosten im Zeitverlauf sinken werden. Für einen möglichst wirtschaftlichen Betrieb wird neben günstigem erneuerbarem Strom insbesondere eine hohe Auslastung der Anlagen benötigt, weshalb die Nutzung von grünem Überschussstrom ungeeignet ist. [AgFr18, S.61 ff.] 
Von hoher Relevanz sind die PtX in den Verkehrsbereichen, in welchen ein batterieelektrischer Antrieb ungeeignet ist. Das gilt vor allem für den Straßengüter-, Schiffs- und Flugverkehr, wo schwere Lasten oder hohe Reichweiten gefordert sind. [SeEh18, S.16ff.]. Grundsätzlich sind die PtX Technologien zwar technisch erprobt und bereits verfügbar, für einen baldigen Markteintritt muss aber weiter geforscht, Anlagen hochskaliert und Anlagen-Prozesse aufeinander abgestimmt werden. [SeEh18, S.19f; dena18]
Ansprechpartner
IKEM - Institut für Klimaschutz, Energie und Mobilität e.V.
Zugehörige Wissenslandkarte(n)
Alternative Kraftstoffe (Straßenverkehr) (Stand des Wissens: 15.03.2023)
https://www.forschungsinformationssystem.de/?304332
Literatur
[AgFr18] Agora Verkehrswende, Agora Energiewende, Frontier Economics (Hrsg.) Die zukünftigen Kosten strombasierter synthetischer Brennstoffe, 2018/02/28
[AgVe19] Helms, Hinrich , Fehrenbach, Horst , Biemann, Kirsten , Kämper, Claudia , Lambrecht, Udo , Jöhrens, Julius , Meyer, Kerstin Klimabilanz von strombasierten Antrieben und Kraftstoffen, 2019/12
[AvKa18] Avolio, Giovanni , Kastner, Oliver , Rösel, Gerd , Brück, Rolf Der Einfluss synthetischer Kraftstoffe auf die Dieselmotor-Emissionen, 2018
[dena18] dena (Hrsg.) Power to X: Technologien, 2018/06
[Maus19] Maus, Wolfgang (Hrsg.) Zukünftige Kraftstoffe, 2019
[PiSe21] Pischinger, Stefan , Seiffert, Ulrich (Hrsg.) Vieweg Handbuch Kraftfahrzeugtechnik, 2021
[SeEh18] Bierkandt, Thomas , Severin, Michael , Ehrenberger, Simone , Köhler, Markus Klimaneutrale synthetische Kraftstoffe im Verkehr, 2018/12
Glossar
Biomasse Biomasse umfasst:
  • Reststoffe wie z.B. Restholz, organische Abfälle (Biomüll, Gülle etc.), Stroh sowie
  • Energiepflanzen wie z.B. Raps, schnell wachsende Baumarten, Energiegetreide, Miscanthus.
CH4
= Methan. Es ist ein farbloses, geruchloses und leicht brennbares Gas, das zu Kohlendioxid und Wasser verbrennt. Methan ist Hauptbestandteil von Erdgas, Biogas, Deponiegas und Klärgas. Als Erdgas dient es hauptsächlich der Beheizung von Wohn- und Gewerberäumen, als industrielle Prozesswärmeenergie, zur elektrischen Stromerzeugung und in kleinem Umfang als Treibstoff für Kraftfahrzeuge.
Methan gehört zu den klimarelevanten Treibhausgasen. Methan entsteht bei allen organischen Gär- und Zersetzungsprozessen, wie z.B. in Sümpfen, Nassreisfeldern und Massenviehhaltung. (Der Verdauungstrakt von Wiederkäuern produziert Methan.)
Nach Kohlendioxid ist Methan mit einem Anteil von knapp 20 Prozent wichtigster Verursacher des Treibhauseffekts, wobei es ein 20- bis 30-mal wirksameres Treibhausgas als CO2 ist. Die weltweiten Methanemissionen werden auf 500 Mio. Tonnen/Jahr geschätzt, davon gehen rund 70 Prozent auf menschliche Aktivitäten zurück.
CH3OH = Methanol. Ist eine farblose, brennend schmeckende, giftige, bei Einnahme durch den Menschen zur Erblindung oder zum Tod fuehrende, leicht brennbare und sehr fluechtige Fluessigkeit. Methanol verbrennt mit blauer, fast unsichtbarer Flamme und bildet mit Luft explosionsfaehige Gemische. In der Natur kommt es in Baumwollpflanzen, Heracleum-Fruechten, Graesern und in aetherischen Oelen vor. Methanol ist eines der wichtigsten Ausgangsstoffe fuer Synthesen in der chemischen Industrie. Methanol ist giftig. Seine giftige Wirkung beruht auf der in der Leber erfolgenden Oxidation zu Formaldehyd und spaeter zu Ameisensaeure.
Treibhausgase Diese in der Atmosphäre sich befindlichen Gase verhindern, dass langwellige Infrarotstrahlung auf direktem Weg von der Erdoberfläche ins Weltall gelangt. Sie verhalten sich wie Glasscheiben eines Treibhauses und heizen die Atmosphäre auf. Natürliche Treibhausgase:
  • Wasserdampf
  • Kohlendioxid
  • Ozon
  • Methan
  • Stickoxid
Vom Menschen gemachte Treibhausgase:
  • FKW
  • HFKW
  • FCKW
  • SF6
CO
= Kohlenstoffmonoxid. CO ist eine chemische Verbindung aus Kohlenstoff und Sauerstoff und gehört damit neben Kohlenstoffdioxid zur Gruppe der Kohlenstoffoxide. Es ist ein farb-, geruch- und geschmackloses Gas. Kohlenstoffmonoxid beeinträchtigt die Sauerstoffaufnahme von Menschen und Tieren. Schon kleine Mengen dieses Atemgiftes haben Auswirkungen auf das Zentralnervensystem.
Es entsteht bei der unvollständigen Oxidation von kohlenstoffhaltigen Substanzen. Dies erfolgt zum Beispiel beim Verbrennen dieser Stoffe, wenn nicht genügend Sauerstoff zur Verfügung steht oder die Verbrennung bei hohen Temperaturen stattfindet. Kohlenstoffmonoxid selbst ist brennbar und verbrennt mit Sauerstoff zu Kohlenstoffdioxid. Hauptquelle für die CO-Belastung der Luft ist der Kfz-Verkehr.
Power-to-X
Power-to-X ist ein Oberbegriff für verschiedene technologische Verfahren, bei denen elektrische Energie in chemische Energie oder in Wärme umgewandelt wird. Dies ermöglicht eine Speicherung und anderweitigen Nutzung von Stromüberschüssen in Zeiten eines Überangebotes variabler erneuerbarer Energien wie Solarenergie, Windenergie und Wasserkraft.
H2 Wasserstoff ("H2" = grch.-lat. für hydrogenium "Wassererzeuger") ist das chemische Element mit der Ordnungszahl 1. Wasserstoff stellt sowohl bezogen auf die Masse (75%) als auch bezogen auf die Zahl der Teilchen (91%) das häufigste aller im All vorkommenden Elemente dar. Wasserstoff ist ein farb- und geruchloses Gas welches in der Natur aufgrund der hohen Reaktivität nicht in seiner elementaren Form vorkommt. Wasserstoff liegt gebunden in Form von Erdöl und Erdgas, in Mineralien, in Biomasse, aber vorwiegend in Form von Wasser vor. Wasserstoff ist somit ein Sekundärenergieträger (Energiespeicher)und muss erst aus den oben genannten fossilen oder nicht fossilen Primärenergieträgern unter Einsatz von zusätzlicher Energie hergestellt werden.

Auszug aus dem Forschungs-Informations-System (FIS) des Bundesministeriums für Verkehr und digitale Infrastruktur

https://www.forschungsinformationssystem.de/?568426

Gedruckt am Sonntag, 26. Mai 2024 07:38:28