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Das Potenzial synthetischer Kraftstoffe

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  • Das Potenzial synthetischer Kraftstoffe

    In Zukunft werden synthetische Kraftstoffe ein wesentlicher Bestandteil unserer Transportsysteme sein. Sie sind die einzige Quelle für die hohe Energiedichte, die für Schifffahrt, Luftfahrt und Schwertransport benötigt wird. Es ist unwahrscheinlich, dass batterieelektrische Antriebe jemals ein ähnliches Energieniveau liefern können.

    Die Mehrheit der synthetischen Kraftstoffe bringt auch erhebliche Vorteile hinsichtlich der Reinheit, der Verbrennungsprozesse und des daraus resultierenden Motorschutzes. Einige erreichen jedoch nicht die gleiche Energiedichte wie Benzin, Diesel und Kerosin, ihre fossilen Äquivalente. Sogar Methanol, einer der Brennstoffe mit dem größten Potenzial, hat ungefähr die Hälfte der Energiedichte von Benzin, dies ist jedoch immer noch das Vierfache des Niveaus einer Lithium-Ionen-Batterie.

    Diese Kraftstoffe, auch solche in Gasform, bringen auch wirtschaftliche Vorteile mit sich, da die vorhandenen Logistiksysteme und das Tankstellennetz unverändert oder mit nur geringfügigen Änderungen genutzt werden können. Darüber hinaus ist die Infrastruktur Zulieferern, Verbrauchern und Kunden vertraut, von denen keiner sein Verhalten ändern muss.

    Synthetische Kraftstoffe können auf verschiedene Arten hergestellt werden: entweder durch Elektrolyse (E-Kraftstoffe) oder durch Biomasse.


    Herstellung von E-Kraftstoffen mittels Elektrolyse

    E-Kraftstoffe werden mit Strom im Power-to-X-Verfahren (PtX) hergestellt. Ausgangspunkt ist die Elektrolyse von Wasser. Der entstehende Wasserstoff wird in einem zweiten Schritt, der als Methanisierung bekannt ist, mit CO 2 zu Methan verarbeitet. Wasserstoff und synthetisches Methan werden als Power-to-Gas-Produkte (PtG) eingestuft. Wenn ein flüssiger Brennstoff als Endprodukt benötigt wird, wird das Methan in einer dritten Stufe in einen längerkettigen Kohlenwasserstoff umgewandelt, im Allgemeinen unter Verwendung der Fischer-Tropsch-Synthese. Dies wird als Power-to-Liquid (PtL) bezeichnet.

    Die Eigenschaften dieser Kraftstoffe können während des Herstellungsprozesses beeinflusst werden, um ihre Leistung zu verbessern. Beispielsweise können Kraftstoffe mit höherer Klopfbeständigkeit im Vergleich zu herkömmlichem Kraftstoff mit 95 ROZ zu einem höheren Wirkungsgrad führen. E-Kraftstoffe können von Anfang an so ausgelegt werden, dass sie verbesserte Antiklopfeigenschaften aufweisen [1]. Dies ist jedoch nicht der einzige Faktor, der ihre Zukunftsfähigkeit bestimmt. Die verstärkte Gewichtung der Produktion von E-Kraftstoffen in Deutschland an Produktionsstandorten in der Nähe von Standorten, an denen Strom aus erneuerbaren Quellen erzeugt wird, ist ein wichtiger Gesichtspunkt für die kostengünstige Produktion durch Elektrolyse oder Co-Elektrolyse des benötigten Wasserstoffs und der Synthesegase [ 2]. Entscheidend ist die regionale Verfügbarkeit der benötigten Rohstoffe oder bei E-Kraftstoffen eine ausreichende Versorgung mit billigem Strom. Genau das ist das Problem in Deutschland. "Für PtX gibt es keine einheitlichen rechtlichen Rahmenbedingungen, sondern nur ein Flickenteppich unterschiedlicher Vorschriften", sagt der auf Energierecht spezialisierte Rechtsanwalt Christoph Richter, Gründer und Geschäftsführer der prometheus Rechtsanwaltsgesellschaft mbH mit Sitz in Leipzig. . Der für PtX verbrauchte Strom wird als normaler Stromverbrauch eingestuft, dh alle Steuern und Abgaben, die derzeit rund 16 Cent oder 55% des Strompreises betragen, müssen in der Regel gezahlt werden. Lediglich die Rückumwandlung von Wasserstoff in Strom ist laut Richter von den Netzentgelten befreit. Das bedeutet, dass in der Regel alle Steuern und Abgaben zu entrichten sind, die derzeit rund 16 Cent oder 55% des Strompreises betragen. Lediglich die Rückumwandlung von Wasserstoff in Strom ist laut Richter von den Netzentgelten befreit. Das bedeutet, dass in der Regel alle Steuern und Abgaben zu entrichten sind, die derzeit rund 16 Cent oder 55% des Strompreises betragen. Lediglich die Rückumwandlung von Wasserstoff in Strom ist laut Richter von den Netzentgelten befreit.

    Climeworks
    In der Climeworks-Anlage wird Kohlenstoff aus der Atmosphäre verwendet
    © Climeworks


    Der Mangel an überschüssigem Strom verbessert diese Situation nicht. Der Überschuss an Windenergie beträgt nur 0,5% des gesamten deutschen Stromverbrauchs. "Langfristig werden unsere Transportsysteme rund 5000 TWh pro Jahr verbrauchen", sagt Volkher Weißermel, Professor an der Hochschule für Angewandte Wissenschaften Hamburg. Um diesen Bedarf mit E-Kraftstoffen zu decken, wären rund 33 Mio. t Methan oder 90 Mio. t Dimethylether (DME) erforderlich. Um 80% des Kerosin- und Dieselverbrauchs zu decken, wären 762 TWh Strom erforderlich. Dies entspricht 10.000 5-MW-Offshore-Windenergieanlagen und 80.000 4-MW-Onshore-Windenergieanlagen. In Deutschland gibt es derzeit rund 1300 Offshore- und knapp 30.000 Onshore-Turbinen.

    Die Denkfabrik Agora Verkehrswende identifizierte bereits 2017 ein weiteres Problem mit diesem Prozess. Ein batteriebetriebenes Elektroauto benötigt 15 kWh Strom für 100 km, ein Wasserstoffauto 31 kWh und ein mit E-Fuel betriebenes Auto 103 kWh [3]. Trotz dieser großen Strommengen werden wir nicht ohne E-Kraftstoffe auskommen können, schon allein um unser Klima zu schützen. "Das einzige emissionsfreie Verfahren zur Erzeugung von Wasserstoff ist die elektrochemische Wasserspaltung durch Elektrolyse, wenn der benötigte Strom aus Wind-, Wasser- oder Sonnenenergie gewonnen wird. Das Verfahren führt zu einem hohen Reinheitsgrad und in der Regel zu einem Wirkungsgrad von bis zu 80 % (bezogen auf den Heizwert). Bei einigen Varianten der alkalischen Elektrolyse (AEL) und der Hochtemperaturelektrolyse (HTEL) liegt der Wert bei bis zu 85% "[4].

    Ineratec produkt Brennstoffe in Containern

    Ineratec produkt Brennstoffe in Containern
    © Ineratec


    Mit Strom aus erneuerbaren Quellen und CO 2 aus der Atmosphäre wäre das Ergebnis ein nahezu klimaneutraler Kraftstoff.


    Direkte Extraktion von Kohlendioxid aus der Luft

    Die Herstellung von kohlenstoffneutralem E-Kraftstoff durch Entfernen von CO 2 aus der Atmosphäre wird auch als Direct Air Capture (DAC) bezeichnet. Das Verfahren wird bereits im industriellen Maßstab von der Schweizer Firma Climeworks eingesetzt, die das gefilterte CO 2 in ein Gewächshaus pumpt , anstatt es den Kraftstoffherstellern zuzuführen. Auf diese Weise hergestellter E-Kraftstoff ist teurer, weil CO 2 aus Industrie- oder Recyclingprozessen viel billiger ist. Es ist in der Regel kostenlos erhältlich. Die aktuellen Kosten betragen 4,64 Euro / kg, die potenzielle Marktrendite beträgt jedoch nur rund ein Drittel.

    Trotz der höheren Kosten des E-Kraftstoffs ist das DAC-Verfahren in Deutschland bereits in Betrieb, beispielsweise bei Sunfire in Dresden. Das dort produzierte Mitteldestillat wird für logistische Anwendungen verwendet. Das Unternehmen gibt einen aktuellen Produktionspreis von rund 2,50 Euro / l an, was etwa dem Fünffachen des Preises von mineralischen Mitteldestillaten entspricht.
    Sunfire hat geholfen, eine DAC-Demonstrationsanlage in Norwegen zur Herstellung von Nordic Blue Crude, einem synthetischen Rohölersatzstoff, einzurichten. Ziel ist es, bis 2020 rund 8000 t dieses Rohstoffs für E-Kraftstoffe mit einer Anlagenkapazität von 20 MW zu produzieren. Dabei werden nur Wasser, CO 2 und Ökostrom verwendet, die in Norwegen reichlich vorhanden sind. Dies kann dann verfeinert werden, um Kraftstoffe herzustellen, die alle relevanten Normen erfüllen. Laut Sunfire wird die Menge, die hergestellt wird, ausreichen, um 13.000 Autos pro Jahr zu fahren und 21.000 t fossilen CO 2 -Ausstoß einzusparen . Der Preis für die E-Kraftstoffe dürfte unter 2 Euro / l liegen.

    Dem Start-up Ineratec mit Sitz in Karlsruhe (Deutschland) ist es gelungen, eine Anlage, die DAC, Elektrolyse und Synthese verwendet, in einen Container einzubauen. Die ersten Anlagen sind bereits an verschiedenen Standorten weltweit in Betrieb. Mehrere Container können zu einer Kaskade zusammengeschaltet werden, was die Leistung des Systems erhöht. Mit neuen Elektrolyseuren soll der Wirkungsgrad des Systems auf 70% gesteigert werden. Laut Ineratec könnte eine 1-MW-Anlage dann jährlich 400.000 l Kraftstoff produzieren.


    CO 2 aus industriellen Prozessen nutzen

    Das KEROSyN100-Projekt hat sich für die Verwendung von CO 2 aus industriellen Prozessen entschieden. Auf dem Gelände der Raffinerie Heide in Norddeutschland wurde ein Elektrolyseur errichtet, der hauptsächlich mit überschüssiger Windenergie betrieben wird. Das CO 2 wird von einem nahe gelegenen Zementwerk geliefert. Das dabei entstehende Kerosin wird vollständig von Lufthansa, einem Partner des Projekts, eingekauft. Die Anlage soll in fünf Jahren jährlich 17.500 t synthetisches Kerosin produzieren.
    Sun-to-Liquid, ein Gemeinschaftsprojekt zwischen der EU und der Schweiz, zielt auf die Herstellung von Kerosin unter Verwendung konzentrierter Sonnenstrahlung, jedoch ohne Elektrolyse. Die Realisierbarkeit des Prozesses wurde im Juni 2019 im spanischen Móstoles im Rahmen eines Pilotprojekts nachgewiesen. In der Anlage wird das Sonnenlicht mithilfe von Spiegeln um den Faktor 2500 konzentriert. Dabei wird ein Reaktor auf 1500 ° C aufgeheizt, der durch eine thermochemische Reaktion Wasser und CO 2 in Synthesegas umwandelt . Der nachfolgende Synthesevorgang erzeugt Kerosin.


    Erneuerbare Kraftstoffe aus Biomasse

    In Deutschland wird derzeit Bioethanol, das hauptsächlich aus Getreide und Zuckerrüben hergestellt wird, herkömmlichem 95-Oktan-Benzin mit einem Anteil von bis zu 10% zugesetzt. Bei Diesel liegt der Anteil bei bis zu 7% Biodiesel (Fatty Acid Methyl Ester, FAME), der hauptsächlich aus Rapsöl und anderen pflanzlichen Ölen hergestellt wird.

    ARTTIC

    In der Solaranlage Sun-to-Liquid in Móstoles bei Madrid wird aus Sonnenlicht synthetisches Kerosin aus Wasser und CO 2 hergestellt
    © Christophe Ramage | ARTTIC


    Es ist nicht klar, ob der Prozentsatz dieser Biokraftstoffe, die aus landwirtschaftlichen Rohstoffen hergestellt werden, auf dem derzeitigen Niveau bleiben wird. Die EU-Richtlinie für erneuerbare Energien II (RED II) hat die Verwendung dieser Biokraftstoffe der ersten Generation erheblich eingeschränkt. In Deutschland bedeutet dies eine Halbierung der derzeit jährlich eingesetzten 1,2 Mio. t Bioethanol und knapp 2 Mio. t Biodiesel.

    Biokraftstoffe der zweiten Generation sind in einer stärkeren Position. Dazu gehören Biodiesel aus gebrauchtem Speiseöl (UCO), tierischem Fett oder Fettsäuren, das bereits heute verwendet wird, und fortschrittliche Biokraftstoffe, die nach den Abfällen kategorisiert werden, aus denen sie hergestellt und unter dem Namen Biomasse zusammengefasst werden. zu Flüssigkeit (BtL). Sie werden hauptsächlich aus Stroh, Bioabfall, Klärschlamm, Tallölpech und Rohglycerin hergestellt. Fortgeschrittene Biokraftstoffe sind nicht weit verbreitet, da es keine offiziellen Vorschriften gibt und die Technologie in vielen Fällen noch nicht für die Produktion im industriellen Maßstab geeignet ist. Darüber hinaus sind fast alle auf diese Weise hergestellten Biokraftstoffe Ersatzstoffe für Benzin wie Bioethanol aus Stroh. Es werden nur sehr wenige Dieselersatzstoffe hergestellt, obwohl die Verfahren bereits existieren.

    Diagramm des BioTfueL-Produktionsprozesses

    Diagramm des BioTfueL-Produktionsprozesses
    © Gesamt


    Mit der gegenwärtigen Technologie sollte es theoretisch möglich sein, BtL in viel größeren Mengen als die vorhandenen E-Kraftstoffe herzustellen. Aus einem Hektar landwirtschaftlicher Biomasse können insgesamt 4000 l Kraftstoff hergestellt werden, der ein CO 2 -Reduktionspotential von rund 90% aufweist.


    Biokraftstoffersatz für Diesel

    Zu den Alternativen zu herkömmlichem Dieselkraftstoff zählen biobasierte Zwischenprodukte, auch als Biomate bezeichnet, die aus Holz- und Halmresten und anderen landwirtschaftlichen Produkten hergestellt werden, die nicht für die Lebensmittelherstellung geeignet sind. Ein schneller Pyrolyseprozess bei 550 ° C unter Entfernung von Sauerstoff erzeugt eine ölartige Flüssigkeit. Genau genommen könnte dieses Pyrolyseöl als Kraftstoff verwendet werden, aber seine Cetanzahl von 10 ist zu niedrig (der entsprechende Wert für Diesel beträgt 51). Es ist auch hochviskos, weshalb es mit Ethanol gemischt werden muss. Es wird durch einen milden Hydrierungsprozess unter Zugabe von Wasserstoff verbessert und anschließend zusammen mit fossilem Rohöl in einer Raffinerie verarbeitet (Co-Hydrotreating). Das Ergebnis ist also kein reiner synthetischer Kraftstoff, sondern er eignet sich zur Beimischung zu fossilem Diesel.


    Mögliche Kraftstoffe auf Basis von PtX und BtL mit ihren Potenzialen sowie Vor- und Nachteilen
    Produkt Beschreibung Vorteile Nachteile
    Methan Die fossile Form von Methan ist Erdgas, kann aber auch in Biogasanlagen oder im Power-to-Gas-Verfahren aus Wasserstoff und CO 2 hergestellt werden . Als E-Fuel ist es derzeit deutlich teurer als Biomethan. Unter den Biomassebrennstoffen hat Biomethan jedoch einen einzigartigen Vorteil: Inhomogene, feuchte Biomasse und Stroh, die nur mit sehr hohen Kosten in Flüssigkeit umgewandelt werden können, können sehr billig in Biomethan umgewandelt werden. Einige der 900 deutschen Erdgastankstellen werden bereits mit Biomethan versorgt. Die Infrastruktur ist vorhanden (erweiterbar), nicht homogene Biomasse ist ideal für den Herstellungsprozess Geringe Akzeptanz von CNG-Fahrzeugen bei Kunden
    Methanol Der einfachste aller Alkohole ist nach Erdöl die am zweithäufigsten gehandelte Flüssigkeit der Welt. Es kann einfach mit einem PtL-Verfahren auf Elektrizitätsbasis oder aus einer Vielzahl von Anlagen und Abfällen hergestellt werden. Das bestehende Tankstellennetz müsste modifiziert werden und der Einsatz in Verbrennungsmotoren ist nicht unproblematisch. Das Befüllen des Fahrzeugs kann gesundheitsschädlich sein. Wenn der Strom zu Kosten von unter 5 Cent / kWh erzeugt werden kann, hat "grünes Methanol" wirtschaftliche Vorteile gegenüber herkömmlichem aus Erdgas hergestelltem Methanol. Methanol kann auch in Brennstoffzellen eingesetzt werden. Die vorhandene Infrastruktur kann mit geringfügigen Änderungen genutzt werden Niedrige Energiedichte, gesundheitsschädlich, Motoren müssen umgebaut werden
    Ethanol In Deutschland werden dem Benzin bis zu 10% Ethanol zugesetzt. Ethanol kann aus biogenen Quellen und als E-Fuel hergestellt werden. Aus globaler Sicht ist Ethanol derzeit der bedeutendste alternative biogene Kraftstoff. Es ist jedoch wichtig, sich daran zu erinnern, dass Deutschland und das übrige Europa in erster Linie Dieselmärkte sind. Es wird viel mehr Diesel verkauft als Benzin. Gleichzeitig neigen europäische Raffinerien dazu, zu wenig Diesel und zu viel Benzin zu produzieren. Infolgedessen hat die Ölindustrie nur ein sehr geringes Interesse daran, den Benzinüberschuss mit Bioethanol zu erhöhen. Kann problemlos zu Benzin hinzugefügt oder als eigenständiger Kraftstoff in der vorhandenen Infrastruktur verwendet werden, sehr guter Ersatz für Benzin In erster Linie aus landwirtschaftlicher Biomasse hergestellt und daher ein zentrales Thema der Debatte zwischen Kraftstoff und Nahrung
    Oxymethylenether (OME) OME kann mit einer Vielzahl von Verfahren hergestellt werden (Biomasse / BtL und Strom / PtL). Es erzeugt die niedrigsten Partikelemissionen von fast jedem Kraftstoff, manchmal unterhalb der Messschwelle. Der Wirkungsgrad ist in der Regel höher als der von Diesel. Da es Sauerstoffatome enthält, ist es kein paraffinischer Brennstoff. Das Fehlen der Kohlenstoff-Kohlenstoff-Bindung im OME-Molekül führt jedoch auch zu einer signifikanten Verringerung des chemisch gebundenen Energiegehalts. Infolgedessen hat OME nur etwa 50% des Energiegehalts von Diesel pro Masseneinheit. Sehr sauber, erfüllt problemlos die Emissionsgrenzwerte Niedrige Energiedichte, noch keine industrielle Produktion in Anlagen in Europa, derzeit nur in fossiler Form hergestellt
    Dimethylether (DME) DME ist leicht herzustellen und liegt unter normalen Bedingungen in Form von Gas vor. Es kann ebenso leicht wie Flüssiggase (Propan, Butan) mit etwa 0,6 MPa verflüssigt und als Gemisch verwendet werden. Es gibt eine vorhandene Infrastruktur mit rund 7000 Tankstellen für Flüssiggas, die geändert werden könnten. DME kann auch als Dieselersatz verwendet werden, da es eine bessere Cetanzahl aufweist. Geeignete Motoren wurden bereits von der ISI GmbH entwickelt und erfolgreich getestet. Die vorhandene LPG-Infrastruktur ist umfangreich Geringe Akzeptanz bei den Verbrauchern, noch keine industrielle Produktion in Werken in Europa, derzeit nur in fossiler Form
    Paraffinische Brennstoffe Paraffinische Kraftstoffe umfassen alle flüssigen Kraftstoffe mit mehreren Kohlenstoffbindungen aus der Gruppe der Alkane, wie beispielsweise hydriertes Pflanzenöl (HVO). Viele der beschriebenen Verfahren erzeugen letztendlich Paraffinbrennstoffe oder Mitteldestillatbrennstoffe. Die Rohstoffe sind sehr vielfältig, ebenso wie die Methoden zur Herstellung dieser Kraftstoffe als E-Kraftstoffe. Sie haben immer eine Drop-In-Fähigkeit, weil sie frei von Aromaten und Schwefel sind. Sie stellen aufgrund ihrer geringen Emissionen und der Art des Verbrennungsprozesses eine Verbesserung gegenüber mineralischem Diesel dar. Sehr sauber, einfach herzustellen, emissionsarm Deutlich höherer Preis als Mineraldiesel je nach Produktionsprozess

    Bei der thermokatalytischen Reformierung (TCR) wird ebenfalls Pyrolyse angewendet, jedoch bei einer Temperatur von 700 ° C. Dadurch ist es möglich, Klärschlamm zu verarbeiten, der bisher hauptsächlich als landwirtschaftlicher Dünger eingesetzt wurde. Die Anwendung dieses Verfahrens wurde jedoch in der EU erheblich eingeschränkt. Die derzeit in Betrieb befindlichen Anlagen haben eine Kapazität von maximal 300 kg / h. Derzeit werden in Deutschland jährlich 2 Mio. t Klärschlamm produziert, aus dem rund 200 Mio. l Pyrolyseöl gewonnen werden könnten. Dies könnte wiederum mittels eines Raffinationsprozesses in einen einfallenden dieselähnlichen Kraftstoff umgewandelt werden. Dieser Kraftstoff wurde bereits in einem Auto getestet, das 100 km mit 1 l Kraftstoff zurücklegt. Das projektleitende Fraunhofer-Institut für Umwelt-, Sicherheits- und Energietechnik (Umsicht) hat Kosten in Höhe von 60 Cent / l Treibstoff angegeben.

    Das BioTfueL-Projekt des französischen Energieunternehmens Total verfolgt einen anderen Ansatz. Dabei wird die Biomasse torrefiziert, also geröstet und gemahlen. Danach wird Sauerstoff zu einem Synthesegas gegeben und dieses mittels Fischer-Tropsch-Synthese in ein flüssiges Rohöl umgewandelt. Die resultierenden Kraftstoffe sind vollständig schwefel- und aromatenfrei und können ohne Modifikation in konventionellen Motoren eingesetzt werden.


    Bioethanol aus Stroh

    Clariant hat ein Verfahren zur Herstellung des Benzinersatzes Bioethanol aus Stroh entwickelt. Das Schweizer Unternehmen verwendet landwirtschaftliche Reststoffe, die sonst verschwendet würden. Dieses Celluloseethanol entspricht der Norm DIN EN 15376 und ist identisch mit Bioethanol aus Getreide, Zuckerrüben oder Zuckerrohr. Das Verfahren heißt Sunliquid und beinhaltet die gleichzeitige Fermentation von C5- und C6-Zuckern. Die Ausbeute ist rund 50% höher als bei früheren Verfahren zur Herstellung von Ethanol aus Stroh. Derzeit wird in Rumänien eine Anlage gebaut, in der jährlich 50.000 t Zelluloseethanol aus 250.000 t Stroh hergestellt werden können. Ein weiteres Werk in der Slowakei ist noch in Planung.


    VERWEISE

    [1]Hentschel, L.; Michels, K.; Garbe, T.; Hönig, M.: e-Fuels - ein zentraler Baustein für den Motor der Zukunft? In: Maus, W. (ed.): Zukünftige Kraftstoffe. Berlin: Springer Vieweg, 2019, p. 753
    [2]Toedter, O.; Koch, T.: Das Potenzial einer alternativen Kraftstoffstrategie. In: Maus, W. (ed.): Zukünftige Kraftstoffe. Berlin: Springer Vieweg, 2019, p. 669
    [3]Agora Verkehrswende: Mit der Verkehrswende die Mobilität von morgen sichern. 12 Thesen zur Verkehrswende (2017), p. 20
    [4]Klell, M.; et al.: Wasserstoff in der Fahrzeugtechnik. Wiesbaden: Springer Vieweg, 2018, p. 72

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