Kraftstoffneutraler Transport

Kohlenstoffneutraler Transport – mit synthetischen Kraftstoffen

6. Mai 2020 | Engineering Service

Der Fokus von Gesetzgebung und öffentlichen Debatten liegt mit Blick auf die Senkung der CO2-Emissionen im Transportsektor nahezu ausschließlich auf der flächendeckenden Nutzung von batterieelektrischen Fahrzeugen (Battery Electric Vehicle, BEV). Allerdings gibt es Anwendungsbereiche, für die ein rein batterieelektrischer Antrieb keine optimale Lösung darstellt, zum Beispiel der Langstrecken- und Schwerlastverkehr. Flüssige oder gasförmige Kraftstoffe werden in diesem Bereich aufgrund ihrer hohen Energiedichte noch für einen langen Zeitraum das Mittel der Wahl bleiben. Das gilt insbesondere für Europa, das auch weiterhin massiv von Importen chemischer Energieträger abhängig ist. Einige dieser Energieträger werden in Zukunft in Regionen hergestellt, in denen die erneuerbaren Energiequellen sehr konstant und in hohen Mengen zur Verfügung stehen. Sogenannte E-Fuels – synthetische Kraftstoffe aus erneuerbarem Strom und Kohlendioxid (CO2) – stellen in diesem Kontext eine sehr attraktive Möglichkeit dar, Mobilität durch einen geschlossenen Kohlenstoffkreislauf zu ermöglichen.

Signifikante Senkung von CO2-Emissionen

Sowohl durch das Pariser Abkommen als auch durch das gesellschaftspolitische Ziel, dem Klimawandel entgegenzuwirken, sind alle Sektoren daran gebunden, ihre CO2-Emissionen signifikant zu senken. Der Bereich der elektrischen Energieversorgung soll bis 2050 vollständig CO2-neutral werden; der Transportsektor soll seinen CO2-Fußabdruck im Vergleich zu 1990 um mindestens 80 Prozent senken – dies bei einem stetig wachsenden Transportvolumen. Es besteht also dringender Bedarf, alle denkbaren klimafreundlichen Lösungen für den Personen- und Güterverkehr so schnell wie möglich zu implementieren. Teilweise spiegeln sich diese Ziele in den immer strengeren CO2-Grenzwerten für neu zugelassene Fahrzeuge in den meisten Ländern wider. Am 17. Dezember 2018 entschieden das Parlament und der Rat der EU, die CO2-Flottengrenzwerte für neu zugelassene Fahrzeuge noch einmal weiter abzusenken: Die CO2- Emissionen von Pkw sollen zwischen 2021 und 2030 um weitere 37,5 Prozent sinken. Übersetzt bedeutet das 59 g/km, was etwa 2,5 l fossilem Kraftstoff entspricht. Wenn es um die Treibhausgasreduktion insbesondere im privaten Transportsektor geht, taucht in der öffentlichen und medialen Debatte vor allem eine technische Lösung auf: das BEV. Und in der Tat wird die Anzahl der BEVs im nächsten Jahrzehnt enorm steigen. Der Anfangslevel ist jedoch noch relativ gering mit einem Anteil von derzeit ungefähr 2 Prozent BEVs, Plug-in- oder Range-Extender-Fahrzeugen bei neu zugelassenen Pkw. Die Marktdurchdringung von BEVs hängt stark von unterschiedlichen lokalen gesetzlichen Rahmenbedingungen und staatlichen Subventionierungen ab und ist daher weltweit betrachtet sehr unterschiedlich.


Selbst im Jahr 2030 wird die Mehrheit aller zu dem Zeitpunkt verkauften Autos (fast 90 Prozent) aus diversen Gründen noch immer einen Verbrennungsmotor aufweisen. Die am häufigsten genannten Gründe gegen die Kaufentscheidung für ein Elektrofahrzeug sind der Kaufpreis, die limitierte Reichweite, lange Ladezeiten und die unzureichend ausgebaute Ladeinfrastruktur. Zudem werden nur etwa 2,5 bis 5 Prozent der Fahrzeugflotte in Europa jährlich ausgetauscht. Eine signifikante Marktdurchdringung von BEVs und Brennstoffzellenfahrzeugen wird also noch einige Jahre dauern. Es ist daher keine Option, sich zur Erreichung der ambitionierten CO2-Ziele einzig auf ein Wachstum der Elektroflotte zu verlassen. Stattdessen müssen zusätzlich andere effektive Technologien zum Einsatz kommen. Die Anwendung von CO2-neutralen synthetischen Kraftstoffen, sogenannten E-Fuels, kann neben der Elektrifizierung der Antriebe und der Effizienzverbesserung des Verbrennungsmotors einen Beitrag leisten.

Es ist anzunehmen, dass die Elektrifizierung den größten Beitrag zur CO2-Reduktion im Transport leisten wird. Elektrifizierung meint hier nicht bloß reine Elektrofahrzeuge, sondern auch Brennstoffzellenfahrzeuge, Hybridisierung von verbrennungsbasierten Antrieben und Antriebe mit Range Extender. Eine weitere Reduzierung um 24 Prozent kann durch Effizienzsteigerung mittels Gewicht, Reibung und verbesserter Aerodynamik sowie einer Änderung des Modal Split (Verlagerung von Gütern auf die Schiene) erreicht werden. Die übrig bleibenden 31 Prozent müssen durch CO2-neutrale Kraftstoffe abgedeckt werden, wie in Abbildung 2 zu erkennen ist.

Alternative Kraftstoffe

Betrachtet man die Energiesituation in Europa und speziell in Deutschland, wird deutlich, dass die Aufgabe, ein System zu schaffen, dass zu 100 Prozent auf erneuerbarer Elektrizität beruht, eine große Herausforderung darstellt. Da erneuerbarer Strom (insbesondere in Europa) sehr volatil und nicht leicht zu speichern ist, könnte ein Netzausbau und benötigte Reservekapazitäten künftig sehr hohe Investitionskosten bedingen. Das Ziel, 100 Prozent elektrische Energie aus erneuerbaren Energien zu nutzen, bedeutet auch, dass Deutschland seine erneuerbare Stromproduktion mindestens um den Faktor 3 im Vergleich zur heutigen Produktion steigern müsste.

Zusätzlich zum Stromverbrauch besteht ein noch deutlich höherer Energiebedarf für verschiedene Industrieanwendungen, Gebäudeheizung und Transportnetzwerke, der sich in Deutschland auf etwa 2600 TWh pro Jahr beläuft. Um diesen Bedarf mit Energie aus erneuerbaren Quellen abdecken zu können, wird Deutschland anfangen müssen, erneuerbare Energie im großen Stil zu importieren, siehe Abbildung 3. Der direkte Import von elektrischer Energie ist jedoch technisch aufgrund der teils langen Übertragungswege nur bis zu einem gewissen Maß realisierbar. Daher muss die in Übersee durch Solar- oder Windkraft gewonnene elektrische Energie mittels Power-to-Fuels in chemische Energieträger umgewandelt werden. Für Regionen mit kürzeren Distanzen zwischen Produktionsort und Verbrauchern könnte auch Wasserstoff oder synthetisches Erdgas als Träger dienen und mittels einer Pipeline transportiert werden. Für weiter entfernte Produktionsstätten ist die Umwandlung in Methanol oder sogar Fischer-Tropsch-Produkte ein sinnvollerer Ansatz. Insgesamt muss Deutschland im Jahr 2050 bis zu 29 Prozent seines Energiebedarfs in Form von Power-to-X (PtX) importieren.

Die Nutzung CO2-neutraler Energieträger ist der effizienteste Weg, um den CO2-Fußabdruck zu reduzieren. Als Drop-in-Fuels können sie auch die CO2-Bilanz bestehender Fahrzeugflotten senken. Aufgrund ihrer molekularen Strukturen verfügen viele PtX-Kraftstoffkandidaten über andere chemische und physikalische Eigenschaften. Kandidaten, die die wichtigsten Kriterien (Energiedichte, Kraftstoffverfügbarkeit und etablierte Produktionspfade, Kompatibilität mit der Bestandsflotte) am besten erfüllen, sind Fischer-Tropsch-Kraftstoffe und längerkettige Alkohole für Dieselmotoren sowie Methanol-to-Gasoline (MtG) und Methanol für Ottomotoren. Es ist möglich, mit hydroformylierten Fischer-Tropsch-Kraftstoffen, die lang- und mittelkettige Alkohole enthalten, einen E-Fuel für Dieselmotoren herzustellen, der mit der aktuellen Norm EN590 kompatibel ist und dadurch auch in jedem Verhältnis in die bestehende Flotte beigemischt werden kann. Wie Abbildung 4 zeigt, ermöglichen diese Kraftstoffe aufgrund ihrer günstigen Eigenschaften außerdem eine signifikante Ruß- bzw. NOx-Reduktion.

Für Ottomotoren könnte Methanol ein vielversprechender Kandidat sein. 2018 wurden, hauptsächlich für die Chemieindustrie, etwa 110 Mio. t synthetisiert und gehandelt. Aufgrund der sehr hohen Klopffestigkeit und der guten mageren Brenneigenschaften kann der Wirkungsgrad von Ottomotoren mit Methanol merklich gesteigert werden. So können mithilfe von E-Fuels ähnliche Tank-to-Wheel-Effizienten erreicht werden wie Fahrzeuge mit Brennstoffzelle. Abbildung 5 zeigt die Wirkungsgradsteigerung bisheriger motorischer Maßnahmen und wie das Ziel von 50 Prozent Wirkungsgrad in Zukunft erreicht werden könnte.

Einige Länder, insbesondere China, treiben die Nutzung von Methanol enorm voran. Der Methanolgehalt in Benzin ist in Europa momentan in der EN228 auf 3 Prozent v/v limitiert, auch wenn die meisten Materialien der Kraftstoffsysteme bereits bis 15 Prozent v/v zertifiziert sind. Neben der direkten Nutzung als Kraftstoff eignet sich Methanol auch sehr gut als Ausgangsstoff für andere Kraftstoffe. So kann über den Methanol-to-Gasoline-Prozess (MtG) ein benzinäquivalenter synthetischer Kraftstoff erzeugt werden, der ebenfalls in großen Mengen zu konventionellem Kraftstoff beigemischt werden kann.

Anwendungsbereiche für E-Fuels

Deutschland wird sich in Zukunft stark auf PtX-Importe verlassen müssen. Allerdings sind es vor allem die Kosten, die die Verbreitung verschiedener Technologien entscheiden werden. Da lokale Gegebenheiten die Verfügbarkeit von erneuerbaren Energien maßgeblich beeinflussen, variieren auch die Synthesekosten weltweit sehr stark. Abbildung 6 zeigt, wie massiv die Produktionskosten des Kraftstoffes von den Stromkosten abhängen.

In vielen Ländern, zum Beispiel im Mittleren Osten und Nordafrika (MENA), werden die Synthesekosten durch geringe Strompreise bis 2030 unter 1 Euro/l Dieseläquivalent sinken. Obwohl die Potenziale von E-Fuels auch außerhalb von Europa diskutiert werden, ist aktuell noch keine großtechnische PtX-Anlage in Planung, da die Gesetzgebung noch keine CO2-Reduzierung durch E-Fuels anerkennt. Daher sehen Marktakteure noch keinen ausreichenden Business Case, um in E-Fuels zu investieren. Eine schnelle Markteinführung könnte erzielt werden, wenn ein Akteur direkt von der Produktion, dem Inverkehrbringen oder der Nutzung von E-Fuels profitieren würde. Dazu könnte ein Zertifikatsystem eingeführt werden, das Autoherstellern erlaubt, CO2-neutralen Kraftstoff und dazugehörige Zertifikate einzukaufen. Der Kraftstoff würde über Beimischung in die bestehende Infrastruktur von allen Kunden genutzt werden. Die CO2-Einsparungen, die durch die Nutzung der E-Fuels entstehen, würden dann auf die CO2-Emissionen der Fahrzeugflotte des Herstellers angerechnet werden. Eine weitere Option stellt eine Umgestaltung der Energiesteuer dar, wobei die Energiesteuer auf erneuerbare Energieträger gesenkt und die Kosten für CO2-Emissionen aus der Verbrennung von fossilen Kraftstoffen nach und nach angehoben würde. Adressierte Stakeholder könnten die Mineralölindustrie oder Automobilhersteller sein. Dies würde ein tragfähiges Geschäftsmodell mit der dringend benötigten Investitionssicherheit hervorbringen.

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