Man muß nicht alles wissen, nur, wo es steht

E-Fuels als Alternative zu LION-Batterien und Wasserstoff

Manche Entwicklungen dauern sehr lange, bis sie sich durchsetzen, beispielsweise der Verzicht auf den unkontrollierten und massenhaften Einsatz von Plastik. Andere ändern die Welt sozusagen über Nacht, zum Beispiel die Entdeckung des Penicillin durch Alexander Fleming, was Millionen von Menschen seitdem das Leben gerettet hat.

Nicht immer ist eine zu spät einsetzende Einsicht in die Unvernunft einer Sache der Grund für Verzögerungen. Oft ist es schlichtweg eine Frage der Zeit und der Vorbereitung, bis sich eine neue Idee durchsetzen kann.

So mancher, der jetzt die Wasserstofftechnik schon als Energiequelle der Zukunft sieht, stellt selbstbewusster werdend die Batterietechnik in Frage. Denn die Herstellung der großen Lithium-Ionen-Batterien verschlingt wertvolle Ressourcen. Ressourcen, die zum Teil knapp sind (Lithium, Kobalt) oder aber zur Klimaerwärmung beitragen (Energiebedarf der Herstellung).

Dass die Automobilindustrie deutschlandweit einen verstärkten Ausbau der Lademöglichkeiten für Elektrofahrzeuge fordert, hat einen wichtigen Grund. Denn die Akzeptanz von elektrisch angetriebenen Fahrzeugen ist unter anderem maßgeblich davon abhängig, dass eine ausreichende Reichweite und vor allem Ladesäulendichte vorhanden ist. Doch der Ausbau der Ladesäulen ist kostspielig und zeitaufwendig, denn nicht nur die Ladesäule selbst, sondern auch die dahinter liegende Infrastruktur der Energieversorgung muß angepasst werden. Diese Aufgabe bewegt sehr viele Räder, die nicht alle gleich schnell gedreht werden können. Bereits die Schaffung eines einheitlichen Standards der Abrechnung nimmt Jahre in Anspruch – da ist das Bezahlen des Benzins oder Diesels an jeder beliebigen Tankstelle erheblich unkomplizierter und vor allem deutschlandweit einheitlich.

Die Frage, warum Dr. Herbert Diess von VW für seine CO2-neutrale Zukunftsvision ganz auf die Batterietechnologie setzt, liegt nicht daran, dass er der Wasserstofftechnologie keine Existenzberechtigung zugesteht. Vielmehr ist es eine Überlegung, welche klimafreundliche Technologie für das Auto von Heute am schnellsten verfügbar ist. Und da hat die Lithiumionentechnik eindeutig die Nase vorne, denn es gibt diese Technologie seit über 30 Jahren. Fertigungsverfahren, Fertigungskapazitäten und Lieferketten sind etabliert und erprobt. Sie für die Antriebstechnik im Automobil zu nutzen ist unter dem Gesichtspunkt der Verfügbarkeit in großen Mengen die vernünftigste Entscheidung.

Wasserstoff lässt sich vergleichsweise einfach per Elektrolyse aus Wasser herstellen. Das Prinzip ist weit über 100 Jahre alt. Doch bislang ist die massenhafte Herstellung von Wasserstoff aus Erdgas u.a. für die Düngemittelherstellung um etwa das 10fache günstiger wie Wasserstoff, der mit Strom aus regenerativen Quellen hergestellt wurde.

Dass die Aufspaltung von fossilem Erdgas zu Wasserstoff als Energiespeicher nicht zielführend ist für einen klimaneutrale Antrieb dürfte jedem klar sein. Auch der Einsatz von Kohlestrom zur Herstellung von Wasserstoff ist nicht zielführend. Denn auf diese Weise würde eine zwar lokal emissionsfreie Brennstoffzelle (Gewinnung der Antriebsenergie durch umgekehrte Elektrolyse) keinen globalen Beitrag zur CO2 Entlastung leisten.

Nur der Einsatz rein regenerativ gewonnener Energie macht bei einem Lithium-Ionen-Batterie Antrieb oder eine Brennstoffzelle Sinn. Doch nicht nur der dafür notwendige, massive Ausbau der Alternativen Energiequellen stellt ein Problem dar. Obwohl der Prozess, der in einer Brennstoffzelle abläuft, vergleichsweise einfach ist, ist die Herstellung eines Brennstoffzellen-Stack fertigungstechnisch eine Herausforderung. Dies noch nicht einmal nur durch die Präzision, die dafür notwendig ist, sondern auch die schiere Anzahl, die benötigt würde, wenn massenhaft Autos mit dieser Technik ausgerüstet werden. Kein Unternehmen auf der Welt hat derzeit die Kapazität, massenhaft die für die Gewinnung des klimaneutralen Wasserstoffs notwendigen Elektrolyseure herzustellen noch die Möglichkeit, ausreichend schnell und zuverlässig große Stückzahlen Brennstoffzellen zu liefern.

Herbert Diess geht – wie viele andere auch - schlichtweg den derzeit einzig gangbaren Weg, um kurzfristig mit großen Stückzahlen in das Post-CO2-Zeitalter im Verkehr einzusteigen. Dass Wasserstoff deswegen nicht vom Tisch ist, zeigt, dass über das Jahr 2030 hinaus die Elektroplattform bei VW ergänzt werden soll um Wasserstoff-angetriebene Fahrzeug.

Bei aller Diskussion um den notwendigen Wandel im Verkehr darf man auch nicht vergessen, dass die bestehende Fahrzeugflotte in Deutschland im Schnitt 10 Jahre genutzt und dann in Drittländern sogar viele weitere Jahre eingesetzt wird. Diesen Bestand an Verbrennerfahrzeugen wird es also noch länger geben. Dies führt zu dem Ansatz, den Elon Musk im September 2020 bei seinem Besuch des Brandenburger Batteriewerks wiederholt geäußert hat: Er sieht die sogenannten E-Fuels als eine vernünftige Übergangslösung.

E-Fuels sind synthetisch hergestellte Kraftstoffe, die zum Teil ohne Modifikationen in heutigen Verbrennermotoren eingesetzt werden können. Der Charme dieser E-Fuels erklärt sich durch ihre Herstellung: Man kann aus mit regenerativ gewonnenem Wasserstoff und dem CO2 aus der Atmosphäre Kohlenwasserstoffe herstellen (im simpelsten Fall Methan, CH4). Diese Kohlenwasserstoffe sind chemisch eng verwandt mit den Kohlenwasserstoffen in den fossilen Brennstoffen, wären aber klimaneutral, denn das bei der Verbrennung freiwerdende Kohlendioxyd wurde ja vorher der Atmosphäre entnommen.

Leider ist der Herstellungsprozess für sogenannte Power-to-Liquid Kraftstoffe sehr energieintensiv und heute noch sehr teuer. Doch so ein Kraftstoff kann ohne allzu große Aufwendungen ist die schon existierende Infrastruktur von Tankstellen integriert werden.

Dies führt zu der Überlegung, wie geeignet denn die einzelnen Technologien sind in Bezug auf eine ganzheitliche Betrachtung (Well-to-Wheel). Und da schneidet die Batterietechnologie vergleichsweise schlecht ab, denn die Investitionen in die dafür notwendige Infrastruktur sind enorm. Bei Wasserstoff, den man in kurzer Zeit tanken und auch gut speichern bzw. lokal herstellen kann, sind diese Investitionskosten geringer, aber dennoch bedeutend. Dahingegen sind bei einer Gesamtbilanzbetrachtung die E-Fuels durchaus attraktiv. Vor allem vor dem Hintergrund, dass Verbrenner auch über das Jahr 2030 hinaus noch fahren werden. Ersetzt man dort den fossilen Treibstoff durch E-Fuels, hat man den am schnellsten wirkenden Wechsel zu lokal emissionsfreiem Antrieb – und das ganze ohne große Umrüstkosten an den Fahrzeugen.

Dass Veränderung des individuellen Verkehrsverhaltens noch schneller, nachhaltiger und kostengünstiger wirken würden – der Verzicht auf Kurzstreckenfahrten, Flugreisen, der Ausbau des ÖNV, bessere Radwege oder stärkere Förderung von Fahrgemeinschaften und Sharing-Angeboten – ist richtig. Doch bleibt es dem Leser überlassen, sich über die dafür notwendigen Maßnahmen Gedanken zu machen, was vernünftig umsetzbar ist und in welcher Zeit. Denn auch bei diesem Thema stehen sich Vernunft und Zeitbedarf für den Wandel gegenüber.

(09/2020)

Die Firma INERATEC liefert nach eigenen Angaben modulare Chemieanlagen für Power-to-X- und Gas-to-Liquid-Anwendungen. In diesen Anlagen können auch nachhaltige Brennstoffe und ähnliche Produkte hergestellt werden. Dies gelingt, indem Wasserstoff aus erneuerbarer Elektrizität und Treibhausgase (Methan, Kohlendioxyd) in E-Kerosin, klimaneutrales Benzin, sauberen Diesel oder synthetische Wachse, Methanol oder SNG umgewandelt werden. 

https://ineratec.de/ 

Aviation Initiative for Renewable Energy in Germany e.V.

Der Verein "aireg e.V." bemüht sich unter anderem um die Implementierung von synthetischem Kraftstoff in der Luftfahrt. Ein Ziel davon ist, die ausgestoßene CO2-Menge merklich zu reduzieren. Dazu bietet sich die Elektrolyse an mit anschließender Synthesegasherstellung und der Fischer-Tropsch-Synthese zur finalen Herstellung flüssiger Treibstoffe.

Bislang ist die Herstellung des bei der Synthesegasherstellung benötigten Wasserstoffs zum größten Teil nicht durch regenerativ gewonnenen Strom abgedeckt, wodurch die CO2 Belastung durch einen synthetischen Treibstoff nicht wesentlich sinkt. Erst eine Elektrolyse mit 100% Ökostrom macht wirklich Sinn.

Als Zwischenschritt kann der u.a. von Caphenia genutzte Weg gelten: die Aufspaltung von Methan (Erdgas oder  Biogas) in Wasserstoff und Kohlenstoff (siehe auch Methanpyrolyse, z.B. Hazer Group, AUS). Das Besondere am Carphenia-Prozess ist die Integration von drei Teilschritten in einen Reaktor.

Langfristig muß dieses Verfahren, selbst wenn es mit Biogas (Konkurrenz  mit Nahrungsmittelpflanzen) betrieben wird, durch das Elektrolyseverfahren mit 100% Ökostrom ersetzt werden, um nachhaltig die CO2-Emissionsfreiheit zu erreichen.

Norsk e-Fuel: Erneuerbarer Flugkraftstoff für Norwegen

Joint-Venture Nutzung des Stromüberschusses in Norwegen für den P2L Prozess.

Teilnehmer:

Sunfire GmbH, Climeworks AG, Paul Wurth SA (SMS Group), Valinor AS,

CCU und CCS

CCU ist das "Einfangen" von CO2 und dessen Nutzung. Dahingegen ist das Ziel bei CCS die möglichst langfristige Einlagerung von CO2 in z.B. Gesteinsschichten. Beide Ansätze wollen CO2 der Atmosphäre entziehen und so die Klimaerwärmung dämpfen.

Bei Carbon Capture und Usage (CCU) ist das Ziel, durch Gewinnung von CO2 direkt aus der Atmosphäre oder aus z.B. Rauchgasen bei der Verhüttung von Eisenerz chemische Rohstoffe herzustellen. Diese können dann für unterschiedliche Produkte und Prozesse eingesetzt werden.

Die Idee dabei ist die Verbindung des gewonnenen CO2 mit Wasserstoff, der mit Hilfe regenerativ gewonnener Energie hergestellt wurde. Im Simpelsten Fall entsteht Methan oder Methanol. Aber auch längere Kohlenwasserstoff-Ketten sind möglich bis hin zu Kunststoffen.

Die technologischen Grundsätze sind bekannt, erste Versuchsanlagen und kleinere Produktionsanlagen sind in Betrieb. Deutschland steht auch bei dieser "Umwelttechnologie" an vorderster Reihe. Es hat damit die Chance, wegfallende Arbeitsplätze und Wirtschaftskraft in anderen Bereichen zu kompensieren.

Ein deutsches Projekt dazu: Carbon2Chem mit ThyssenKrupp