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Synthetische Kraftstoffe: Sind E-Fuels eine umweltfreundliche Alternative zu Benzin?

22. Mai 2023 von

Die Forschung nach Alternativen zu Benzin und Diesel beschränken sich nicht auf Elektro. Seit einiger Zeit forscht man an sogenannten synthetischen Kraftstoffen, und auch die Autohersteller – allen voran Porsche – beteiligen sich mehr und mehr.

Die wichtigsten Fragen im Überblick:

  1. Was sind E-Fuels?
  2. Warum entwickelt man synthetische Kraftstoffe?
  3. Welche synthetischen Kraftstoffe gibt es?
  4. Wie werden E-Fuels hergestellt?
  5. Wie effizient sind E-Fuels?
  6. Wie umweltfreundlich sind E-Fuels?
  7. Sind E-Fuels lokal emissionsfrei?
  8. Was kosten E-Fuels?
  9. Gibt es neue Autos, die mit synthetischen Kraftstoffen fahren?
  10. Wo ist der Einsatz von E-Fuels sinnvoll?

Was sind E-Fuels?

Als E-Fuels werden eine Reihe unterschiedlicher strombasierter und synthetisch erzeugter Kraftstoffe bezeichnet. Sie sind künstlich hergestellt und ein möglicher Ersatz für fossile Brennstoffe wie Benzin, Diesel oder Kerosin. Sie können ohne weitere technische Modifikationen in herkömmlichen Verbrennungsmotoren eingesetzt oder anderen Kraftstoffen beigemischt werden und bestehen aus Kohlenwasserstoff-Molekülen.

Warum entwickelt man synthetische Kraftstoffe?

Zur Erreichung der Klimaziele, die aus dem Abkommen von Paris sowie verschiedenen Szenarien des Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC) hervorgehen, ist es nötig, die Verbrennung fossiler Kraftstoffe in allen Sektoren zu beenden. In Deutschland wird bis 2030 eine Reduktion der Treibhausgas-Emissionen um 55% und bis 2050 um 80 bis 95% angestrebt.

Nicht in allen Sektoren ist eine direkte Elektrifizierung mit erneuerbaren Energien möglich. In solchen Sektoren bietet sich mithilfe von E-Fuels daher eine indirekte Elektrifizierung an.

Quelle: Jülich Forschungszentrum

Welche synthetischen Kraftstoffe gibt es?

Es gibt eine ganze Reihe an synthetischen Kraftstoffen von Wasserstoff über verschiedenste E-Fuels, die in der Regel nach ihrem Anwendungsbereich kategorisiert werden, z.B. E-Benzin, E-Diesel oder E-Kerosin.

Weiterhin können synthetische Kraftstoffe nach ihrem CO2-Ursprung klassifiziert werden. In der Diskussion um nachhaltige E-Fuels wird in der Regel auf PtL-Kraftstoffe oder StL-Kraftstoffe Bezug genommen.

Folgende Kraftstoffarten werden dabei als Unterformen der X-to-Liquid (XtL) Technologie unterschieden:

  • Gas-to-Liquid (GtL-Kraftstoffe) in der Regel aus Erdgas
  • Coal-to-Liquid (CtL-Kraftstoffe)
  • Biomass-to-Liquid (BtL-Kraftstoffe) aus Stroh, Holzabfällen oder Energiepflanzen
  • Power-to-Liquid (PtL-Kraftstoffe) aus grünem Strom mithilfe von Direct Air Capture
  • Sun-to-Liquid (StL-Kraftstoffe) bei denen Solarenergie für die Prozesswärme zum Einsatz kommt

Wie werden E-Fuels hergestellt?

Die Ausgangsstoffe zur Herstellung von E-Fuels sind Wasser (H2O) und Kohlenstoffdioxid (CO2). Vereinfacht ausgedrückt, wird zunächst das Wasser (H2O) mittels Elektrolyse in Wasserstoff (H2) und Sauerstoff (O2) aufgespalten. Durch Synthese wird der so gewonnene Wasserstoff mit den Kohlenstoff-Molekülen (C) des Kohlenstoffdioxids zu Kohlenwasserstoff (CxHx) verbunden.

Grundsätzlich gibt es zwei verschiedene Herstellungspfade:

1. Fischer-Tropsch-Synthese (FT-Synthese)

Die FT-Synthese ist das gängigste Verfahren. Für dieses Verfahren wird zunächst ein Synthesegas aus Wasserstoff (H2), Kohlenmonoxid (CO), Kohlendioxid (CO2) und Wasserdampf hergestellt. Dabei werden hohe Konzentration an Kohlenmonoxid (CO) angestrebt. Aus diesem Synthesegas kann anschließend ein als E-Crude bezeichnetes Gemisch mit verschiedenen Kohlenwasserstoffketten entstehen. Das E-Crude kann von Raffinerien in spezifische Endprodukte als Ersatz für Benzin, Diesel oder Kerosin aufgetrennt werden.

2. Methanolsynthese

Bei der Methanolsynthese entsteht Rohmethanol, das ebenfalls als Rohölersatz für weitere Kohlenwasserstoffe dienen kann. Am gängigsten ist die zweistufige Methanolsynthese, für die ebenfalls zunächst ein Synthesegas notwendig ist. Seltener ist die direkte Methanolsynthese, die ohne den limitierenden Faktor der reversen Wassergas-Shift-Reaktion (RWGS) und damit ohne Synthesegas auskommt. Obwohl die Weiterverarbeitung in Endprodukte wie Diesel oder Kerosin bei der Methanolsynthese technisch möglich ist, ist das anders als bei der FT-Synthese kein heutiger Standard.

Wie effizient sind E-Fuels?

Um die Effizienz verschiedener Technologien miteinander zu vergleichen, wird der Wirkungsgrad herangezogen. Er gibt an, wie viel Energie im gesamten Prozess zugeführt wird und welcher Prozentsatz davon am Ende im Auto noch in Bewegungsenergie umgewandelt werden kann.

Wirkungsgrad verschiedener Antriebe
Prozessschritte Elektroauto
(BEV)
Wasserstoff-
Fahrzeug
(FCEV)
Verbrenner
(Benzin)
Verbrenner
(E-Fuel)
Erneuerbarer Strom 100% 100% 100%
Transporte /
Leitungsverluste /
Aufbereitungsverluste
95% 90% 85% 95%
Elektrolyse 70% 70%
Fischer-Tropsch-Synthese 70%
Wasserstoffverflüssigung 80%
Brennstoffzelle 60%
Batterie 95% 95%
Elektromotor 90% 90%
Verbrennungsmotor 30% 30%
Systemwirkungsgrad 81% 26% 26% 14%

Quelle: Umweltbundesamt in Anlehnung an WAGEMANN & AUSFELDER 2017

Der Wirkungsgrad von Verbrennungsmotoren, die mit E-Fuels betrieben werden, liegt verschiedenen Studien zufolge im Durchschnitt bei rund 15%. Das hängt zum einen mit den hohen Verlusten durch die lange Produktionskette zusammen und wird zum anderen durch die Thermodynamik limitiert. Es gibt wenig Potenzial zur Steigerung des Wirkungsgrades, weil die meisten Prozesse von der Herstellung des Wasserstoffes über die Fischer-Tropsch-Synthese bis hin zum Verbrennungsmotor bereits gut erforscht sind.

Zum Vergleich: Verbrennungsmotoren, die mit fossilen Kraftstoffen betrieben werden, erreichen einen Wirkungsgrad von rund 25%. Brennstoffzellenfahrzeuge (FCEV), die direkt mit Wasserstoff fahren, erreichen 20 bis 35%. Deutlich besser schneiden Elektroautos mit einem Wirkungsgrad von rund 75 bis teils über 80% ab.

Wie umweltfreundlich sind E-Fuels?

Theoretisch ist es möglich, E-Fuels weitestgehend umweltfreundlich und CO2-neutral aus erneuerbaren Energien herzustellen. Um das zu ermöglichen, müssen alle Energieträger im einzelnen sowie die zugeführte Energie aus erneuerbaren Quellen stammen. Eine bessere Einstufung für die Umweltplakette ist mit E-Fuels aber nicht zu erwarten.

Anforderungen an die E-Fuel-Herstellung

Welche Schwierigkeiten dabei in der Praxis bestehen, zeigt eine Betrachtung der einzelnen Anforderungen.

1. Strom

Strom aus nachhaltigen und erneuerbaren Quellen wie Windkraft, Wasserkraft oder Solar ist eine Grundvoraussetzung für die möglichst umweltfreundliche Herstellung von E-Fuels.

Für die Klimaschutzbewertung ist ebenfalls relevant, welche zusätzliche Stromnachfrage für die E-Fuel-Produktion bewältigt werden muss. Dieses Argument ist aus dem Diskurs um Elektroautos bekannt und trifft auf E-Fuels aufgrund des schlechteren Wirkungsgrades um ein Vielfaches zu. Somit stehen E-Fuels immer in Konkurrenz zu Alternativen, insbesondere der effizienteren direkten Elektrifizierung.

In Stromsystemen mit großen Anteilen aus fossilen und nuklearen Energiequellen ist es wahrscheinlich, dass die zusätzliche Stromnachfrage mit recht hohen Anteilen aus diesen Energiequellen befriedigt wird und somit höhere Treibhausgas-Emissionen oder höhere Stromerzeugungsanteile aus Kernenergie daraus folgen. Die alleinige Nutzung von Überschussstrom für die E-Fuel-Produktion wäre vor allem wegen der geringen Auslastung der Produktionsanlage unökonomisch, weil „Überschussstrom“ nur in wenigen Stunden im Jahr, in geringen Mengen und räumlich verteilt auftritt. Hinzu kommt, dass die FT-Synthese ein wenig dynamischer Prozess mit geringen Möglichkeiten für die Reaktion auf schwankende erneuerbare Stromerzeugungskapazitäten ist.

Im Ausbau erneuerbarer Energien zur Stromerzeugung konkurrieren E-Fuels dadurch mit anderen Sektoren. Global betrachtet ist die Klimaschutzwirkung neuer erneuerbarer Stromerzeugungskapazitäten höher, wenn erneuerbarer Strom direkt fossile Kraftwerke im einheimischen Stromsystem verdrängt als bei der E-Fuel-Nutzung. Daraus folgt, dass sich aus dem Export von E-Fuels auch keine zeitliche Verzögerung bei der Transformation der Stromsysteme hin zu erneuerbaren Energien im jeweiligen Produktionsland ergeben darf.

2. Wasserstoff

Zur Herstellung von Wasserstoff gibt es zwei unterschiedliche Verfahren. Potenziell CO2-frei ist nur die Elektrolyse, bei der Wasser in die Bestandteile Wasserstoff und Sauerstoff getrennt wird. Neben der Stromerzeugung bedarf es für die Herstellung von Wasserstoff mittels Elektrolyse großer Wassermengen. Rund 1,4 Liter Wasser fallen direkt an für jeden Liter an Kraftstoff, der in E-Fuel-Anlagen produziert wird. Der Wasserbedarf erhöht sich indirekt auf bis zu 70 Liter Wasser je Liter Kraftstoff, wenn die Kühlung der Einzelprozesse sowie möglicherweise auch die Reinigung von Anlagen für die solare Stromerzeugung mit einbezogen werden.

Die hohe Entnahme von Süßwasser aus umliegenden Gebieten für Lithium oder E-Fuels birgt ihrerseits fatale Folgen für die Umwelt, den Grundwasserspiegel und die Frischwasserversorgung in der jeweiligen Region. Viele der diskutierten Beststandorte für die Herstellung von E-Fuels sind günstig für die Stromerzeugung durch Solar oder Windkraft gelegen, gehören allerdings zu den trockensten Regionen der Welt. Die Wasserversorgung ist in diesen Regionen (z.B. MENA-Region, Südafrika, Australien, Teile Chinas, Südwesten der USA) bereits heute mangelhaft. Daher wird Wasserstoff für die E-Fuel-Produktion in der Regel nicht vor Ort produziert. Es fallen zusätzliche Transportwege, -kosten und -emissionen an.

Eine Entnahme von Salzwasser durch Anlagen in Küstennähe ist ebenfalls möglich. Nachteile ergeben sich dabei durch den abermals hohen Energieaufwand von Entsalzungsanlagen sowie die gleichen Umweltrisiken, die auch bei der Produktion von Lithium für Elektroautobatterien durch die Rückfuhr der mit Chemikalien und Salz angereicherten Sole entstehen.

Das weltweit am meisten verbreitete Verfahren zur Herstellung von Wasserstoff ist nicht die Elektrolyse, sondern Erdgasreforming. Dieses Verfahren trägt aufgrund seines fossilen Ursprunges nicht zur Reduktion der THG-Emissionen aus dem Verkehrssektor bei.

3. Kohlenstoffdioxid

Selten wird die Bereitstellung von Kohlenstoffdioxid (CO2) im öffentlichen Diskurs von E-Fuels thematisiert. Für ein Kilogramm synthetischen Kraftstoff werden etwa drei Kilogramm CO2 benötigt. Dabei zeigt sich, dass selbst bei einer Stromerzeugung aus über 95% erneuerbarer Energien, keinerlei Klimaschutzeffekt gegenüber fossilen Kraftstoffen erzielt werden kann, wenn ungeeignete Kohlendioxidquellen zum Einsatz kommen. Für den Bezug des Kohlendioxids kommen verschiedene Quellen in Betracht:

a. Direct Air Capture (DAC)

Ein klimaneutraler CO2-Kreislauf ergibt sich beispielsweise bei der direkten Entnahme aus der Atmosphäre bereitgestellt werden. Das sogenannte Direct Air Capture (DAC) Verfahren ist ein Prozess mit hohem Energieaufwand, denn die Konzentration von CO2 in der Atmosphäre beträgt lediglich 0,04%. Die Technologie befindet sich noch in der Entwicklungsphase, ist daher mit hohen Kosten verbunden und nur in begrenzten Kapazitäten verfügbar. DAC-Anlagen weisen zudem einen hohen Flächenbedarf auf. Damit reicht DAC als Quelle für die Herstellung von E-Fuels im industriellen Maßstab kurz- und mittelfristig nicht aus.

b. Natürliche CO2-Quellen

Eine weitere CO2-neutrale Quelle ergibt sich an Orten, an denen CO auf natürliche Art und Weise ohne menschlichen Einfluss in die Atmosphäre emittiert (z.B. geologische Quellen). Das Potenzial solcher Quellen ist allerdings gering, so dass sich hieraus keine signifikanten Mengen an Kohlendioxid für die E-Fuel-Produktion ergeben.

c. Biogene Quellen

Die Verwertung von Biomasse aus Holz oder Pflanzen stellt eine weitere CO2-Quelle dar, die zumindest theoretisch erneuerbar erscheint. Das Angebot dieser Biomasse ist beschränkt und die Nachfrage als Energieträger für Raumwärme oder als Baustoff hoch. Daraus ergibt sich eine Bedrohung für die Wälder der jeweiligen Holz-Exportländer oder Konkurrenz für die Nahrungsmittelversorgung beim Anbau von Energiepflanzen wie Mais.

d. Industrielle Quellen

Die größten Mengen CO2 lassen sich über die Doppelnutzung fossiler Energie bereitstellen. Beispielsweise entstehen bei der Herstellung von Bioethanol und Biogas hohe Anteile von Kohlendioxid in den Abgasströmen, die sich mit vergleichsweise wenig Energie abtrennen lassen. Doch die weite räumliche Verteilung solcher Anlagen würde zunächst eine Infrastruktur zum Transport von CO2 erfordern. Stärker konzentrierte Punktquellen bestehen bei Stahl- und Zementwerken, die sehr gut geeignete Kohlendioxidquellen für die E-Fuel-Herstellung sind.

Dennoch ist CO2 aus der Doppelnutzung fossiler Energien nicht klima- oder CO2neutral. Die Abscheidung von Kohlenstoffdioxid wirkt sich negativ auf die Effizienz des primären Industrieprozesses aus. Diese Mehremissionen müssen der E-Fuel-Produktion angerechnet werden. Außerdem könnten durch die Doppelnutzung Anreize zur direkten Elektrifizierung oder Transformation zu erneuerbaren Energien in den jeweiligen Industriezweigen verloren gehen. Diese zusätzlichen Treibhausgase, die sich durch die verlangsamte THG-Reduktion industrieller Punktquellen ergeben, sind ebenfalls den E-Fuels zuzurechnen.

Quelle: Öko-Institut e.V.

Weiterhin steht die Kohlendioxid-Gewinnung zur Herstellung von E-Fuels als Carbon-Capture-and-Use (CCU) Technologie in Konkurrenz zu Carbon-Capture-and-Storage (CCS) Projekten, bei denen das entnommene CO2 gespeichert (z.B. in den Boden gepresst) wird und dadurch nicht nur CO2-neutral, sondern CO2-negativ wirkt. Insofern darf die E-Fuel-Herstellung nicht Gelegenheiten zu Negativ-Emissionen mittels CCS verhindern, deren Nutzung laut Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC) essentiell für die Erreichung der Klimaschutzziele ist.

Im besten Fall, d.h. bei Nutzung erneuerbarer Energien im gesamten Herstellungsprozess und CO2 über Direct Air Capture, ergeben sich für die Bereitstellung von E-Fuels noch THG-Emissionen von 0,04 kg CO2eq (CO2-Äquivalente) je kWh. Sie resultieren beispielsweise aus der Flächennutzung oder dem Aufbau von Infrastruktur. Das sind noch rund dreimal höhere Emissionen als bei direkter Elektrifizierung mit erneuerbaren Energien (0,014 kg CO2eq je kWh). Wird ein heute durchschnittlicher Strommix für die Produktion angenommen sowie die Herstellung von Wasserstoff über das gängige Erdgasreforming erhöhen sich die THG-Emissionen auf 0,7 kg CO2eq je kWh – die zehnfache Menge, die bei der Bereitstellung fossiler Kraftstoffe wie Benzin, CNG und Diesel entsteht (0,07 kg CO2eq je kWh).

Sind E-Fuels lokal emissionsfrei?

Nein. E-Fuels können bilanziell CO2-neutral fahren, indem das CO2 an anderer Stelle zuvor durch Direct Air Capture (DAC) aus der Atmosphäre entnommen wird. Bei der Verbrennung im Motor fallen wiederum Emissionen an. Neben CO2 zählen dazu auch Stickoxide (NOx), Kohlenmonoxid (CO) und Ammoniak (NH3). Im Vergleich mit herkömmlichen Benzinern zeigt sich, dass durch E-Fuels genau so viel Stickoxide (NOx) emittiert werden wie beim Einsatz von E10 und etwa ein Drittel im Vergleich zu Diesel. Gleichzeitig entsteht bei der Verbrennung von E-Fuels im Vergleich zu E10 dreimal so viel Kohlenmonoxid (CO) und zweimal so viel Ammoniak (NH3), das sich in der Luft mit anderen Partikeln zu Feinstaub verbinden kann. E-Fuels können daher keinen Beitrag leisten, um lokale, gesundheitsschädliche Emissionen in Ballungsgebieten zu verringern.

Quelle: Transport & Environment

Was kosten E-Fuels?

Der hohe Energieaufwand macht E-Fuels enorm teuer. Die aktuellen Produktionskosten der Pilotanlage Haru Oni in Chile belaufen sich derzeit auf etwa 50 € pro Liter E-Fuel.
Durch eine Etablierung von E-Fuels und damit verbundener Prozesse, insbesondere dem Direct Air Capture (DAC), könnten die Produktionskosten auf rund 2 € je Liter sinken. Das entspricht dem Vierfachen des durchschnittlichen Großhandelspreises von fossilem Benzin (0,50 € pro Liter). Hinzu kämen außerdem Steuern und Gewinnmargen, sodass die Kosten für Endverbraucher:innen nochmals deutlich höher ausfallen.

Quelle: Fraunhofer Institut

Ein Vergleich aller Treibstoffarten über den gesamten Lebenszyklus zeigt, dass PKW mit E-Fuels selbst bei stark sinkenden E-Fuel-Preisen noch die teuerste aller Kraftstoffarten sind. Sie wären mehr als 60% teurer als die kostengünstigste Alternative (Erdgas-PKW) und noch 25% teurer als Elektroautos. In einer Prognose bis 2030 steigt die Kostendifferenz zu E-Autos sogar auf über 50% aufgrund der sinkenden Produktions- und Anschaffungskosten für Elektroautos. Damit wäre ein E-Fuel-PKW auch 2030 über den Lebenszyklus betrachtet noch etwa 1,5 Mal teurer als ein Elektroauto.

Gibt es neue Autos, die mit synthetischem Kraftstoff fahren?

E-Fuels können in verschiedenen Formen als E-Benzin oder E-Diesel ohne weitere Modifikationen in herkömmlichen Verbrennungsmotoren eingesetzt werden. Derzeit gibt es noch keine Autos, die ausschließlich mit synthetischem Kraftstoff fahren. Es gibt aktuell auch noch keine Tankstelle in der EU, die E-Fuels anbietet.

Der Beschluss der Europäischen Union sieht vor, dass ab 2035 nur noch Autos mit Verbrennungsmotoren neu zugelassen werden dürfen, wenn diese ausschließlich mit E-Fuel und nicht mit fossilen Kraftstoffen betrieben werden können. Ob und wie diese Restriktion technisch umsetzbar ist (d.h. dass ein Auto prüfen kann, ob es sich um fossilen oder synthetischen Kraftstoff handelt), bleibt derzeit unklar.

Wo ist der Einsatz von E-Fuels sinnvoll?

Aus den geringen Produktionskapazitäten und der steigenden Nachfrage an grünen Kraftstoffen ergeben sich Engpässe. Die Verwendung von E-Fuels trägt am meisten zum Klimaschutz in Sektoren bei, in denen unvermeidbare Emissionen entstehen und eine direkte Elektrifizierung schwierig bis unmöglich erscheint: Das sind Teile der Chemie-Industrie zur Herstellung von Kunststoffen sowie im Verkehrssektor vor allem der Flugverkehr und die Schifffahrt. Dort bietet sich mit strombasierten synthetischen Kraftstoffen die Möglichkeit zur indirekten Elektrifizierung.

Quelle: PIK Potsdam

Bis 2035 werden derzeit weltweit etwa 60 neue E-Fuel-Projekte angekündigt. Der größte Teil davon befindet sich noch in Konzeption oder Machbarkeitsstudien. Nur für rund 1% dieser Projekte existiert bereits eine Investitionsentscheidung.

Wird optimistisch davon ausgegangen, dass alle angekündigten Projekte realisiert werden und sie ihre prognostizierten Produktionskapazitäten erreichen, so würde die globale E-Fuel-Produktion in 2035 nur etwa 10% der deutschen Nachfrage in unverzichtbaren E-Fuel-Anwendungen (Flugverkehr, Schifffahrt, Chemie) decken können.

In einem Szenario, in dem zusätzlich durch politische Anreize ein starkes technologisches Wachstum von 50% (vergleichbar mit dem Wachstum von Solar-PV) für E-Fuels angenommen wird, reichen die globalen Produktionskapazitäten 2035 noch immer bloß für die Hälfte der deutschen Nachfrage in unverzichtbaren Anwendungen.

Es wird deutlich, dass mittelfristig keine E-Fuels für den PKW- oder LKW-Verkehr zur Verfügung stehen beziehungsweise E-Fuels, die für PKW und LKW genutzt werden, unvereinbar mit der Reduktion von Emissionen in anderen, nicht direkt elektrifizierbaren Sektoren sind.