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Drop-in-Kraftstoff

Definition: ein alternativer Kraftstoff, der konventionelle Kraftstoffe direkt ersetzen kann

Allgemeinerer Begriff: Kraftstoff

Englisch: drop-in fuel

Kategorien: Energieträger, Fahrzeuge

Autor:

Wie man zitiert; zusätzliche Literatur vorschlagen

Ursprüngliche Erstellung: 08.03.2013; letzte Änderung: 14.03.2020

Derzeit werden diverse alternative Kraftstoffe entwickelt, mit denen konventionelle erdölbasierte Kraftstoffe ersetzt (substituiert) werden können – in der Regel mit dem Ziel, knapper werdende fossile Energieträger zu ersetzen und vor allem Klimagefahren durch CO2-Emissionen zu vermindern. In der Regel handelt es sich entweder um Biokraftstoffe oder um EE-Kraftstoffe (siehe unten), und zwar um flüssige Stoffe, obwohl im Prinzip z. B. ein Erdgas-Ersatz auch möglich wäre. Manche dieser Kraftstoffe (vor allem der Biokraftstoffe) unterscheiden sich in einigen Eigenschaften deutlich von konventionellen, aus Erdöl hergestellten Produkten. Ihre Verwendung in reiner Form erfordert deswegen teils erhebliche technische Anpassungen bei den Verbrennungsmotoren oder Gasturbinen. Um dies zu vermeiden, werden vermehrt sogenannte Drop-in-Kraftstoffe (engl. drop-in fuels) entwickelt, die definitionsgemäß den konventionellen Kraftstoffen in ihren wesentlichen Eigenschaften so stark ähneln, dass sie diese direkt ersetzen können – ohne technische Anpassungen bei der Nutzung.

Grundsätzlich sollten alternative Kraftstoffe erneuerbar sein, d. h. anders als fossile Energieträger immer wieder neu produzierbar und damit auf unbegrenzte Zeit (wenn auch nicht unbedingt in unbegrenzter Menge) verfügbar. Im Idealfall könnte ein Drop-in-Kraftstoff zudem perfekt CO2-neutral sein – was im Falle des Flugverkehrs allerdings leider noch lange keine Klimaneutralität bedeutet, wie weiter unten erklärt wird.

Normalerweise muss ein Drop-in-Kraftstoff einem konventionellen Kraftstoff von der chemischen Zusammensetzung her recht ähnlich sein. Das bedeutet in der Regel, dass er hauptsächlich aus Kohlenwasserstoffen bestehen muss, wenn auch nicht unbedingt in genau derselben Mischung; auch bei ölbasierten Kraftstoffen gibt es ja gewisse Variationen. Im Prinzip kommen aber sogar auch Substanzen infrage, die zwar chemisch wesentlich anders sind, in den für die Anwendung relevanten Aspekten (z. B. Heizwert, Schmelzpunkt, Siedepunkt, Flammpunkt, Klopffestigkeit, chemische Verträglichkeit z. B. mit Kraftstoffleitungen) aber trotzdem kaum abweichen. Hier sind natürlich entsprechend umfangreichere Prüfungen der direkten Ersetzbarkeit nötig – vor allem bei sicherheitskritischen Anwendungen wie Flugzeugturbinen. Bei starker chemischer Ähnlichkeit ist es dagegen eher unwahrscheinlich, dass im Betrieb Probleme auftreten.

Zum Teil können Drop-in Fuels sogar höhere Qualitäten als Erdölprodukte erreichen. Beispielsweise können sie praktisch schwefelfrei sein, was entsprechende Schwefeldioxidemissionen bei der Verbrennung vermeidet. Auch sonst sind niedrigere Schadstoffemissionen möglich. Andererseits ist die Herstellung (siehe unten) meist wesentlich aufwendiger.

Der offensichtliche Vorteil aller Drop-in-Kraftstoffe gegenüber anderen Substituten ist, dass kostspielige Neuentwicklungen, Umrüstungen und langwierige Verzögerungen auf der Anwendungsseite entfallen. Die Kraftstoffe können dann auch problemlos mit der bereits vorhandenen Infrastruktur verteilt werden; Vermischungen mit konventionellen Kraftstoffen sind dann gänzlich unproblematisch. Auf der anderen Seite ist aber die Herstellung solcher Kraftstoffe tendenziell aufwendiger, also auch kostspieliger und häufig etwas weniger energieeffizient.

Drop-in-Kraftstoffe sind insbesondere auch für den Flugverkehr interessant. Es würde schließlich sehr lange dauern, bis Flugzeuge, die neuartige Kraftstoffe verwenden können, breit eingeführt sind – allein schon weil Flugzeuge oft jahrzehntelang im Einsatz bleiben. Erst recht wäre es nicht realistisch, auf die Einführung gänzlich neuer Antriebstechnologien zu hoffen. Deswegen werden Drop-in-Kraftstoffe als die einzige Möglichkeit gesehen, die klimaschädlichen Emissionen des Flugverkehrs in nützlicher Zeit stark zu reduzieren. Hier müssen sie vor allem Kerosin direkt ersetzen, für welches strenge Qualitätsstandards gelten. Es gibt zwar auch andere Kraftstoffe für Flugzeuge, etwa Flugbenzin, jedoch wird Kerosin im größten Umfang verbraucht, vor allem von großen Verkehrsflugzeugen.

Nicht direkt als Drop-in-Kraftstoffe herstellbare Kraftstoffe werden meist als Beimischung zu konventionellen Kraftstoffen in begrenzter Menge verwendet. Beispielsweise wird dem Benzin bis zu 5 % (bei Super E10 auch 10 %) Bioethanol beigemischt. Beim Dieselkraftstoff werden bis zu 7 % Biodiesel (RME = Rapsmethylester) zugegeben, obwohl Biodiesel auch als Drop-in-Kraftstoff hergestellt werden kann, der in reiner Form verwendet werden kann. Ähnlich gibt es auch Versuche mit der Beimischung von Biokraftstoffen zu Flug-Kerosin. Auf diese Weise können ohnehin nur begrenzt verfügbare Mengen von Biokraftstoffen genutzt werden, ohne entweder ihre Eigenschaften chemisch stark abändern zu müssen oder alternativ die Motoren anzupassen.

Herstellungsverfahren für Drop-in-Kraftstoffe

Fischer-Tropsch-Verfahren

Die für die Zukunft wohl wichtigste Art von Drop-in-Kraftstoffen sind Synthesekraftstoffe, die aus gasförmigen Substanzen hergestellt werden. Diese wiederum können entweder durch Biomasse (aus Abfällen oder Energiepflanzen) gewonnen werden oder aber ganz ohne Verwendung von Biomasse mithilfe von elektrischer Energie.

Der erste Schritt ist die Herstellung eines Synthesegases, in der Regel mit Bestandteilen von Methan, Kohlenmonoxid und Wasserstoff:

Das Synthesegas wird dann in einer Fischer-Tropsch-Synthese zu flüssigen Kohlenwasserstoffen umgesetzt. Diese Methode wurde ursprünglich für die Kohleverflüssigung entwickelt. für eine optimale Produktqualität sind teilweise noch zusätzliche Prozessschritte erforderlich, beispielsweise Cracken und Isomerisieren, wie auch in Erdölraffinerien. Man erhält auf diese Weise beispielsweise Benzin, Dieselkraftstoff und Kerosin in Qualitäten, die sogar höher sein können als diejenige von Erdölprodukten.

Die Effizienz des Fischer-Tropsch-Verfahrens ist allerdings nicht ideal. Zukünftige Verbesserungen sind denkbar, z. B. durch Kombination mit chemical looping zur Weiternutzung von nicht umgesetztem Synthesegas. Eine andere Möglichkeit ist die Nutzung von Abwärme aus dem Fischer-Tropsch-Prozess für andere Prozessschritte, etwa für die Herstellung von Wasserdampf als Input für eine Hochtemperaturelektrolyse, die dann entsprechend weniger elektrische Energie benötigt.

Wenn das Synthesegas als EE-Gas erzeugt wird, spricht man von Power to Liquid. Dies trägt zu Sektorkopplung bei, in diesem Fall zwischen den Sektoren Luftverkehr und Stromerzeugung, mit potenziellen Synergieeffekten (z. B. Nutzung von Stromüberschüssen). Wenn dagegen Biomasse verwendet wird, spricht man von Biomass-to-liquid-Verfahren (BtL-Verfahren). Diese müssen allerdings nicht zwangsläufig das Fischer-Tropsch-Verfahren nutzen; es gibt auch andere Wege, die in den folgenden Abschnitten beschrieben werden.

Hydrierung von Pflanzenölen

Pflanzenöle lassen sich zwar direkt in Dieselmotoren genutzt werden, jedoch nur wenn diese dafür speziell angepasst werden. Sonst sind nur ganz begrenzte Beimischungen möglich.

Es gibt aber auch die Möglichkeit, Pflanzenöle chemisch so umzusetzen, dass sie konventionellen Kraftstoffen stärker ähneln. Beispielsweise kann man durch Hydrierung von Pflanzenölen Drop-in-Kraftstoffe herstellen. Das Öl wird hierzu mit Wasserstoff (z. B. Biowasserstoff aus Biomassevergasung oder Wasserstoff aus Elektrolyse) an einem Katalysator zur Reaktion gebracht. Der Bedarf für Wasserstoff trägt erheblich zu den Produktionskosten bei.

Öle aus Mikroalgen können auch auf diese Weise veredelt werden. Es besteht die Hoffnung, dass durch die Entwicklung einer effizienten Algenzucht die Rohstoffbasis für Biokraftstoffe deutlich vergrößert werden könnte. In diesem Fall wäre die genannte Veredelung wichtig, um solche Kraftstoffe breit einsetzbar zu machen.

Umsetzung von Zuckern und Lignocellulose zu Kohlenwasserstoffen

Anstatt Zucker zu Alkoholen zu vergären, könnten auch direkt Kohlenwasserstoffe daraus herstellt werden. Hierfür werden relativ komplexe Verfahren entwickelt, die unter anderem eine Hydrierung und Dampfreformierung beinhalten. Eine andere Möglichkeit sind biotechnische Methoden auf Basis einer Fermentierung. Auch Lignocellulose könnte genutzt werden. Aufgrund des früheren Entwicklungsstadiums sind die Chancen einer großtechnischen Realisierung noch schwer abzuschätzen.

Kohleverflüssigung

Drop-in-Kraftstoffe aus der Kohleverflüssigung waren die wohl am frühesten hergestellten; sie spielten beispielsweise im Zweiten Weltkrieg für Deutschland eine wichtige Rolle. Diese Methode könnte bei einer Verknappung von Erdöl ebenfalls konventionelle Kraftstoffe ersetzen, jedoch mit einer deutlich erhöhten Umweltbelastung und insbesondere Klimabelastung. Deswegen dürften dieser Ansatz keine wesentliche Zukunft mehr haben.

Sind Drop-in-Kraftstoffe klimaneutral?

Die meisten Drop-in-Kraftstoffe werden explizit mit dem Ziel einer CO2-neutralen Lösung entwickelt. Zwar wird bei ihrer Verbrennung eine ganz ähnliche Menge von Kohlendioxid freigesetzt wie bei konventionellen Kraftstoffen. Jedoch entspricht dies im Idealfall gerade der Menge von CO2, die bei der Produktion entweder der Atmosphäre entnommen oder der Atmosphäre an anderen Emissionen erspart wird. Einige Beispiele hierfür:

  • Pflanzen, aus denen Biokraftstoffe gewonnen werden, nehmen bei ihrem Wachstum CO2 auf. Der gesamte Kohlenstoffgehalt erzeugten Biomasse und damit auch der gewonnenen Biokraftstoffe stammt letztendlich aus atmosphärischen CO2.
  • Synthesekraftstoffe, die mithilfe von EE-Gas hergestellt werden, brauchen zu ihrer Herstellung ebenfalls CO2. Dieses kann im Prinzip aus der Luft gewonnen werden – allerdings mit erheblichem Aufwand, also mit hohen Kosten und zusätzlichem Energieverbrauch, der effektiv die Ausbeute vermindert. Deswegen wird bislang meistens konzentriertes CO2 aus Abgasen verwendet (CO2-Recycling), z. B. von konventionellen Kraftwerken Dieser Ansatz ist kostengünstiger und effizienter, und eine echte CO2-Neutralität ist auch so möglich, da ja zusätzliche Emissionen durch die Kraftstoffe vermieden werden. Allerdings entsteht dadurch eine Abhängigkeit von anderen CO2-Emissionen, weswegen solche Verfahren nur als eine Übergangslösung angesehen werden können.

Die erreichte CO2-Neutralität ist in der Praxis leider oft unvollkommen, etwa weil bei der Herstellung der Kraftstoffe und ihrer Vorläufersubstanzen (z. B. Agrarohstoffe) sowie beim Transport oft fossile Energieträger genutzt werden. Auch im Falle von EE-Gas besteht die Gefahr, dass zwar ökologisch einwandfrei hergestellter Strom verwendet wird, dies aber nicht vollständig zusätzlich hergestellt wird, sodass an anderer Stelle vermehrt CO2-behafteter Strom zum Einsatz kommt (Problem der unvollständigen Additionalität). Diese Problematik sollte durch ein sorgfältiges Vorgehen minimiert werden.

Im Falle des Flugverkehrs (anders als beim Straßenverkehr) kommt noch die wichtige Problematik dazu, dass nur ein Teil der klimaschädlichen Wirkungen durch das emittierte CO2 entsteht. Ein anderer besonders wichtiger Beitrag kommt durch Wasserdampf zustande, der zur Bildung von Kondensstreifen führt. Dies ist zwar nur ein kurzfristig wirksamer Effekt, aber ein recht starker: Er macht einen wichtigen Teil der derzeitigen Klimawirkungen des Flugverkehrs aus. Aus diesem Grund wäre der Flugverkehr selbst dann nicht annähernd klimaneutral, wenn er komplett mit absolut CO2-neutral hergestelltem EE-Kerosin erfolgen würde. Im Licht dieser Erkenntnis wäre also ein klimaneutraler Luftverkehr nur möglich über die Elektrifizierung der Antriebe, was allerdings bis auf weiteres nur für geringe Streckenlängen technisch möglich sein wird.

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