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Power to Liquid

Akronym: PtL, P2L

Definition: die Erzeugung flüssiger Energieträger mit Hilfe von elektrischer Energie aus erneuerbaren Quellen

Allgemeinerer Begriff: Power to X

Englisch: power to liquid

Kategorien: elektrische Energie, Energiespeicherung, erneuerbare Energie, Grundbegriffe

Autor:

Wie man zitiert; zusätzliche Literatur vorschlagen

Ursprüngliche Erstellung: 21.05.2016; letzte Änderung: 14.03.2020

Mit Power to Liquid bezeichnet man Technologien für die Erzeugung flüssiger Energieträger (also von Brennstoffen und Kraftstoffen) mithilfe von elektrischer Energie (“Strom”) aus erneuerbaren Quellen. Mögliche Produkte sind etwa synthetisches Kerosin (EE-Kerosin) für den Flugverkehr, synthetischer Dieselkraftstoff für Schiffe und Straßenfahrzeuge sowie auch synthetisches Benzin. Im Prinzip auch denkbar wäre z. B. EE-Heizöl. Das Interesse fokussiert sich vorläufig aber vor allem auf EE-Kerosin, weil es für den Flugverkehr, ein global stark wachsendes Verbrauchssegment, am wenigsten Alternativen gibt.

In aller Regel handelt es sich um kohlenstoffhaltige Flüssigkeiten, bei deren Verbrennung in ähnlichem Umfang wie bei der Nutzung fossiler Energieträger Kohlendioxid (CO2) freigesetzt wird. Jedoch wird im Idealfall dieselbe Menge Kohlendioxid bei der Herstellung entweder der Atmosphäre entzogen oder aber durch Verwendung von CO2 aus Abgasen (→ CO2-Recycling) an direkten Emissionen erspart. Deswegen können solche Brenn- und Kraftstoffe annähernd CO2-neutral sein, wenn die verwendete elektrische Energie erneuerbare Energie ist.

Ein anderer Ansatz zur Herstellung von CO2-neutralen Synthesekraftstoffen ist die Verwendung von Biomasse; siehe den Artikel über Biokraftstoffe. Im Gegensatz hierzu benötigt Power to Liquid keine Biomasse, als auch keinen Anbau von Energiepflanzen.

Herstellungsmethoden und Eignungskriterien

Der erste Prozessschritt für Power to Liquid ist häufig, dass man zunächst ein brennbares EE-Gas erzeugt (→ Power to Gas) und daraus dann flüssige Produkte. Beispielsweise kann man mithilfe von Elektrolyse zunächst Wasserstoff-Gas erzeugen, daraus durch Methanisierung das gasförmige Methan, welches wiederum als Ausgangsstoff für die Erzeugung von Synthesekraftstoffen in der Form von Kohlenwasserstoffen dient – etwa mit dem Fischer-Tropsch-Verfahren mit Synthesegas. Andere, noch weniger erprobte Verfahren nutzen die Umsetzung von Wasserstoff mit Kohlendioxid (CO2) zu Methanol, woraus in weiteren Schritten andere flüssige Produkte hergestellt werden könnten.

Der Artikel über Synthesekraftstoffe enthält weitere Details zu möglichen Herstellungsmethoden.

Welches Verfahren sich für eine breite Anwendung am besten eignen wird, ist heute noch schwer absehbar. Eine Vielzahl von Aspekten kann für die Anwendbarkeit wichtig sein:

  • Die Energieeffizienz, meist beziffert über den Wirkungsgrad als Verhältnis des Heizwerts der erzeugten Produkte zur Menge der eingesetzten elektrischen Energie, bestimmt die Ausbeute bzw. die gebrauchte Menge elektrischer Energie. In günstigen Fällen liegt dieser Wirkungsgrad in der Größenordnung von 50 %; darin nicht enthalten sind natürlich Energieverluste bei der späteren Nutzung der Brennstoffe oder Kraftstoffe z. B. in Verbrennungsmotoren oder Flugzeugturbinen.
  • Idealerweise werden Produkte erzeugt, die z. B. als Drop-in-Kraftstoffe unmittelbar konventionelle Kraftstoffe ersetzen können, weil sie denen in Bezug auf die Anwendung sehr ähnlich sind. In anderen Fällen ist dies zwar nicht möglich, aber eine begrenzte Beimischung zu erdölbasierten Kraftstoffen; beispielsweise kann Methanol dem konventionellen Benzin beigemischt werden, wobei bei genügend niedrigem Methanol-Anteil keinerlei Anpassung der Motoren notwendig ist und die Erhöhung der Klopffestigkeit ein willkommener Nebeneffekt ist.
  • Viele Verfahren bislang nur im kleinen Maßstab demonstriert und müssen noch bezüglich der Eignung für großtechnische Anlagen überprüft und optimiert werden. Andererseits kann es vorteilhaft sein, Verfahren in kleineren dezentralen Anlagen praktizieren zu können, um lokale Energieangebote zu nutzen.
  • Die Kosten für die Anlagen und deren Betrieb sind natürlich ein entscheidender Faktor. Hierbei spielen die Stromkosten meist eine entscheidende Rolle. Jedoch sind auch die Anlagekosten und sonstigen Betriebskosten keineswegs unwesentlich. Bislang liegen die Produktionskosten normalerweise bei einem Vielfachen der Kosten erdölbasierter Energieträger. Jedoch könnte die weitere Entwicklung die Kosten massiv senken, während die Kosten fossiler Energieträger etwa durch CO2-Steuern oder Emissionshandelssysteme zukünftig voraussichtlich so verteuert werden, dass ihre bislang externen Kosten internalisiert werden. Auf diese Weise könnten Kraftstoffe aus Power to Liquid irgendwann wirtschaftlich konkurrenzfähig werden.
  • Die Teillastfähigkeit ist sehr wichtig, wenn Energieangebote mit schwankender zeitlicher Verfügbarkeit genutzt werden sollen. Dieser Aspekt ist schließlich charakteristisch für Windenergie und Sonnenenergie (z. B. aus Photovoltaik), die als die global wichtigsten Energiequellen für Power to Liquid gelten. Dasselbe gilt aber auch generell für die Nutzung von Energieüberschüssen – beispielsweise überschüssiger Strom aus Wasserkraftwerken in Zeiten geringeren Verbrauchs für andere Zwecke. Die Teillastfähigkeit ist einerseits eine technische Frage – etwa bei einem komplizierten Zusammenspiel verschiedener Anlagenteile, auch mit Nutzung von Abwärme aus einem Prozess für einen anderen – und andererseits eine wirtschaftliche, da eine reduzierte Auslastung (Anzahl von Volllaststunden oh Jahr) die Amortisierung einer teuren Anlage natürlich erschwert.
  • Bislang wird für Versuche mit Power to Liquid fast immer konzentriertes CO2 verwendet, welches in der Regel aus Abgasen gewonnen wird, die sonst direkt in die Atmosphäre entlassen würden. Man praktiziert also ein CO2-Recycling. Für den Klimaschutz bedeutet dies effektiv, dass die Emissionen durch die ursprünglichen Abgase am Ende verbleiben, nur eben an anderer Stelle auftauchen (nämlich bei der Verbrennung der Synthesekraftstoffe); andererseits entstehen keine zusätzlichen CO2-Emissionen durch die Kraftstoffe. Langfristig ist dieser Ansatz jedoch problematisch, da eine Abhängigkeit von solchen CO2-Quellen entsteht. Deswegen wird es früher oder später nötig werden, die benötigten riesigen Mengen von CO2 der Atmosphäre zu entziehen. Dies ist allerdings ein aufwendiger Prozess, der wesentliche Mengen zusätzlicher Energie benötigt, also die Energieeffizienz vermindert und die Kosten weiter erhöht.

Zukünftige Möglichkeiten für Power to Liquid

Bis heute wurde Power to Liquid nur in sehr kleinem Maßstab versuchsweise praktiziert. In einer ferneren Zukunft könnte das Verfahren jedoch eine große Bedeutung gewinnen. Zukünftig wird es nämlich hauptsächlich aus Gründen des Klimaschutzes nicht mehr möglich sein, flüssige Brennstoffe und Kraftstoffe aus fossilen Quellen wie Erdöl herzustellen. Trotzdem wird aber voraussichtlich langfristig ein großer Bedarf für solche Stoffe bestehen – insbesondere für den Flugverkehr. Darüber hinaus braucht die Chemie diverse Kohlenwasserstoffe nicht nur als Energieträger, sondern auch als Ausgangsmaterialien für die Herstellung vieler anderer Stoffe, beispielsweise Kunststoffe.

Eine Voraussetzung für einen sinnvollen Einsatz von Power to Liquid ist natürlich, dass elektrische Energie aus erneuerbaren Quellen dafür zur Verfügung steht. Da insbesondere Windenergie und Sonnenenergie (v. a. aus Photovoltaik) in schnell steigendem Ausmaß anfallen, ist es vorstellbar, dass langfristig genügend solche Energie für Power to Liquid zur Verfügung stehen wird. Interessant ist vor allem auch der Aspekt, dass der Energieeinsatz für diesen Zweck zeitlich dem jeweiligen Angebot angepasst werden könnte. Wenn beispielsweise durch einen hohen Anteil der Photovoltaik im Sommer eine höhere Stromproduktion erfolgen würde als im Winter, könnten vor allem sommerliche Überschüsse für die Erzeugung flüssiger Energieträger genutzt werden. Diese lassen sich weitaus besser speichern (auch für viele Monate oder sogar Jahre) als elektrische Energie (→ Speicher für elektrische Energie). Somit könnte Power to Liquid auch zur Lösung der Speicherproblematik bei fluktuierend anfallender erneuerbarer Energie beitragen.

Bisher ist die Anwendung von Power to Liquid leider noch sehr teuer – und zwar selbst dann, wenn die benötigte elektrische Energie kostenlos wäre. Ein wesentlicher Teil dieser Kosten entsteht nicht nur durch den Strombezug, sondern auch durch den Bau der benötigten Anlagen; allein schon die Elektrolyse ist relativ kostspielig. Wenn solche Anlagen gezielt für die Nutzung von Überschüssen eingesetzt werden sollten (siehe oben), würde dies leider eine geringe Zahl von Jahresbetriebsstunden (also eine schlechte Auslastung) bedingen und somit eine weitere Erhöhung der Kosten. (Dies betrifft zumindest die Elektrolyse; im Prinzip lässt sich der erzeugte Wasserstoff speichern, um die folgenden Prozessschritte weitgehend kontinuierlich durchführen zu können.) Massive Kostensenkungen der Technologie wären also für einen breiten Einsatz notwendig. Allerdings dürften großtechnische Entwicklungen wesentliche Potenziale für Verbesserungen haben. Ebenfalls ist zu bedenken, dass die Energiemärkte auch wesentlich höhere Kosten akzeptieren werden, sobald fossile Energieträger nicht mehr unbegrenzt und billig verfügbar sind.

Andererseits besteht auch langfristig eine Konkurrenz mit anderen Ansätzen, im Verkehrsbereich beispielsweise mit der technisch einfacheren und viel energieeffizienteren Elektromobilität. Gegenüber dieser hätte der Einsatz von Power to Liquid den Vorteil wesentlich größerer Reichweiten der Fahrzeuge. Die Nutzung vorhandener Betankungs-Infrastrukturen (im Gegensatz zu einem noch aufzubauenden System von Elektro-Tankstellen) ist nicht wirklich ein Vorteil, da genügend viele Elektro-Tankstellen sicherlich längst geschaffen sein werden, wenn Power to Liquid einmal wesentliche Mengen von Kraftstoffen produzieren kann. Auf der anderen Seite weist der Ansatz mit Power to Liquid eine viel schlechtere Energieeffizienz auf. Man beachte, dass selbst ein relativ hoher Wirkungsgrad von z. B. 70 % bei Power to Liquid noch keine hohe Energieeffizienz des Gesamtsystems bedeuten würde. Es ist nämlich zu beachten, dass die Nutzung des erzeugten Kraftstoffs in einem Verbrennungsmotor weitere erhebliche Energieverluste mit sich bringt; der Gesamtwirkungsgrad für den Antrieb eines Fahrzeugs, bezogen auf die eingesetzte elektrische Energie, würde also auf jeden Fall weit unter 50 % liegen, vermutlich sogar unter 20 % – im Vergleich zu 80 bis 90 % bei Verwendung heutiger Batterien. Daraus folgt, dass für den Betrieb von Autos mit solchen synthetischen Kraftstoffen ein Mehrfaches an elektrischer Energie benötigt würde, verglichen mit der für den Betrieb von Elektroautos. Die elektrischen Erzeugungskapazitäten müssten also entsprechend stärker ausgebaut werden. Immerhin würde es dieser Ansatz ermöglichen, solche Kapazitäten an günstigen Standorten zu erstellen, etwa in Nordafrika, und der Transport der Kraftstoffe könnte mit Tankern auch über größere Distanzen erfolgen.

Für den Flugverkehr dürfte der elektrische Antrieb auf absehbare Zeit nur sehr beschränkte Möglichkeiten bieten. Zwar könnte der Kurzstreckenverkehr mit batterieelektrischen Flugzeugen durchaus bald möglich werden, jedoch wäre genau dieses Segment am leichtesten zu ersetzen, insbesondere durch Züge. Langstrecken-Flugzeuge werden jedoch auf absehbare Zeit nicht elektrisch betrieben werden können, weil die Energiedichte von Batterien nicht ausreicht; allenfalls könnte Wasserstoff mit Brennstoffzellen genutzt werden, aber die Mitführung von (vermutlichem verflüssigtem) Wasserstoff wäre ebenfalls sehr aufwendig. Deswegen ist Power to Liquid für diese Anwendung derzeit die einzige einigermaßen realistisch erscheinende klimaneutrale Lösung. Um aber einen nennenswerten Anteil des Flugverkehrs mit Synthesekraftstoffen aus Power to Liquid zu betreiben, müssten enorme Kapazitäten der Stromerzeugung und für die Herstellung synthetischer Kraftstoffe errichtet werden. Beispielsweise würde eine solche Versorgung aller Flugzeuge, die von deutschen Flughäfen starten, ähnlich viel elektrische Energie erfordern, wie sie insgesamt derzeit (in 2020) aus erneuerbaren Quellen in Deutschland hergestellt wird. Jedoch reicht diese Menge ja bislang noch lange nicht für den vollständigen Ersatz fossiler Energieträger in der Stromerzeugung; die Verdrängung vor allem von Kohlekraftwerken muss vorläufig höchste Priorität erhalten.

Eine mögliche Lösung des Mengenproblems besteht in der Produktion solcher Kraftstoffe an anderen Standorten, wo erneuerbare Energie kostengünstiger in großen Mengen gewonnen werden kann. Dies wird dadurch möglich, dass die erzeugten Kraftstoffe gut über lange Strecken transportierbar sind – wie bislang das Erdöl. Jedoch bleibt das Problem, dass enorme Mengen elektrischer Energie benötigt werden.

Solche Überlegungen zur Effizienz sind freilich nicht direkt relevant, wo es um den Ersatz so oder so benötigter Chemierohstoffe z. B. für die Herstellung von Kunststoffen geht.

Vergleich mit Biokraftstoffen

Im Prinzip können flüssige Brennstoffe und Kraftstoffe auch aus Pflanzen und pflanzlichen Abfällen hergestellt werden; hier spricht man von Biokraftstoffen. Solche Technologien sind heute zumindest wesentlich billiger als diejenigen für Power to Liquid. Andererseits haben sie auch nur ein begrenzteres Potenzial. Sicherlich sinnvoll ist die Nutzung diverser Abfallstoffe, die jedoch nur in begrenzten Mengen verfügbar sind. Darüber hinaus könnten Energiepflanzen angebaut werden, um die Rohstoffbasis zu erweitern. Hier ist aber die geringe Flächeneffizienz ein großes Problem: Die pro Hektar und Jahr gewinnbare Energiemenge ist weitaus geringer als mit Power to Liquid über Photovoltaik und/oder Windenergie, weil Pflanzen nur einen kleinen Teil der Sonnenenergie in gespeicherte chemische Energie umsetzen können.

Außerdem würden mit Power to Liquid auch diverse ökologische Nachteile der Gewinnung von Agrarrohstoffen (z. B. der Einsatz von Düngemitteln und Pestiziden sowie der hohe Wasserbedarf) entfallen. Auch die Nutzung (Verbrennung) von strombasierten Synthesekraftstoffen könnte tendenziell umweltfreundlicher sein, da diese im Vergleich zu Biokraftstoffen (zumindest den heute verfügbaren) besser für eine saubere und effiziente Verbrennung optimiert werden können. Ein Nachteil ist aber die viel größere Menge grauer Energie für die Errichtung der Anlagen zur Stromerzeugung.

Power to Liquid kann es wesentliches Element für die Sektorkopplung sein. Wegen der guten Lager- und Transportfähigkeit der erzeugten flüssigen Produkte könnte der Stromeinsatz für Power to Liquid nach der jeweiligen Verfügbarkeit zugeteilt werden – z. B. mehr in Sommermonaten mit geringem Verbrauch, weniger in Winterzeiten mit häufigeren Engpässen der Stromerzeugung.

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sowie andere Artikel in den Kategorien elektrische Energie, Energiespeicherung, erneuerbare Energie, Grundbegriffe

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