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Synthesekraftstoff

Definition: ein Kraftstoff, der mithilfe chemischer Verfahren hergestellt wird

Englisch: synthetic fuel

Kategorien: Energieträger, Grundbegriffe

Autor:

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Ursprüngliche Erstellung: 27.07.2014; letzte Änderung: 19.01.2020

Synthesekraftstoffe sind meist flüssige Kraftstoffe, bei deren Herstellung chemische Umwandlungen eine gewichtige Rolle spielen. Hier werden also die wesentlichen Bestandteile des Kraftstoffs (in der Regel Kohlenwasserstoffe) aus anderen Substanzen hergestellt. Beispielsweise werden beim Fischer-Tropsch-Verfahren flüssige Kohlenwasserstoffe hauptsächlich aus gasförmigen Substanzen wie Methan, Wasserstoff und Kohlenmonoxid gewonnen. Dagegen werden in einer gewöhnlichen Erdölraffinerie hauptsächlich bereits vorhandene Stoffe durch Destillation voneinander getrennt und später geeignet abgemischt, um z. B. Benzin oder Dieselkraftstoff zu erhalten. Bei manchen Prozessen wie zum Beispiel dem Cracken kommen allerdings auch gewisse chemische Umwandlungen vor.

Ausgangsstoffe für Synthesekraftstoffe können diverse energiereiche Verbindungen (vor allem Gase) sein, die fossilen Ursprungs sein können (z. B. Kohle oder Erdgas) oder auch aus Biomasse gewonnen werden können. Eine andere Möglichkeit ist die Nutzung von EE-Gas, d. h. von einem brennbaren Gas, welches mithilfe elektrischer Energie aus erneuerbaren Quellen gewonnen werden kann.

Synthesekraftstoffe können entweder so hergestellt werden, dass sie Kraftstoffen aus Erdöl (z. B. Benzin, Dieselkraftstoff oder Kerosin) möglichst stark ähneln und diese direkt ersetzen können (als Drop-in-Kraftstoffe), oder auch für einen bestimmten Einsatz optimiert werden. Beispielsweise ist es möglich, eine höhere Klopffestigkeit zu erzielen, so dass ein Ottomotor mit höherer Verdichtung und damit auch mit höherer Energieeffizienz betrieben werden kann. In manchen Fällen sind die Eigenschaft nicht ideal oder jedenfalls nicht normgemäß für eine Verwendung in reiner Form, erlauben aber eine begrenzte Beimischung zu erdölbasierten Kraftstoffen, z. B. zu maximal 50 %.

Bei der Herstellung von Synthesekraftstoffen (wie auch bei deren Nutzung) treten meist erhebliche Energieverluste auf. Dafür erhält man aber einen hochwertigen Energieträger, der für den Einsatz und vor allem auch für den Transport meist wesentlich besser geeignet ist als die Ausgangsstoffe. Die Qualität von Synthesekraftstoffen ist oft sehr hoch, weil die chemische Zusammensetzung recht genau gesteuert werden kann. Dies kann z. B. beim Betrieb von Verbrennungsmotoren und dazugehörigen Abgasreinigungsanlagen sehr vorteilhaft sein. Die hohe Energiedichte (im Vergleich z. B. zu Biomasse) ist besonders beim Transport von Kraftstoffen von Vorteil. Zunehmend von Interesse ist, dass Synthesekraftstoffe aus EE-Gas eine CO2-neutrale Alternative zu fossilen Energieträgern sein können.

Mögliche Herstellungsmethoden und Anwendungszwecke von Synthesekraftstoffen

Ölersatz aus Kohle oder Erdgas

In früheren Zeiten wurde vor allem die Kohleverflüssigung genutzt, um Kraftstoffe aus reichlich vorhandener Kohle herzustellen anstatt aus Erdöl, das vor allem im Kriegsfall schwerer zu beschaffen war. Der erste Schritt war die Erzeugung von Synthesegas, einem Gemisch vor allem von Kohlenmonoxid und Wasserstoff, was heute billiger und einfacher mit Erdgas möglich ist. Das Synthesegas wurde dann mithilfe des Fischer-Tropsch-Verfahrens in flüssige Kohlenwasserstoffe umgewandelt. Zusätzliche Prozessschritte wie Cracken und Isomerisieren erlauben ggf. die bessere Anpassung der Produkte an bestimmte Anwendungen.

Mit der Kohleverflüssigung wurde vor allem das Problem knappen Erdöls angegangen. Dies könnte im Prinzip auch zukünftig wieder interessant werden; jedoch ist die Herstellung solcher Synthesekraftstoffe aus Kohle mit sehr starken Umweltbelastungen verbunden, insbesondere mit hohen klimaschädlichen CO2-Emissionen – deutlich mehr als bei der Verwendung von Erdöl. Da sich immer mehr abzeichnet, dass die Klimagefahren das größere Problem sind als die Verknappung des Erdöls, dürfte dieser Ansatz keine große Zukunft mehr haben.

Biosynfuels

Um von fossilen Energieträgern wegzukommen, richtet sich das Interesse heute mehr auf die Nutzung von Biomasse. Ein möglicher Weg ist die Biomassevergasung. Diese liefert wiederum Synthesegas als Ausgangsstoff für das Fischer-Tropsch-Verfahren. Diverse andere Verfahren werden ebenfalls untersucht, etwa die chemische Umsetzung von Pflanzenölen und Algenöl mit HEFA-Verfahren. Mit solchen Methoden lassen sich CO2-neutrale Kraftstoffe (Biosynfuels) herstellen, z. B. Biokerosin. Eine Vielzahl von Techniken unterscheidet sich in wichtigen Aspekten wie z. B. Nutzbarkeit verschiedener Arten von Biomasse, die Energieausbeute, die Durchführbarkeit im kleinen oder großen Maßstab, die Anlage- und Betriebskosten, etc.

Nur in begrenztem Umfang stehen Abfallstoffe wie z. B. gebrauchte Pflanzenöle für eine solche Verwendung zu Verfügung. Eine breitere Rohstoffbasis ließe sich durch den Anbau von Energiepflanzen schaffen. Dies ist jedoch meist mit beträchtlichen Umweltbelastungen verbunden, und aufgrund der sehr niedrigen Flächennutzungseffizienz sind die Potenziale für den Ersatz von Erdöl recht begrenzt. Beispielsweise würden sie nicht zur Deckung des Kerosin-Bedarfs des Luftverkehrs ausreichen, erst recht nicht noch zusätzlich für andere Kraftstoffe, etwa für den Schiffs- und Straßenverkehr.

Synthesekraftstoffe aus EE-Gas

Synthesekraftstoffe können auch aus EE-Gas hergestellt werden (siehe auch Power to Gas = PtG). Gemäß dem bislang am besten etablierten Prozess erzeugt man zunächst durch Elektrolyse Wasserstoff und daraus zusammen durch Reaktion mit Kohlendioxid Methan (→ Methanisierung). Damit lässt sich dann Synthesegas produzieren (wie früher mit Methan aus Erdgas) und wiederum das Fischer-Tropsch-Verfahren anwenden. In der Gesamtheit lässt sich das Verfahren als Power to Liquid (PtL) bezeichnen, und die Produkte werden z. B. als EE-Kraftstoffe oder strombasierte Kraftstoffe bezeichnet.

Eine Verbesserung der Energieeffizienz wird durch eine geschickte Verzahnung der Prozesse angestrebt. Beispielsweise könnte Abwärme des Fischer-Tropsch-Prozesses für die Erzeugung von Wasserdampf dienen, der als Input für eine Hochtemperaturelektrolyse verwendet würde; der Strombedarf der Elektrolyse würde damit deutlich verringert. Diverse weiter verbesserte Verfahren befinden sich derzeit in der Entwicklung, die insbesondere die Energieeffizienz verbessern und die Produktionskosten senken sollen. Interessant sind auch Ansätze, die kein reines Kohlendioxid benötigen. Manche Verfahren (mögliche Alternativen zum Fischer-Tropsch-Prozess) verwenden Methanol als wichtiges Zwischenprodukt.

Der Wirkungsgrad für die Herstellung von Synthesekraftstoffen aus elektrischer Energie mit optimierten Prozessen könnte in der Gegend von 50 % liegen. Mit Strom aus Photovoltaik ergäbe dies einen Wirkungsgrad in der Größenordnung von 10 % in Bezug auf die Energie der verwendeten Sonneneinstrahlung. Dieser Wert führt immerhin zu einer Flächenproduktivität, die etwa um eine Größenordnung höher liegt als bei der Herstellung von Biokraftstoffen. Auch mit Windenergie ergeben sich relativ gute Werte, zumal die Flächen zwischen Windenergieanlagen noch relativ gut nutzbar bleiben, etwa für zusätzliche Photovoltaik oder auch für die Landwirtschaft.

Allerdings sind die hohen Energieverluste bei der Verwendung der Synthesekraftstoffe bei einer Gesamtbetrachtung natürlich auch zu berücksichtigen; während elektrische Energie z. B. mit Elektroautos recht effizient genutzt werden kann, haben Verbrennungsmotoren und Flugzeugtriebwerke viel niedrigere Wirkungsgrade. Diese kombiniert mit der mageren Effizienz der Kraftstoffherstellung aus Strom führt zu ziemlich niedrigen Systemwirkungsgraden. Solche müssen aber ggf. akzeptiert werden, zumindest wo praktikable andere Wege nicht verfügbar sind – etwa für den Langstrecken-Flugverkehr.

In einer nicht allzu fernen Zukunft könnten Synthesekraftstoffe in großem Umfang aus EE-Gas hergestellt werden; die Voraussetzungen dafür wären im Wesentlichen die folgenden:

  • Elektrische Energie aus erneuerbaren Quellen müsste in großen Mengen kostengünstig zur Verfügung stehen, wohl hauptsächlich durch Windenergie, Sonnenenergie und Wasserkraft.
  • Andererseits müssten fossile Energieträger entweder nicht mehr genügend kostengünstig sein und/oder aufgrund der Klimagefahren nicht mehr genutzt werden können. In einer Übergangsphase würden fossile Energieträger z. B. mit einer CO2-Steuer belastet, u. a. um Synfuels konkurrenzfähig zu machen.
  • Die Produktionsverfahren müssten noch weiter optimiert werden, vor allem um die derzeit hohen Kosten (selbst mit billigem Strom) zu reduzieren und die Energieausbeute zu maximieren. Auch weitere Aspekte wie Teillastfähigkeit sind wichtig, um die Nutzung von zeitlich schwankenden Stromangeboten (etwa Überschüssen aus Windenergie) zu ermöglichen.
  • Langfristig wäre auch eine Nutzung von CO2 aus der Luft nötig, obwohl dies energetisch und bzgl. Kosten ungünstiger ist, da eine Abhängigkeit von CO2-Emissionen aus fossilen Brennstoffen auf Dauer nicht in Frage kommt und konzentriertes CO2 aus nicht-fossilen Quellen (z. B. Biogas) nur begrenzt verfügbar ist.

Dann könnten Synthesekraftstoffe vor allem für den Flugverkehr dienen, um diesen CO2-neutral zu machen, sowie für Schiffe. Das wäre eine indirekte Elektrifizierung. Voraussichtlich würden synthetisches Kerosin und Kraftstoffe für die Schifffahrt zu einem großen Teil außerhalb der Industrieländer hergestellt – an Standorten, wo erneuerbare elektrische Energie in großen Mengen kostengünstig gewonnen werden kann. Hier ist von Vorteil, dass sich Kraftstoffe wegen ihrer hohen Energiedichte relativ gut über weite Strecken z. B. mit Tankern transportieren lassen – besser als elektrische Energie. Günstig ist außerdem die Möglichkeit der Speicherung der Kraftstoffe; die Produktion muss deswegen nicht unbedingt zeitlich genau dem Verbrauch folgen.

Im Prinzip könnte auch der Straßenverkehr mit Synthesekraftstoffen aus erneuerbarer Energie versorgt werden. Hier besteht freilich die Alternative der zunehmenden direkten Elektrifizierung, die eine wesentlich höhere Energieeffizienz ermöglicht und deswegen niedrigere Kosten verspricht. Der Strombedarf beispielsweise für ein Elektroauto ist nur ein Bruchteil dessen, was für ein Benzin- oder Dieselauto mit Synthesekraftstoffen aus EE-Gas nötig wäre. Deswegen wird man EE-Gas eher z. B. für synthetisches Kerosin im Flugverkehr einsetzen, weil dort keine gute Alternative verfügbar ist.

Synthesekraftstoffe aus EE-Gas ist ein Beispiel für eine Sektorkopplung, also die Verbindung verschiedener Verbrauchssektoren, die meist mit einer verstärkten (teils indirekten) Elektrifizierung einhergeht.

Literatur

[1]“Biokerosin und EE-Kerosin für die Luftfahrt der Zukunft -von der Theorie zu Pilotvorhaben”, Studie der DLR im Auftrag des BmVI, https://www.bmvi.de/SharedDocs/DE/Anlage/G/MKS/studie-biokerosin-ee-kerosin.pdf?__blob=publicationFile
[2]“Renewables in Transport 2050. Empowering a sustainable mobility future with zero emission fuels from renewable electricity”, FVV - Forschungsvereinigung Verbrennungskraftmaschinen e. V., http://www.lbst.de/news/2016_docs/FVV_H1086_Renewables-in-Transport-2050-Kraftstoffstudie_II.pdf

(Zusätzliche Literatur vorschlagen)

Siehe auch: Kraftstoff, Kohleverflüssigung, Biokraftstoff, EE-Gas, Power to Gas, Power to Liquid, Synthesegas
sowie andere Artikel in den Kategorien Energieträger, Grundbegriffe

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