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#eFuels

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E-Fuels

Die Klimaschutzziele sind nur mit CO2-neutralen flüssigen Kraft- und Brennstoffen, sogenannten „E-Fuels“ zu erreichen. Darunter versteht man Brennstoffe, die auf Basis erneuerbarer Energien synthetisch erzeugt werden und die langfristig fossile Brennstoffe ersetzen können.

Die Nutzung von erneuerbaren Energien wie Wind und Sonne zur Stromerzeugung hat global gesehen ein riesiges Potenzial. Die Herausforderung besteht darin, diesen Ökostrom dorthin zu transportieren, wo er benötigt wird. E-Fuels machen genau das möglich: Sie fungieren als Stromspeicher, sind leicht zu transportieren, haben eine hohe Energiedichte und können auf die hervorragende Infrastruktur der heutigen Erdölindustrie und -logistik zurückgreifen.

Deshalb wird an der Entwicklung von E-Fuels geforscht. Ein wesentliches Kriterium dabei ist, dass sie in heute verfügbarer Technik ohne aufwändige Umrüstungen einsetzbar sind. Das erhöht die Chance auf eine breite Akzeptanz der Energiewende: Klimaschutz wird möglich, ohne Versorgungswege und Anwendungstechnik kostenintensiv umbauen zu müssen, wie es bei einer weitgehend elektrischen Energieversorgung („All Electric Society“) der Fall wäre.

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CO2 als Kohlenstoffquelle

Biomasse, Müll oder Algen als Kohlenstoffquelle

Erneuerbarer Strom als "Rohstoff" für die Elektrolyse

Wasser als "Rohstoff" für die Elektrolyse

E-Crude: Synthetischer Rohölersatz

E-Fuel: CO2-neutrale synthetische Brennstoffe

Wasserstoff (H2) und Kohlenstoff (C) sind die Hauptbestandteile flüssiger Energieträger

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Videos

Christian von Olshausen, sunfire GmbH

Mit "All-electric" lässt sich nicht alles lösen.

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Prof. Dr. Regina Palkovits, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen (RWTH) Aachen

Power-to-X ermöglicht die chemische Speicherung von Strom.

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Fazit und Ausblick

Klimaschutz ist eine unserer drängendsten Aufgaben – das gehört inzwischen zum gesellschaftlichen Konsens. Die Meinungen über geeignete Wege gehen allerdings häufig noch auseinander. Die Mineralölwirtschaft ist der festen Überzeugung, dass flüssige Energieträger eine wichtige Rolle auf dem Weg in eine treibhaugasneutrale Zukunft spielen werden.

Heute tragen flüssige Kraft- und Brennstoffe heute zu mehr als einem Drittel zum deutschen Primärenergieverbrauch bei und sind damit die wichtigsten Energieträger. In bestimmten Sektoren wie etwa dem Flug- und Schiffsverkehr und als Vorprodukte in der Chemie sind flüssige Energieträger und Rohstoffe kaum zu ersetzen. Allein deshalb ist die Entwicklung von E-Fuels nötig.

Erneuerbar hergestellte flüssige Energieträger und Rohstoffe haben für die Energiewende signifikante Vorteile: Sie sind im Verkehrsbereich, dem Wärmemarkt und in der Chemiewirtschaft ohne teure Umrüstungen nutzbar. Herkömmliche Verbrennungsmotoren und Heizungen erhalten so eine langfristig klimafreundliche Perspektive.

CO2-neutrale flüssige Kraft- und Brennstoffe sind gut speicherbar, die Versorgung kann netzunabhängig erfolgen und sich der bereits bestehenden Transport- und Infrastrukturen bedienen. 

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Prof. Dr.-Ing. Jörg Sauer, Karlsruher Institut für Technologie (KIT)

Es fehlt nicht an Ideen sondern an der Fokussierung. Zwischen PtL und BtL gibt es keinen Wettbewerb. Wir müssen endlich ensrt machen mit der Energiewende, da gehören flüssige Brennstoffe dazu.

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Christian von Olshausen, sunfire GmbH

E-Crude steht in Konkurrenz zu Erdöl und wird auf absehbare Zeit teurer bleiben. Das ist aber nicht das eigentliche Problem.

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Wasserstoff

Erneuerbarer Strom ist der entscheidende Faktor, wenn es um das CO2-Minderungspotenzial von E-Fuels geht: Nur, wenn der Strom für die Wasserstoff-Elektrolyse sowie die übrige Prozesskette zu 100 Prozent aus erneuerbaren Quellen stammt, weisen die synthetischen Kraft- und Brennstoffe eine treibhausgasneutrale Bilanz auf.

Dass die erforderlichen Strommengen in Deutschland erzeugt werden können, erscheint aus heutiger Sicht mehr als unwahrscheinlich. Das ist aber auch nicht nötig, denn nationale Energieautarkie sollte nicht das vorherrschende Ziel sein. Schließlich sind Klimaschutz und Energiewende keine rein deutschen Themen. Energie wird auch zukünftig importiert werden müssen.

Vielversprechender ist eine globale Perspektive: Bau und Betrieb von Stromerzeugungskapazitäten sollte an  Standorten erfolgen, die von Wind und Sonne begünstigt sind. Dank der Wasserstoff-Elektrolyse kann der Strom dann vor Ort "verflüssigt" und zu E-Fuels verarbeitet werden oder zu weiter entfernten Produktionsstandorten transportiert werden. Denn Moleküle lassen sich einfacher transportieren als Elektronen.


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Christian von Olshausen, sunfire GmbH

Erneuerbarer Strom muss dort erzeugt werden, wo Wind, Sonne und Wasserkraft  im Überfluss vorhanden sind.

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Um grünen Strom „zu verflüssigen“ und in die Produktion von E-Fuels einzubinden, kommt die Elektrolyse zum Einsatz: Dabei wird Wasser mithilfe von elektrischem Strom in Wasserstoff und Sauerstoff  zerlegt. Der Wasserstoff kann dann zusammen mit Kohlenstoff - denn das sind die beiden zentralen Grundstoffe flüssiger Brenn- und Kraftstoffe - zu E-Fuels weiterverarbeitet werden.

Um eine hohe Auslastung einer Elektrolyse-Anlage und damit eine hohe Effizienz sicherzustellen, braucht es eine kontinuierliche Zufuhr an großen Strommengen. Daher sind für den Bau der erneuerbaren Stromerzeugungskapazitäten wind- und sonnenreiche Regionen der Erde zu bevorzugen.

Außerdem werden für die elektrolytische Erzeugung von Wasserstoff auch große Mengen Wasser benötigt. Hierfür sind  Anlagen zur Meerwasserentsalzung oder das Schließen von industriellen Wasserkreisläufen mittel- bis langfristige Lösungsansätze.

Investition in Wasserstoff-Elektrolyse lohnt sich
Die Investition in die Elektrolyse gilt aus wirtschaftlicher Sicht als „No-Regret-Maßnahme“. Denn Wasserstoff wird  auch bereits im heutigen Raffinerieprozess bei der Herstellung fossiler Kraft- und Brennstoffe benötigt. Außerdem kann Wasserstoff auch direkt als Energieträger verwendet werden.

Deshalb ist beispielsweise in der Raffinerie Rheinland, Werk Wesseling, die weltweit größte Wasserstoff-Elektrolyse-Anlage in Planung. Mit einer Kapazität von zehn Megawatt soll der Wasserstoff zunächst vor allem für die Verarbeitung von Produkten der Raffinerie genutzt werden. Die Technologie wird aber zugleich für einen möglichen Einsatz in anderen Sektoren getestet.













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Geschlossener CO2-Kreislauf

Flüssige Brennstoffe bestehen vorwiegend aus Kohlenstoff und Wasserstoff. Bei ihrer Verbrennung entstehen hauptsächlich Wasser und Kohlendioxid (CO2). Wird dieses CO2 wieder in den Entstehungsprozess der Brennstoffe eingebunden, entsteht ein geschlossener Kohlenstoffkreislauf und damit weitgehende Treibhausgasneutralität: Kohlendioxid wird zum nachhaltigen Rohstoff, da dieselbe Menge bei der Verbrennung freigesetzt wird, wie bei der Produktion der Atmosphäre entzogen wird.

Die pflanzliche Photosynthese ist der natürliche Weg eines geschlossenen Kohlenstoffkreislaufs. In Biomass-to-Liquid-Verfahren (BtL/PBtL) lassen sich aus einer Vielzahl von biogenen Roh- und Reststoffen wie zum Beispiel Algen, Restholz oder Stroh flüssige Brennstoffe mit einem Treibhausgas-Minderungspotenzial von bis zu 90 Prozent gegenüber einem mineralölstämmigen Kraftstoff herstellen.

Der Kohlenstoffkreislauf lässt sich aber auch künstlich verkürzen: Beim Power-to-Liquid-Verfahren (PtL) kann Kohlendioxid direkt aus Industrieabgasen oder auch der Luft als Kohlenstoffquelle genutzt werden. Auch Müll kann als Kohlenstofflieferant im Waste-to-Liquid-Verfahren (WtL) dienen. Der benötigte Wasserstoff wird durch Elektrolyse mithilfe von Strom erzeugt – und dessen Herkunft ist entscheidend für die Treibhausgasbilanz des PtL-Produkts: Denn nur grüner Strom aus erneuerbaren Quellen nützt der angestrebten Treibhausgasreduktion.

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Prof. Dr. Sven Kureti, Technische Universität Bergakademie Freiberg

Die Alge nimmt im Wachstum so viel CO2 auf, wie sie bei der Verbrennung als Kraftstoff wieder abgibt.

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Kohlenstoffquelle Biomasse

Neben Wasserstoff enthalten flüssige Brenn- und Kraftstoffe typischerweise auch Kohlenstoff. Eine mögliche Kohlenstoffquelle für die Herstellung von E-Fuels ist Biomasse.

Gemeint sind nicht-essbare Pflanzenteile, etwa Stroh oder Altholz, Altfette und andere biogene Reststoffe. Zusätzlich kommt sogenannte Anbaubiomasse in Frage – aber in Form von speziell gezüchteten Algen, die auf für Nahrungs- und Futtermittelanbau ungeeigneten Flächen kultiviert werden können. Eine Nutzungskonkurrenz zu Nahrungsmitteln oder Anbauflächen ist damit ausgeschlossen und eine neue „Tank-Teller“-Diskussion wie vor einigen Jahren im Zuge der Biokraftstoffquote kommt gar nicht erst auf.

Zusammengefasst wird dieser  Entwicklungspfad unter dem Begriff Biomass-to-Liquid (BtL). Die aus Biomasse gewonnen Kohlenstoffe werden dann im PBtL-Verfahren (also Power-Biomass-to-Liquid) zusammen mit „grünem“ Wasserstoff zu einem synthetischen Brennstoff verarbeitet.

Um an den Kohlenstoff in der Biomasse heran zu kommen ist zunächst ein chemisches Verfahren nötig. Es gibt unterschiedliche Möglichkeiten, hier zwei Beispiele:

Verflüssigung durch Pyrolyse
Als Pyrolyse wird die thermochemische Zersetzung von organischen Verbindungen unter Luftabschluss bezeichnet. Bei der Schnell-Pyrolyse beispielsweise wird organisches Material wie Holz oder Stroh unter Ausschluss von Sauerstoff innerhalb von wenigen Sekunden auf etwa 500 °C erhitzt. Dabei entsteht Pyrolyseöl, das dann weiter verarbeitet werden kann.

Vergasung
 
Mithilfe von Wasserdampf kann Biomasse durch Verschwelung in ein Produkt- oder Brenngas umgewandelt werden. Es eignet sich als Synthesegas für die Herstellung von Kraftstoffen.

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David Diarra, OWI Oel-Waerme-Institut gGmbH

Biobrennstoffe müssen vor allem CO2-Einsparung ermöglichen.

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Prof. Dr.-Ing. Jörg Sauer, Karlsruher Institut für Technologie (KIT)

In der Anlage am KIT soll aus Biomasse wie Weizenstroh oder Restholz ein vergasungsfähiger, transportabler Brennstoff hergestellt werden.

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Prof. Dr. Sven Kureti, Technische Universität Bergakademie Freiberg

Algen als Brenn- und Kraftstoffkomponente senken den CO2-Ausstoß und eignen sich in vielfältiger Weise. 

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Kohlenstoffquelle CO2

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Auch CO2 kommt als Kohlenstoffquelle in Frage. Eingefangen werden kann das Kohlendioxid direkt dort, wo es entsteht, in Kraftwerken, Zementfabriken oder  Stahlwerken, in Müllverbrennungs- und Biogasanlagen. Und auch in der Atmosphäre ist mehr als genug CO2 enthalten. Werden die Pariser Klimaziele umgesetzt und die CO2-Emissionen im vereinbarten Umfang reduziert, wird sich diese Kohlenstoffquelle allerdings dezimieren.

Vom Klimagas zum nachhaltigen Rohstoff
Das Kohlendioxid aus der Luft einzufangen ist ein mühsames Geschäft, denn sie enthält lediglich 0,04 Prozent dieses Treibhausgases. Deshalb jagt beispielsweise das das kanadische Unternehmen "Carbon Engineering", mitbegründet von Bill Gates, ungeheure Mengen an Luft durch seine Anlage: Ein Ventilator saugt Luft in eine Kunststoffkonstruktion, den Air Contactor. Über diesen läuft von oben eine Lösung, die das CO2 binden soll. Die Konstruktion ist so ausgelegt, dass möglichst viel Luft mit den Wänden in Berührung kommt, an denen die Lösung herabläuft. Am Boden sammelt sich dann schließlich die mit CO2 angereicherte Flüssigkeit.
In einem zweiten Schritt wird das CO2 wieder ausgelöst und kann nun gebunden oder als Gas weiterverarbeitet werden. So lässt sich derzeit eine Tonne Kohlendioxid pro Tag in fester Form binden.

Eine andere CO2-Sammeltechnik stammt vom Schweizer Unternehmen Climeworks. Es hat ein Filtermaterial entwickelt, das gezielt Kohlendioxidmoleküle festhält und alle anderen Bestandteile der Luft passieren lässt.

Es zeigt sich: Um den Kohlenstoff aus dem CO2 nutzen zu können, ist ein aufwändiger Prozess nötig. Die CO2-Abtrennung aus Abgasen bzw. aus der Luft, Aufreinigung, Kompression und Transport benötigen viel Energie. Die Prozesse sind alle seit langem bekannt. Jetzt gilt es sie im industriellen Maßstab aufzusetzen und durch hohen Wirkungsgrade, wirtschaftlich zu machen.

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Verfahren Power-to-Liquid

Der zentrale Forschungspfad für E-Fuels ist Power-to-Liquid (PtL). Das heißt übersetzt "Strom zu Flüssigkeit".

Und das passiert: Strom aus erneuerbaren Quellen wie Sonne oder Wind wird für das technische Verfahren der Elektrolyse eingesetzt. Dabei wird Wasser in seine Bestandteile Sauerstoff und Wasserstoff aufgespalten.

Der so gewonnene Wasserstoff wird in weiteren Prozessen chemisch an Kohlenstoff, der aus CO2 gewonnen wird, gebunden. Stammt der Kohlenstoff aus Biomasse ist auch von PBtL (Power-Biomass-to-Liquid) die Rede. Die neue Verbindung führt zu einem synthetischen flüssigen Energieträger, der perspektivisch heutige fossile Kraft- und Brennstoffe ersetzen kann.

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Damit der Wasserstoff aus der Elektrolyse und der Kohlenstoff aus Biomasse oder CO2 zu einem flüssigen Brennstoff werden können, müssen die beiden Komponenten aneinander gebunden werden.

Dazu eignen sich verschiedene Verfahren, beispielsweise Hydrierung oder die Fischer-Tropsch-Synthese.

Hydrierung ist ein Verfahren zur Addition von Wasserstoff an andere chemische Elemente oder Verbindungen. Mit mehrstufigen Hydrierungsverfahren kann beispielsweise Pyrolyseöl aus Biomasse, das nicht ohne weiteres als Heizölersatz nutzbar ist, zu einem Brennstoff weiterverarbeitet werden, der ähnliche Eigenschaften wie Heizöl aufweist.

Die Fischer-Tropsch-Synthese ermöglicht die direkte Synthese langkettiger Kohlenwasserstoffe aus den Gasen Kohlenmonoxid und Wasserstoff. Es ist eine hochentwickelte Technologie, die seit Jahrzehnten großtechnisch im Einsatz ist und dabei kontinuierlich weiterentwickelt wurde.

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Christian von Olshausen, sunfire GmbH

In drei Schritten zu Kraftstoff aus CO2 und Wasser.

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Dr.-Ing. Tim Böltken, INERATEC GmbH

Regenerativ erzeugter Wasserstoff und CO2 werden in flüssigen synthetischen Kraftstoff umgewandelt.

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E-Crude

In Anlehnung an crude oil, den englischen Begriff für Rohöl, geben die Hersteller von synthetischen und biologischen Brenn- und Kraftstoffen ihren Roh-Produkten Namen wie „Blue Crude“, „Biosyncrude“ oder „Biocrude“.

Die Wortschöpfungen weisen bereits daraufhin, dass der Rohstoff aus nicht fossilen Quellen stammt und dass es sich um ein Rohprodukt handelt, das für den Einsatz als Brenn- oder Kraftstoff in der Raffinerie weiterverarbeitet werden muss.

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Christian von Olshausen, sunfire GmbH

Anstatt die komplexen Raffinierieprodukte wie Benzin oder Heizöl zu ersetzen, ist es einfacher, das Rohöl zu ersetzen.

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Prof. Dr. Sven Kureti, Technische Universität Bergakademie Freiberg

Die Alge wird durch Druck in Rohöl umgewandelt, das dann weiter hydriert und verarbeitet wird.

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E-Fuel

E-Fuels haben einen entscheidenden Vorteil: Sie eignen sich für herkömmliche Motoren und Heizungen und geben diesen  weit verbreiteten Technologien eine klimaneutrale Perspektive. Dabei vereinen Sie die Vorteile flüssiger Brennstoffe und machen diese auch in Zukunft nutzbar: Sie sind gut speicherbar und leicht zu transportieren, sie haben eine hohe Energiedichte und können auf die hervorragende Infrastruktur der heutigen Mineralölprodukte zurückgreifen.

Die Mischung macht's
Konventionelle Brenn- und Kraftstoffe wie zum Beispiel Heizöl oder Benzin sind gemischte Mineralölprodukte und werden daher auch als Blends bezeichnet. Diese Produkte werden aus verschiedenen Komponenten zusammengemischt, um normgerechte Produktqualitäten herzustellen.

Auch synthetisch erzeugte flüssige Energieträger werden aus verschiedenen Komponenten von Kohlenwasserstoff-Molekülen bestehen. Diese werden so ausgewählt und zusammengemischt, dass die Blends in ihrer Anwendung und Verbrennung im Idealfall optimierte Eigenschaften erfüllen. Vergleichbar mit Bordeaux-Weinen, die auch aus verschiedenen Rebsorten bestehen.

Somit besteht die Möglichkeit, dass E-Fuels nicht nur treibhausgasneutral einsetzbar sind, sondern mit bestimmten Komponenten zum Beispiel deutlich verbesserte Emissionseigenschaften eingestellt werden können. Man spricht daher auch von Designerbrennstoffen.


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Prof. Dr.-Ing. Jörg Sauer, Karlsruher Institut für Technologie (KIT)

Wir wollen alternative Kraftstoffe für die Mobilität entwickeln, die konventionelle Kraftstoffe ersetzen können

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Prof. Dr. Regina Palkovits, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen

Wir machen Treibstoffe, die Rohöl ersetzen können - und im besten Fall noch bessere Eigenschaften haben.

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Dr.-Ing. Tim Böltken, INERATEC GmbH

Synthetische Kraftstoffe verbrennen sauber und rußarm und sind deshalb heiß begehrt. Und sie eignen sich auch als "Drop-In"-Produkt.

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David Diarra, OWI Oel-Waerme-Institut gGmbH

Beimischquoten von 50 Prozent sind möglich - künftig soll hydriertes Bioöl auch in Reinform einsetzbar sein.

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