Alles brennt

Die Endlichkeit der fossilen Brennstoffe respektive die Abhängigkeit von Erdöl und Erdgas lässt die Forschung schon länger nach Alternativen für den Fahrzeugantrieb suchen. Auch der Wunsch nach ressourcenschonenden und umweltfreundlichen Kraftstoffen eint die Forscher in ihrem Engagement. Dass es viele Ansätze mit diesem Ziel gibt, zeigen die vielen verschiedenen alternativen Kraftstoffe. Zu den Biokraftstoffen der 1. Generation zählen Biodiesel, Pflanzenöl und Bioethanol. Ethanol nutzte schon Otto-Motor-Erfinder Nikolaus Otto und auch im Ford Modell T sah Henry Ford den Agraralkohol als den Treibstoff der Zukunft an. Bio wurde die Produktion des Ethanols im Zuge der Ölkrisen in den 1970er-Jahren, als nachwachsende Rohstoffe zunehmend die Grundlage des Kraftstoffs bildeten. Da aber insbesondere der Anbau der Rohstoffe in Konkurrenz zu Nahrungsmitteln in die Kritik geriet, geht die Entwicklung in die Richtung, Cellulose-Ethanol aus Pflanzenabfällen herzustellen. Der Hauptmarkt dieses Kraftstoffs liegt allerdings in Südamerika. Auch Biodiesel und Pflanzenöl kommen in der Masse nicht als wirkliche Kraftstoffalternativen zum Einsatz, auch hier steht die Konkurrenz zur Nahrungsmittelproduktion dagegen. Der Fokus verschiebt sich vielmehr auf die Synthetisierung von Stoffen zur Kraftstoffproduktion.

Synthetische Kraftstoffe besitzen ebenfalls eine lange Tradition. Schon in den zwanziger Jahren des vergangenen Jahrhunderts stellten die Leuna- Werke das sogenannte Deutsche synthetische Benzin oder auch Leuna-Benzin her. Die aufwendigen und verhältnismäßig teuren Verfahren dienten dazu, aus Kohle eine Alternative zum Rohöl zu produzieren beziehungsweise die eigenen Kohlevorkommen im Zuge der deutschen Autarkiebestrebungen im Zweiten Weltkrieg besser nutzen zu können. Die heutigen Bestrebungen bei der Herstellung synthetischer Kraftstoffe gehen vor allem dahin, Unabhängigkeit von fossilen Brennstoffen durch ressourcenschonende und umweltfreundliche Rohstoffe zu erreichen. Wesentlich bei der Entwicklung von Verfahren ist auch, einen möglichst hohen Wirkungsgrad zu erreichen, das heißt, den Energieverlust bei der Umwandlung von Stoffen möglichst gering zu halten.

Biomass-to-Liquids
Einige Ansätze, schadstoffarme bis schadstofffreie flüssige Kraftstoffe der zweiten Generation herzustellen, die außerdem keine neuen Motoren- und Kraftstoffversorgungskonzepte erfordern, gibt es bereits seit mehreren Jahren: Für den Biomass-to-Liquids-(BtL-)Kraftstoff lässt sich Biomasse jeglichen Ursprungs nutzen, seien es Biomasseabfälle wie Stroh oder Restholz, aber auch extra dafür angebaute cellulosereiche Nutzpflanzen. Im Vordergrund steht vor allem, keine Konkurrenz zur Nahrungsmittelproduktion darzustellen, um die Preise für Lebensmittel nicht negativ zu beeinflussen. Die Biomasse wird – vereinfacht formuliert – nach der Vergasung synthetisiert und der Kraftstoff aufbereitet. Derzeit läuft dazu ein Forschungsprojekt am Karlsruher Institut für Technologie, bei dem in der bioliq®-Pilotanlage pro Tag rund eine Tonne hochwertiges Benzin hergestellt wird. Nach diesem Konzept lassen sich, so das Institut, auch Kraftstoffe für Dieselmotoren und Flugzeuge produzieren.

Power-to-Liquids
In Dresden ging Ende 2014 eine Pilotanlage der sunfire GmbH an den Start. An diesem Forschungsprojekt beteiligen sich nicht nur die Bundesregierung, einige Universitäten und die Fraunhofer-Gesellschaft, sondern unter anderem auch potenzielle Abnehmer wie die Audi AG, Boeing Inc., die Lufthansa AG oder die Total Energy Ventures. Zur Herstellung eines synthetischen Kraftstoffs braucht es bei diesem Verfahren lediglich Kohlendioxid, Wasser und Strom. Mit dem aus der Umgebungsluft gewonnenen CO₂ reagiert der durch eine Hochtemperatur- Elektrolyse (mithilfe von Strom aus regenerativen Quellen) gewonnene Wasserstoff zu einer energiehaltigen Flüssigkeit, die sich wiederum in synthetische Kraftstoffe wie Benzin, Diesel oder Kerosin (Power-to-Liquids) umwandeln lässt. Diese haben einen Wirkungsgrad von bis zu 70 Prozent, sind außerdem frei von Schwefel und Aromaten und weisen eine hohe Cetanzahl, also Zündwilligkeit, auf. Sie eignen sich ideal als Kraftstoff zur Beimischung in jeglichem Verhältnis. Sunfire strebt eine industrielle Vermarktung des umweltfreundlichen Kraftstoffs ab 2016 an, zuvor sollen umfangreiche Tests in Industrie und Luftfahrt erfolgen. Nach aktuellen Prognosen geht man von Kosten von 1 bis 1,30 Euro pro Liter aus. Audi als exklusiver Partner aus der Fahrzeugindustrie will diesen Kraftstoff als „e-diesel“ nutzen. Ein weiterer Vorteil dieses Kraftstoffs ist, dass bei der Produktion einer Tonne jeweils drei Tonnen CO₂ aus der Umwelt verwertet werden.

Liquefied Natural Gas
Das auch LNG genannte verflüssigte Gas ist ein auf Erdgas basierender innovativer Kraftstoff, der hauptsächlich aus Methan und geringen Anteilen von Ethan, Propan und schwereren Kohlenwasserstoffen besteht. Durch Kühlung auf −162 Grad Celsius wird das Erdgas verflüssigt. Dabei werden ungewollte Komponenten wie beispielsweise CO2 und Wasser aus dem Erdgas entfernt. In diesem Aggregatzustand nimmt LNG nur circa 1/600 des Volumens von Erdgas bei normalem Druck ein. Es hat eine höhere Energiedichte als komprimiertes Erdgas (CNG), deshalb eignet es sich gut für den Langstreckenverkehr und schwere Transporte. E.ON hat mit Liqvis eine Marke zur Markteinführung von LNG in Deutschland vorgestellt. Unter diesem Namen organisert der Energieversorger künftig die verlässliche Bereitstellung des Kraftstoffes LNG in Deutschland. Laut dem Mineralölkonzern Shell, der ebenfalls zu den Produzenten gehört, kann LNG dazu beitragen, Partikel-, Stickoxid- sowie Treibhausgasemissionen zu reduzieren. Zudem soll es aufgrund von effzienten Herstellungsprozessen und hohen Produktionskapazitäten langfristig günstiger als Diesel bleiben. Aufgrund der höheren Dichte und der damit verbundenen verbesserten Reichweite von LNG ist keine große Tankstelleninfrastruktur erforderlich. Die Anlieferung des Füssigen Kraftstoffs kann durch Lkw-Tanklastwagen erfolgen. Bei der Errichtung einer LNG-Tankstelle ist somit keine Anbindung an das Erdgasnetz erforderlich. Derzeit läuft ein von der EU gefördertes Projekt namens LNG Blue Corridors, das die Verbreitung von LNG insbesondere in der Nutzfahrzeugbranche vorantreiben soll.

Biogenes LPG
Auch für das Liquefied Petroleum Gas – LPG, Flüssiggas oder Autogas genannt – forscht man nach Alternativen auf biologischer Basis. Verschiedene Wege führen dorthin: Mikroorganismen als Propanlieferanten untersucht Prof. Dr. Kai-Uwe Hinrichs vom Zentrum für Marine Umweltwissenschaften MARUM der Universität Bremen. Propan ist zusammen mit Butan Hauptbestandteil von Autogas. Die Gas produzierenden Mikroorganismen finden sich in Sedimentschichten auf dem Meeresboden. Sie sollen mit Substraten „gefüttert“ werden, um die Gasausbeute zu erhöhen. Bisher beläuft sie sich aber nur auf minimale Mengen.

Strom lässt sich nur schwer und mit Verlusten speichern – es sei denn in füssiger Form. Durch Solarenergie und Windkraft werden aber immer größere Schwankungen im Stromnetz auftreten. Mit dem sogenannten Sabatier-Prozess (Me-thanisierung) kann Kohlendioxid mit Wasser- stoff reduziert werden und es entstehen Methan (CH4) und Wasser. Mittels Katalysatoren können anteilig auch höherwertige Kohlenwasser- stoffe wie Propan und Butan gewonnen werden. Der Wasserstoff kann durch Elektrolyse aus überschüssigem Strom produziert werden, CO₂ fällt aus unterschiedlichen Quellen ohnehin in großem Maße an. Auch am Clausthaler Umwelttechnik-Institut (CUTEC) hat man das Fischer-Tropsch-Verfahren reaktiviert. Statt Kohle soll zum Beispiel Restholz aus den Wäldern oder auch Stroh zum Einsatz kommen (siehe BtLKraftstoffe). Die Forschung konzentriert sich auf ein optimiertes LPG-Konzept, bei dem die Produktionsmenge mittels der Verfahren Dampfreformierung und Naphtha-Upgrading bis auf den theoretisch möglichen Maximalwert von 32 Megawatt gesteigert werden soll. Eine Pilotanlage gibt es hier bereits, in der die Biomassevergasung und Rohgasreinigung realisiert sind. Bei den nächsten Schritten, nämlich der Gasaufbereitung, LPG-Synthese und Nutzung der Nebenprodukte, gibt es noch Forschungs- und Entwicklungsbedarf.

Gas-to-Liquids
Beim Gas-to-Liquids(GtL-)Verfahren verwandelt sich Erdgas durch die Zufuhr von Sauerstoff und Wasserdampf zu einem Synthesegas und dieses wird in einer weiteren Synthese zu Kohlenwasserstoffen. Diese müssen in einem weiteren Verfahren ver!üssigt werden, sodass ein Kraftstoff für Dieselmotoren entsteht, der schwefel- und aromatenfrei ist und eine niedrige Dichte sowie eine hohe Cetanzahl besitzt. Shell betreibt in Katar und in Malaysia große Produktionsanlagen, in denen Erdgas mittels der Fischer-Tropsch-Methode in füssige Produkte umwandelt wird. Auch der südafrikanische Sasol-Konzern engagiert sich schon länger in der Herstellung von GtL-Produkten. In Südafrika und Katar synthetisiert das Unternehmen in großem Stil Erdgas zu Flüssigas. Die Umwandlung von Gas in füssige Kraftstoffe erhält dann einen besonderen Stellenwert, wenn die Methode vereinfacht und damit kostengünstiger angewandtwerden kann Das Unternehmen Synfuels International Inc. verspricht eine solche Erleichterung durch ein neues Prinzip, mit dem sich Erdgas zu Syngas synthetisieren lässt. Mithilfe eines Katalysators soll sich das Gas mit Wasserstoff und Kohlenstoff zu Alkoholen und anderen Brennstoffen verbinden. Nachteil dieser Verfahren ist, dass mit Erdgas weiterhin ein.

Andere Flüssigkraftstoffe
Weitere bekannte Forschungsprojekte laufen beim amerikanischen Unternehmen Joule Unlimited Inc., das zusammen mit der Audi AG die Produktion von synthetischen Kraftstoffen mithilfe von Mikroorganismen verfolgt. Die maßgeschneiderten Bakterien benötigen vorwiegend CO₂, Wasser und Sonnenenergie zum Leben. Anstatt jedoch durch Fotosynthese neue Zellen zu bilden, produzieren sie kontinuierlich andere Kohlenwasserstoffe, zum Beispiel Ethanol oder auch langkettige Alkane, wichtige Bestandteile von Dieselkraftstoff. Für diese Vorgänge nutzen die Bakterien das Sonnenlicht sowie CO₂ – beispielsweise aus industriellen Abgasen, außerdem Salz- oder Abwasser. Trinkwasser ist für die Produktion der beiden Kraftstoffe nicht nötig. Am Ende dieses Fotosyntheseprozesses werden das Ethanol und der synthetische Dieselkraftstoff vom Wasser abgetrennt und gereinigt. Diese Kraftstoffe eignen sich ebenfalls zur Beimischung zum herkömmlichen Kraftstoff und können in den aktuellen Verbrennungsmotoren genutzt werden. Auch das französische Unternehmen Global Bioenergies S.A. hat die Audi AG als Partner zur Entwicklung eines neuen Kraftstoffs auserkoren: Sein Ansatz besteht in der Herstellung eines Flüssiggases namens Isobuten, eigentlich bekannt als Nebenprodukt der Erdölverarbeitung. Doch Global Bioenergies kann dieses Gas, das auch eine Vorstufe von Isooktan ist, einem bisher bereits genutzten Additiv zur Verbesserung der Klopffestigkeit, aus dem Zucker von Pfanzenabfällen herstellen. Die aktuelle Herausforderung beider Partner liegt darin, die Wirtschaftlichkeit in der Herstellung zu verbessern. Außerdem gilt es, herauszufinden, ob das biologische Isooktan ebenso geeignet zur Verwendung in den Verbrennungsmotoren ist wie das aus Erdöl gewonnene. Das für Audi bestimmte Isooktan produziert Global Bioenergies in Leuna und damit scheint sich der Kreis des synthetischen Benzins erst einmal zu schließen. Ein zweiter Weg zur Herstellung von Isobuten ist die Zwischenschaltung von Mikroorganismen, die Isobuten aus sogenanntem Synthesegas produzieren, einer Mischung aus Wasserstoff und Kohlenmonoxid. Das Gas lässt sich beispielsweise dadurch gewinnen, dass man Müll und nicht essbare Biomasse in trockenem Zustand stark erhitzt – ein Prozess, der als Verschwelen bekannt ist.

Gasförmige Kraftstoffalternativen
Neben den alternativen Flüssigkraftstoffen liegt ein Forschungsschwerpunkt auf den alternativen gasförmigen Kraftstoffen. Während Erdgas zwar wesentlich umweltfreundlicher als Diesel oder Benzin verbrennt, soll es für die bereits etablierten Gas-Motorenkonzepte auch Kraftstoffalternativen geben, die ressourcenschonend und zudem unabhängig von der Erdgasgewinnung eingesetzt werden können. Biogas beispielsweise kann aus Energiepfanzen, Holz, Deponiegas und Reststoffen wie Gülle, Biomüll oder Klärschlamm gewonnen werden. Es wird in das Erdgasnetz eingespeist und kann so als Beimischung zum Erdgas als Kraftstoff den CO₂-Ausstoß gegenüber herkömmlichen Kraftstoffen senken. Laut erdgas mobil stellen rund 35 Prozent der Erdgastankstellen in Deutschland Bioerdgas in unterschiedlich hohen Beimischungen nur Verfügung. Beim Projekt Power-to Gas, das die Audi AG unterstützt, koppelt die Technologie das Strom mit dem Erdgasnetz. Die Anlage in Werlte nutzt überschüssigen Strom aus erneuerbaren Energiequellen wie Windkraft, um Wasser mithilfe von drei Elektrolyseuren in Sauerstoff und Wasserstoff zu spalten. Bei der Methanisierung werden der Wasserstoff und das Kohlendioxid zusammengebracht. Aus der Reaktion entsteht synthetisches, erneuerbares Methan: das Audi e-gas. Es ist nahezu identisch mit fossilem Erdgas und wird über das bereits vorhandene Erdgasnetz eingespeist und an die Tankstellen verteilt. Die Verbrennung emittiert nur so viel CO2 wie vorher durch die Anlage gebunden wurde. Weiterer Vorteil: Die Anlage kann auch den Wasserstoff, der in der Elektrolyse entsteht, als Treibstoff für Brennstoffzellenautos zur Verfügung stellen. Zudem lässt sich das e-gas auch wieder in Strom zurückwandeln und dient so als Zwischenspeicher für erneuerbare Energien.

Um Wasserstoff als Treibstoff nutzen zu können, gibt es ebenfalls mehrere Methoden, die mehr oder weniger umweltfreundlich sind. Die am häufigsten genutzte ist die thermochemische Konversion kohlenstoffhaltiger Energiequellen, deren Nebenprodukt das CO₂ ist. So lässt sich auch aus Biomasse Wasserstoff herstellen, der wiederum klimaneutral ist, da die Pfanzen das CO₂ für die Fotosynthese der Luft entzogen haben. Zum Beispiel die H2 Patent GmbH verfolgt den Ansatz, aus feuchter Biomasse durch Vergasung in druckaufgeladenen kaskadierten Wirbelschichtreaktoren nach Reinigung und Trennung hochreinen Wasserstoff zu erhalten. Als Abfallprodukte bleiben Asche, zum Beispiel verwendbar als Mineraldünger, und CO₂ übrig. Ebenso fällt bei einer Reihe chemischer Prozesse Wasserstoff als Nebenprodukt ab, der oft durch Verbrennung als Wärme weiter genutzt wird. Ein weiterer Schritt, Wasserstoff zu erhalten, ist die schon erwähnte Elektrolyse, bei der Wasser mithilfe von elektrischer Energie in Wasserstoff und Sauerstoff getrennt wird. Dies kann mittels regenerativer Energie erfolgen, wie es zum Beispiel in der oben beschriebenen Anlage des Power-to-Gas-Projektes der Audi AG abläuft. Umgekehrt arbeitet dann eine Brennstoffzelle, die bei der Zufuhr von Wasserstoff und Sauerstoff in einer chemischen Reaktion Energie und Wasserdampf freisetzt. Wenn der Wasserstoff klimaneutral hergestellt wird, bleibt auch die Klimabilanz eines brennstoffzellengetriebenen Fahrzeuges klimaneutral. Gasförmige Kraftstoffe brauchen eine eigene Versorgungs beziehungsweise Speicherinfrastruktur, um zu den Fahrzeugen zu gelangen. Für Erdgas als Kraftstoff kann das kommunale Versorgungsnetz genutzt werden. Für Wasserstofftankstellen müssen Extratanks zur Verfügung gestellt werden, in denen das Gas komprimiert oder verflüssigt gelagert wird. Alternativ kommt das Gas über Pipelines zur Zapfsäule. Auch eine Vor-Ort-Produktion könnte für die Zukunft eine denkbare Lösung sein.

Fazit
Der Flüssigkraftstoff bleibt wohl vorerst das vorherrschende Antriebsmittel der näheren Zukunft. Eine etablierte Versorgungsinfrastruktur und ausgereifte Motorentechnologie unterstützen diese These. Aber für den Übergang zu anderen Antriebstechnologien ist es wichtig, dass es verschiedene Ansätze zur Herstellung von synthetischen Kraftstoffen gibt, die eine Unabhängigkeit vom Rohöl möglich machen und eine ähnlich gute CO₂-Bilanz versprechen wie ein batteriebetriebenes Fahrzeug, das mit regenerativ gewonnenem Strom gespeist wird. Wesentliche Argumente für den Antriebsstoff der Zukunft sind dabei aber auch, dass die Herstellung nicht in Konkurrenz zur Nahrungsmittelproduktion tritt und dass er einen möglichst hohen Wirkungsgrad hat. Entscheidend ist nun, ob die Produkte den Erwartungen der Fahrzeugentwickler entsprechen beziehungsweise wie lange es dauert, bis sie preislich attraktiv und marktreif werden. Welche der Methoden sich letztlich durchsetzen wird, beeinflussen dann auch die Fahrzeughersteller, die die Entwicklung und den Einsatz von Kraftstoffalternativen vorantreiben. So erreichen sie natürlich ebenso gesetzlich vorgeschriebene Klimaschutzauflagen.