Nachhaltige Treibstoffe für die Luftfahrt

Power-to-Liquid

Remagen, 25. Mai 2018

Was treibt die Luftfahrt an in 20 Jahren?

Unter diesem Titel stand der Vortrag von IASA-Vorstand Michael Wühle, der zu Beginn der Betriebsleiterbesprechung 2018 der Fernleitungsbetriebsgesellschaft (FBG) die Teilnehmer auf den Tag thematisch einstimmte.

Zuvor betonte der FBG-Geschäftsführer Horst Saal in seiner Begrüßung die Wichtigkeit für das Unternehmen, am heutigen Tag einen intensiven Blick auf die wahrscheinlichen Entwicklungen und Trends zu werfen, die für die Fernleitungsbetriebsgesellschaft in den nächsten 20 Jahren relevant sind oder werden. Horst Saal spannte einen weiten Bogen vom Klimawandel und seinen Folgen, der wirtschaftlichen Entwicklung in Asien und Afrika, Hunger und Not in vielen Teilen der Welt, der Automatisierung bis zu Erneuerbaren Energien und nachhaltigen Treibstoffen.

Im folgenden Vortrag von Michael Wühle ging es dann auch hauptsächlich um nachhaltige Treibstoffe für die Luftfahrt. Zuvor erläuterte der Referent anhand aktueller Zahlen über das Wachstum der Luftfahrt, dass deren Klimaziele mit neuen Flugzeugkonstruktionen, neuen Triebwerken und Werkstoffen unmöglich erreicht werden können. Die so erreichbaren Treibstoff- und damit Emissionseinsparungen werden durch das ungebrochene Wachstum (+7,6% an verkauften Passagierkilometern in 2017) mehr als kompensiert werden.

Die Fachleute sind sich einig, so Michael Wühle, dass die Klimaziele der Luftfahrt weltweit nur über die Treibstofffrage gelöst werden können. Bio-Treibstoffe mindern zwar die CO2-Emissionen und sind auch schon verfügbar, durch das begrenzte Mengenpotenzial und den sogenannten Teller-Tank-Konflikt können sie jedoch nur einen sehr begrenzten Beitrag leisten. Elektro- und Hybridantriebe für Flugzeuge sind möglich und werden in wenigen Jahren geflogen werden. Der Referent erläuterte, dass aufgrund der 4-fach geringeren Energiedichte von Wasserstoff und wegen der 20-fach kleineren Speicherdichte von Lithium-Ionen-Akkus, bezogen auf das Kilogramm, die Reichweite solcher Flugzeuge auf Kurzstrecken und eine relative kleine Passagierzahl pro Flug begrenzt bleiben werde. Für die Mittel- und Langstrecke brauche es noch viele Jahre flüssige Treibstoffe mit der gleichen oder sogar höheren Energiedichte wie das jetzige fossile Kerosin.

Power-to-Liquid

Unter dem Begriff “Power-to-Liquid” (PtL) ist ein Verfahren zur Erzeugung synthetischer Treibstoffe aus Erneuerbaren Energien (EE) bekannt. Das EE-Kerosin der Zukunft wird ein PtL-Kerosin sein, da ist sich Michael Wühle sicher. Bei der Produktion von PtL-Treibstoffen wird Wasser mittels Strom aus Erneuerbaren Energien (z.B. Photovoltaik, Windkraft, Biogas, usw.) in seine Bestandteile Wasserstoff und Sauerstoff zerlegt. Mit dem Wasserstoff und CO2 (entweder aus der Atmosphäre oder durch Abscheidung aus Industrieanlagen) wird ein Synthesegas erzeugt und in einem nachfolgenden Reaktor in flüssigen Treibstoff umgewandelt, der chemisch nahezu identisch mit dem fossilen Gegenpart ist. Das Ergebnis ist in jedem Fall ein CO2-armer Treibstoff, der prinzipiell auch das Potenzial hat, CO2-neutral zu sein. Bereits heute ist ein solcher PtL-Treibstoff mit einem Volumenanteil von 50% für die Luftfahrt zugelassen. Herr Wühle stellte noch kurz das PtL-Projekt des Luftfahrtverbands IASA e.V. vor (siehe PtL-Impulskampagne) und lud die Teilnehmer der Betriebsleiterbesprechung ein, sich mit ihrer Expertise in Treibstofffragen in das Projekt einzubringen.

Kooperationsvereinbarung

Abschließend unterzeichneten Horst Saal und Michael Wühle eine Kooperationsvereinbarung zwischen beiden Organisationen. Die Kooperationspartner setzen sich dabei das Ziel, nachhaltige Strukturen und Projekte im Luftverkehr zu fördern, sowie nachhaltiges Handeln in sozialer, ökologischer, ökonomischer und partizipativer Hinsicht in allen Bereichen der Gesellschaft zu verankern. Hierzu unterstützen sich die Partner ab nun gegenseitig mit ihren Netzwerken und ihren Aktivitäten.

Power-to-Liquid

Horst Saal (FBG) und Michael Wühle (IASA) unterzeichnen den Kooperationsvertrag (von rechts nach links).

Quelle: IASA e.V.


 

Was kosten Designer Fuels?

Studie: Künftige Kosten strombasierter synthetischer Kraftstoffe

16. Mai 2018

Im defossilisierten Energiesystem der Zukunft werden synthetische Kraftstoffe aus Erneuerbaren Energien (E-Fuels oder Designer-Fuels) – eine wichtige Ergänzung zur direkten Nutzung regenerativer Energien oder von Strom aus Erneuerbaren Energien sein. Inzwischen wecken Szenarien Interesse, die auf den breiten Einsatz synthetischer Kraftstoffe bei stark reduzierten Kosten setzen. Welche Annahmen sprechen für diese geplanten Kostensenkungen? Um für Aufklärung zu sorgen, haben Agora Verkehrswende und Agora Energiewende Frontier Economics beauftragt, Kostensenkungspfade für synthetische Kraftstoffe zu analysieren und günstige Standorte im In- und Ausland für die Erzeugung von Erneuerbarem Strom zu untersuchen. Im Rahmen eines Webinars stellten Urs Maier (Agora Verkehrswende) und Matthias Deutsch (Agora Energiewende) die wichtigsten Ergebnisse der kürzlich veröffentlichten Analyse am 16.05.2018 vor.

Ein weiteres Ziel dieser Studie, so Maier und Deutsch, sei die Förderung der Diskussion darüber, wie man die Produktion von synthetischen Kraftstoffen nachhaltig macht und mit welchen Mitteln sich das am wahrscheinlichsten erreichen lässt.

Vier Schlüssel-Erkenntnisse vorweg

  1. Synthetische Kraftstoffe werden eine wichtige Rolle bei der Dekarbonisierung des Chemiesektors, der Industrie und Teilen des Verkehrssektors spielen. Technologien zur Herstellung synthetischer Kraftstoffe können zur Herstellung chemischer Vorprodukte, zur Erzeugung von Hochtemperatur-Prozesswärme sowie zur Versorgung von Luft-, See- und eventuell Straßentransporten eingesetzt werden. Da synthetische Kraftstoffe teurer sind als die direkte Nutzung von Elektrizität, ist ihre mögliche Bedeutung in anderen Sektoren noch ungewiss.
  2. Um wirtschaftlich effizient zu sein, benötigen Power-to-Gas- (PtG) und Power-to-Liquid-Anlagen (PtL) kostengünstigen Strom aus Erneuerbaren Energien und hohe Volllaststunden. Überschüssiger Erneuerbarer Strom wird nicht ausreichen, um den Strombedarf bei der Herstellung synthetischer Kraftstoffe zu decken. Stattdessen müssen Erneuerbare Kraftwerke explizit für die Herstellung synthetischer Kraftstoffe gebaut werden, entweder in Deutschland (d.h. als Offshore-Wind) oder in Nordafrika und dem Mittleren Osten (d.h. als Onshore-Wind und/oder PV). Die Entwicklung von Anlagen für synthetische Kraftstoffe in öl- und gas-exportierenden Ländern würde diesen Ländern ein postfossiles Geschäftsmodell bieten.
  3. Synthetisches Methan und Öl werden in Europa anfangs zwischen 20 und 30 ct/kWh kosten. Die Kosten können bis 2050 auf 10 ct/kWh sinken, wenn die globale Leistung von PtG und PtL rund 100 GW erreicht. Die angestrebten Kostensenkungen erfordern erhebliche, frühzeitige und kontinuierliche Investitionen in Elektrolyseure und CO2-Absorber. Ohne politische Intervention oder hohe CO2-Preise ist dies jedoch unwahrscheinlich, da die Kosten für die Herstellung synthetischer Kraftstoffe höher bleiben werden als die Kosten für die Gewinnung konventioneller fossiler Brennstoffe.
  4. Wir brauchen einen politischen Konsens über die Zukunft von Öl und Gas, der sich zum Ausstieg aus fossilen Brennstoffen verpflichtet, effiziente Ersatztechnologien bevorzugt, Nachhaltigkeitsregelungen einführt und Anreize für die Produktion synthetischer Kraftstoffe schafft. Strombasierte Brennstoffe sind keine Alternative zu fossilen Brennstoffen, können aber Technologien mit geringeren Umwandlungsverlusten wie Elektrofahrzeuge und Wärmepumpen ergänzen. Anwendungsspezifische Adoptionsziele und verbindliche Nachhaltigkeitsregelungen können dazu beitragen, dass PtG- und PtL-Kraftstoffe dem Klima zugute kommen und gleichzeitig eine verlässliche Grundlage für eine langfristige Planung bieten.

Um die Treibhausgas-Reduktionsziele zu erreichen, wird der Einsatz synthetischer Kraftstoffe in großem Maßstab nötig sein.

Deutschland strebt bis 2030 eine Verringerung der Treibhausgasemissionen um 55 % gegenüber 1990 an. Darüber hinaus will das Land bis 2050 eine Treibhausgasreduktion von 80% bis 95% erreichen. Der 2016 von der Bundesregierung verabschiedete Klimaschutzplan 2050 legt als erste deutsche Regierungspolitik die Reduktionsziele für jeden Wirtschaftszweig fest. Konkret sieht der Klimaschutzplan vor, die Emissionen im Gebäudesektor von 119 Mio. t CO2-Äquivalenten im Jahr 2014 auf 70 bis 72 Mio. t CO2-Äquivalente bis 2030 zu reduzieren. Im Verkehrssektor sollen die Emissionen von 160 Mio. t CO2-Äquivalenten im Jahr 2014 auf 95-98 Mio. t CO2-Äquivalente im Jahr 2030 gesenkt werden. Zu den wichtigsten energiepolitischen Maßnahmen zur Erreichung dieser Reduktion bis 2030 gehören die Verbesserung der Energieeffizienz, sowie die Elektrifizierung der Produktionsmengen.

Bio-basierte Treibstoffe nicht ausreichend

PtG und PtL werden als Brennstoffquellen besonders wichtig sein, da nachhaltig erzeugte Biomasse – einschließlich Holz, Biogas und Biokraftstoffe – nicht in ausreichender Menge zur Verfügung steht, um Kohle, Öl und Erdgas in Anwendungen zu ersetzen, die auf thermische Verbrennung angewiesen sind. Aufgrund der Tatsache, dass Biomasse die Anbauflächen für Lebens- und Futtermittel verdrängt, gibt es sowohl in Deutschland als auch weltweit starke Einschränkungen bei der Ausweitung der Produktion. Und während durch die Herstellung von Biokraftstoffen aus Abfällen und landwirtschaftlichen Reststoffen ein Flächenwettbewerb vermieden werden kann, ist das Wachstumspotenzial für diese Klasse von Biokraftstoffen viel zu begrenzt, um den Energiebedarf des Verkehrssektors zu decken.

Rolle der Designer Fuels im Energiesystem noch unklar

Synthetische Kraftstoffe auf Strombasis können die Dekarbonisierung fördern, wenn sie mit Erneuerbarer Energie erzeugt werden, und wenn die Kohlenstoffeinträge (falls erforderlich) klimaneutral sind. Der wichtigste synthetische Kraftstoff ist Wasserstoff als Grundmolekül, gefolgt von Methan und synthetischen flüssigen Kraftstoffen. Die genaue Rolle, die diese Brennstoffe im Energiesystem der Zukunft spielen werden, ist jedoch noch unklar. Die Antwort auf diese Frage hängt wesentlich davon ab, wann und zu welchen Kosten konventionelle Kraftstoffe durch klimafreundliche Alternativen ersetzt werden können. Aus heutiger Sicht scheint es möglich zu sein, große Mengen synthetischer Kraftstoffe zu vernünftigen Kosten herzustellen, so dass synthetische Kraftstoffe eine bedeutende Rolle bei der Dekarbonisierung spielen können.

synthetischer Kraftstoff

Zapfsäule in Zürich-Enge – Foto © Gerhard Hofmann, Agentur Zukunft für Solarify

Synthetische Kraftstoffe bieten eine Reihe von Vorteilen gegenüber der direkten Nutzung von Elektrizität: Synthetische Kraftstoffe sind energieintensiv, können gelagert und transportiert werden und sind zudem in vielerlei Hinsicht mit bestehenden Energiesystemen kompatibel. Dadurch weisen synthetische Kraftstoffe die gleichen positiven Eigenschaften auf wie fossile Kraftstoffe. Industriegesellschaften haben weitreichende technologische Abhängigkeiten und Routinen im Alltag entwickelt. Die Kompatibilität der synthetischen Kraftstoffe mit der bestehenden Infrastruktur ist ein klares Argument für sie, denn ihre Einführung bringt keine großen Änderungen in den bestehenden Routinen und Systemen mit sich.

 

Großer Nachteil der Synthetischen: Mangelhafte Energieeffizienz

Synthetische Kraftstoffe haben jedoch einen großen Nachteil: geringe Energieeffizienz. Aufgrund von Umwandlungsverlusten werden für ihre Produktion große Mengen Strom benötigt. Im Vergleich zur direkten Stromnutzung ist die Herstellung synthetischer Kraftstoffe mit hohen Umwandlungsverlusten verbunden. Dies hat zwei unmittelbare Folgen: Erstens werden PtG- und PtL-Kraftstoffe immer deutlich höher liegen als direkte Stromkosten. Zum anderen erhöht die Abhängigkeit von synthetischen Kraftstoffen die Nachfrage nach Strom aus Wind- und Solarenergie deutlich und damit auch die geografische Ausdehnung der regenerativen Energiesysteme. Werden synthetische Kraftstoffe in großem Maßstab eingesetzt, können die hohen Mengen an Erneuerbaren Energien, die für die Herstellung von synthetischen Kraftstoffen benötigt werden, nicht in Deutschland erzeugt, sondern müssen importiert werden. Die Abschätzung des globalen Potenzials für die Entwicklung synthetischer Kraftstoffe ist kein Ziel dieser Studie.

synthetische Kraftstoffe

Effizienzkriterien verschiedener Antriebsarten – Grafik © Agora auf Basis von acatech et al.

Umwandlungsverluste, die mit drei verschiedenen Pkw-Antriebstechnologien verbunden sind, unter der Annahme, dass die zugrunde liegende Energiequelle Erneuerbarer Strom ist: batteriebetriebene Elektrofahrzeuge, Brennstoffzellenfahrzeuge und Fahrzeuge mit Verbrennungsmotor. Der Gesamtwirkungsgrad des Systems sinkt mit jedem weiteren Umsetzungsschritt:

  1. Das batteriebetriebene Elektrofahrzeug hat den höchsten Wirkungsgrad (69%), da die anfallenden Umwandlungsverluste relativ gering sind.
  2. Das Brennstoffzellenfahrzeug belegt mit einem Wirkungsgrad von 26% den zweiten Platz. In diesem Fall führt der Zwischenschritt der Wasserstofferzeugung mittels Elektrolyse zu einer deutlichen Wirkungsgradverminderung.
  3. Die am wenigsten effiziente Lösung ist der Einsatz synthetischer Kraftstoffe in einem Verbrennungsmotor, da die zweistufige chemische Umwandlung in Kombination mit der Ineffizienz des Verbrennungsmotors zu einem Gesamtwirkungsgrad von 13% führt. Batteriebetriebene Fahrzeuge sind damit fünfmal effizienter als Verbrennungsmotoren, die mit erneuerbaren synthetischen Kraftstoffen betrieben werden. Das bedeutet, dass ein Fahrzeug mit Verbrennungsmotor fünfmal so viel Strom aus erneuerbaren Energien benötigt wie ein batteriebetriebenes Fahrzeug, um die gleiche Strecke zurückzulegen.

Im Vergleich zum direkten Stromverbrauch erfordern Szenarien, die einen breiten Einsatz synthetischer Kraftstoffe vorsehen, daher eine deutlich erweiterte Flotte Erneuerbarer Energien mit der damit verbundenen Landnutzung. Hohe Kosten entstehen auch durch den Bau von Anlagen zur Herstellung synthetischer Kraftstoffe.

synthetische Kraftstoffe

Individuelle und Gesamtwirkungsgrade für verschiedene Heizsysteme – Grafik © Berechnungen der Autoren nach acatech et al. (2017 a,b), Köppel (2015), FENES et al. (2015)

Der Wirkungsgrad verschiedener Heizsysteme, wieder unter der Voraussetzung, dass die zugrunde liegende Energiequelle Erneuerbarer Strom ist:

  1. Die elektrische Wärmepumpe ist die Technologie mit dem höchsten Gesamtwirkungsgrad, da sie im Gegensatz zu anderen eine besondere Hebelwirkung hat. Ihr Wirkungsgrad von 285% ist darauf zurückzuführen, dass sie der Umwelt (Luft, Boden oder Wasser) mehr Energie entziehen kann, als für den Betrieb erforderlich ist. In dem hier vorgestellten Beispiel kann die Wärmepumpe dreimal mehr Heizenergie liefern als die benötigte Eingangsleistung.
  2. Die zweiteffizienteste Technologie ist der Gas-Brennwertkessel mit einem Wirkungsgrad von 50%. Während der Transport in diesem Fall nur geringe Verluste aufweist, ist die Produktion von Wasserstoff mit hohen Umwandlungsverlusten verbunden.
  3. Am Ende des Prozesses steht die Wasserstoff-Brennstoffzelle mit einem Wirkungsgrad von 45%, die zu fast gleichen Teilen aus Wärme (24%) und Strom (21%) besteht. Entsprechend ist der Gesamtwirkungsgrad der Wärmepumpe sechsmal höher als der der Wasserstoff-Brennstoffzelle. Berücksichtigt man nur die Wärmeerzeugung der Wasserstoff-Brennstoffzelle (24%), so ist der Wirkungsgrad der Wärmepumpe zwölfmal höher.

Beide Abbildungen zeigen die relativ hohen Umwandlungsverluste beim Einsatz von synthetischen Kraftstoffen .
Mangels eindeutiger Belege dafür, dass dieser unbestreitbare, physikalische Nachteil synthetischer Kraftstoffe durch andere Vorteile – nämlich die Vermeidung von Infrastrukturkosten – mehr als ausgeglichen wird, liegt es nahe, zunächst technologische Lösungen mit geringeren Umwandlungsverlusten zu verfolgen. Im Heizungs- und Transportsektor sollten synthetische Kraftstoffe überwiegend in Bereichen eingesetzt werden, in denen eine direkte und effiziente Stromnutzung nicht möglich ist.

Verkehr: E-Mobilität außer bei Schwerlast und nicht im Luft- und Seeverkehr

Deutsche E-Mobility-Flotte vor Berliner bcc – Foto © Gerhard Hofmann, Agentur Zukunft für Solarify

Im Verkehrssektor sind Elektromotoren die effizienteste und kostengünstigste Lösung für den Antrieb von Zügen, Autos, leichten Nutzfahrzeugen, Stadtbussen und Lkw, die über kurze Strecken und mit guten Lademöglichkeiten fahren. Bei schweren Lastkraftwagen, die über längere Strecken fahren, muss man unterscheiden. Denn die Fahrzeugbatterien in der Massenproduktion sind als einzige Energiequelle nicht stark genug und werden in den kommenden Jahren auch nicht stark genug sein. Deshalb müssen schwere Lkw, die über weite Strecken fahren, mit Freileitungen betrieben werden – oder alternativ, mit Verbrennungsmotoren oder Brennstoffzellen. Eine Kombination verschiedener Antriebstechnologien kann sinnvoll sein, um geografische Gebiete zu bearbeiten, in denen noch keine Oberleitungen installiert sind. Ohne ein flächendeckendes Freileitungsnetz wird das entkohlte Transportsystem der Zukunft zwangsläufig Fernlastkraftwagen enthalten, die auf synthetische Kraftstoffe angewiesen sind.

Auch für den Luft- und Seeverkehr ist nach derzeitiger Expertenmeinung die direkte Stromnutzung nur sehr eingeschränkt möglich. Diese beiden Teilsektoren benötigen daher klimaneutrale synthetische Kraftstoffe, nämlich Wasserstoff zum Antrieb von Brennstoffzellen sowie CO2-basiertes synthetisches Methan oder Flüssigkraftstoff zum Antrieb von Verbrennungsmotoren. Synthetische Kraftstoffe werden auch für den Betrieb von Baumaschinen und schweren landwirtschaftlichen Fahrzeugen benötigt, da es nur in ausgewählten Fällen möglich sein wird, diese Fahrzeugtypen direkt mit Strom zu versorgen. Die Autoren regen an, die Politik solle die Einführung von Quoten für E-Fuels in diesen Bereichen diskutieren.

Heizung

Power to Liquid

Audi und Global Bioenergies entwickeln synthetischen Kraftstoff – Foto © Audi

Im Heizungsbereich für Gebäude ist die effizienteste Option die direkte Nutzung Erneuerbarer Energien (z.B. durch die Installation von Tiefengeothermie- und Solarthermieanlagen) sowie der Betrieb von Wärmepumpen mit Erneuerbarer Energie. Eine Einschränkung in diesem Bereich ist, dass bestehende Gebäude ausreichend gedämmt sein müssen, um die Installation einer Wärmepumpe effektiv zu machen. Wenn diese Anforderung – aus welchen Gründen auch immer – ein Problem darstellt, könnte der Einsatz synthetischer Kraftstoffe eine Alternative sein, entweder in Kombination mit einem Brennstoffzellen-Blockheizkraftwerk (BHKW), einem Brennwertkessel oder einer Wärmepumpe, die als Hybridheizsystem arbeiten. Die industrielle Prozesswärme ist die primäre Form des Wärmebedarfs im industriellen Bereich. Wärmepumpen sind das effektivste Mittel zur Deckung des Wärmebedarfs bei niedrigen Temperaturen (das sind derzeit etwa 75 Grad Celsius, könnten aber bei der Entwicklung neuer Kühltechnologien bis zu 140 Grad Celsius bedeuten). 2014 wurden jedoch rund 60% des Bedarfs an industrieller Prozesswärme für Temperaturen über 200 Grad Celsius benötigt. Wärmepumpen können den Bedarf auf diesem Temperaturniveau nicht decken.

Während in einigen Bereichen Lösungen möglich sind, die auf der direkten Umwandlung von Elektrizität beruhen, werden Verbrennungsprozesse notwendig sein, um einen beträchtlichen Teil des zukünftigen Bedarfs an Hochtemperatur-Prozesswärme zu decken. Um die Entkarbonisierungsziele zu erreichen, müssen hier synthetische Brennstoffe eingesetzt werden.

Wasserstoff

Waserstoff-Zapfsäule an Multi-Energie-Tankstelle – Foto © Gerhard Hofmann, Agentur Zukunft für Solarify

Aufgrund ihrer geringen Umwandlungseffizienz werden synthetische Kraftstoffe in der Regel (bisher) nur in Szenarien berücksichtigt, die Dekarbonisierungspfade bis 2050 in Bereichen des Energiesystems modellieren, für die keine realistische, effizientere Alternative absehbar ist. Neben ihrer Rolle im Transport- und Wärmesektor werden synthetische Kraftstoffe für die langfristige Speicherung von Strom und für die klimaneutrale Produktion der von der Industrie benötigten Einsatzstoffe von Bedeutung sein.

Im Energiesektor werden hohe Anteile an erneuerbaren Energien die Speicherung von synthetischem Methan als Energieträger zur Deckung des Bedarfs sehr wichtig machen, wenn die Wind- und Sonnenenergie-Erzeugung gering ist. Gegenwärtig sehen Experten vornehmlich die Rückumwandlung von Wasserstoff in Strom durch Verbrennung in Gaskraftwerken, entweder als Zusatz zu Erdgas oder in Form von Ammoniak als Backup-Energiequelle zur Deckung des Bedarfs bei geringer Wind- und Sonnenenergie-Erzeugung. Der Einsatz von Wasserstoff-Verbrennungsmotoren stellt eine weitere Option dar.

Synthetische Treibstoffe keine Alternative, aber in einigen Bereichen  unverzichtbar

Synthetische Kraftstoffe sind keine alternative Energiequelle, sondern eine Ergänzung für Technologien mit geringeren Umwandlungsverlusten wie Elektrofahrzeuge und Wärmepumpen. Dabei sind anwendungsspezifische Ziele entscheidend. Regierung und Industrie müssen zu einem Konsens kommen und Regeln für das Auslaufen von Erdöl und Erdgas und für deren Substitution durch klimaneutrale Alternativen einführen. Dabei ist zu betonen, dass diese Substitution nicht eins zu eins mit klimaneutralen Brennstoffen erfolgen kann. Aufgrund der erheblichen Umwandlungsverluste würde dieser Ansatz erhebliche Nachteile in Bezug auf Effizienz, Energiebedarf, Flächenbedarf, Kosten und den Erfolg der globalen Umstellung auf saubere Energien mit sich bringen.

Obwohl sie keine Alternative zu direktem Strom und Erneuerbarer Energie sind, werden synthetische klimaneutrale Kraftstoffe in einigen Bereichen höchstwahrscheinlich zu einer unverzichtbaren zusätzlichen Energiequelle werden. Daher ist es wichtig, eine Grundlage für die mittel- und langfristige Verfügbarkeit wettbewerbsfähiger Kosten zu schaffen. Dies kann nur gelingen, wenn regulative Instrumente eingesetzt werden, die eine langfristige Planung von Investitionen in PtL- und PtG-Anlagen ermöglichen. Die Schaffung einer verlässlichen Grundlage für Planungsentscheidungen wird von drei Faktoren abhängen:

  1. der Annahme eines klaren Ausstiegspfades,
  2. transparenten Richtlinien und
  3. Anreizen für den Einsatz der effizientesten Technologie in jedem Sektor.

Darüber hinaus muss ein verlässliches Marktbeschleunigungsprogramm für nachhaltig produzierte synthetische Kraftstoffe vorhanden sein.

Bestehende Instrumente zur Senkung der spezifischen CO2-Emissionen von Kraftstoffen wie die EU-Kraftstoffqualitätsrichtlinie oder zur Erhöhung des Anteils Erneuerbarer Energien wie die EU-Richtlinie über Erneuerbare Energien fördern bereits den Ausstieg aus fossilen Brennstoffen und die Einführung klimaneutraler Alternativen. Sowohl Direktantrieb als auch synthetische Kraftstoffe werden in der überarbeiteten Fassung der Erneuerbare-Energien-Richtlinie ausdrücklich erwähnt.

Woher das CO2 nehmen? CCS oder DAC?

Wird das von der Industrie bereitgestellte CO2 den Bedarf für die Herstellung synthetischer Kraftstoffe in Deutschland im Jahr 2050 decken können? Diese Frage ist wichtig, weil die internationale Treibhausgasberichterstattung verlangt, dass das fossile CO2 aus dem Emissionsbudget des jeweiligen Landes gedeckt wird, auch wenn die CO2-Abtrennung und Kraftstoffproduktion im Ausland erfolgt. Andernfalls würde das CO2 aus der Verbrennung fossiler Brennstoffe in Deutschland die Emissionsbudgets übersteigen.

Zweitens verminderte sich die Verfügbarkeit von abgeschiedenem CO2. Das Ziel der Pariser Vereinbarung, die globale Erwärmung auf 1,5 Grad Celsius über dem vorindustriellen Niveau zu begrenzen, wird die Welt nach den derzeitigen Reduzierungsmaßnahmen voraussichtlich nicht erreichen. In Zukunft müssen daher die Treibhausgasemissionen in der Industrie eliminiert oder  abgeschieden und unterirdisch verlagert werden (CCS).

Drittens sind Investitionen in die direkte Luftabscheidung (Direct Air Capture, DAC) ein Muss. Solange kostengünstiges CO2 aus der Zement- und Stahlindustrie verfügbar ist, werden die Investitionen in DAC-Technologien  nicht den für eine schnelle Kostensenkung erforderlichen Umfang erreichen. Die Studie projiziert DAC-Kosten von 145 €/t CO2 bis 2030 und danach 100 €/t. Eine weitere Frage ist, ob die Verlagerung von Treibhausgasemissionen von einem Sektor in einen anderen nur den Druck zur Dekarbonisierung verringern wird. Dies hat zur Folge, dass die Sektoren, die davon profitieren – zum Beispiel der Baustoffsektor – weniger Anreize zur Innovation haben.
Ein drittes Risiko besteht bei der direkten Luftaufnahme: DAC-Anlagen haben einen großen geografischen Fußabdruck, der bereits in den frühesten Planungsphasen berücksichtigt werden muss.

Die Umwandlung von PtG und PtL aus CO2-Emissionen für DAC ist zudem aufwendig. Während Flächen in Nordafrika und im Nahen Osten eine untergeordnete Rolle spielen, kann das nicht für die dicht besiedelten Gebiete Europas gesagt werden. Eine PtG- oder PtL-Anlage bezieht eine Nennlast von einem Gigawatt aus einem großen Offshore-Windpark in der Nord- oder Ostsee. Das CO2 aus dem DAC würde eine Fläche von 0,19 bis 1,28 Quadratkilometern benötigen –  etwa 27 bis 180 Fußballfelder.

Logischerweise zitieren Maier und Deutsch die alte Desertec-Vision. Desertec habe ein [Produktions- und] Übertragungssystem schaffen wollen, mit dem Solarstrom aus dem südlichen Mittelmeerraum [besser: aus dem MENA-Raum] nach Europa gebracht werden könne. Doch das im Projekt vorgesehene System von Hochspannungs-Gleichstromleitungen müsse noch realisiert werden.

Karte der möglichen Wüstenstromflüsse nach Europa – © dii

Die Produktion von synthetischen Kraftstoffen im südlichen Mittelmeerraum bietet ähnliche Vorteile wie die Desertec-Vision. Für die Exportländer ergibt sich der größte Nutzen aus der wirtschaftlichen Produktivitätssteigerung durch die Herstellung von Komponenten zur Erzeugung und durch den Bau und Betrieb von Kraftwerken für Erneuerbare Energien. Einen ähnlichen Schub dürfte der Bau weiterer PtG- und PtL-Produktionsanlagen erzeugen. Die Importländer ihrerseits erhalten die benötigten synthetischen Kraftstoffe zu relativ günstigen Kosten. Dass Hochspannungsleitungen nach Europa fehlen, stelle für synthetische Kraftstoffe kein Problem dar. Synthetische Kraftstoffe könnten über bestehende Pipelines und Infrastrukturen transportiert werden.

Mit der enormen Herausforderung der Dekarbonisierung wird auch der dringende Bedarf an synthetischen Kraftstoffen in einigen Bereichen immer deutlicher. Genau hier setzt die regenerative Energieerzeugung im südlichen Mittelmeerraum an: Sie bietet einen sinnvollen Ansatz für globale Arbeitsteilung und trägt gleichzeitig zur Sicherung der geopolitischen Stabilität bei. [Auch das war bereits Teil des Desertec-Konzepts. – Die Anmerkungen in eckigen Klammern von Solarify.]

Wirtschaftlichkeit der Designer Fuels

Zur wirtschaftlichen Effizienz brauchen PtG- und PtL-Anlagen laut Maier und Deutsch kostengünstigen EE-Strom und viele Volllaststunden. Überschüssiger EE-Strom werde zur Deckung des Strombedarfs für die Designer-Fuel-Produktion nicht ausreichen. Daher  fordern die Studienautoren Kapazitätsauslastung für EE-Anlagen von mindestens 3.000-4.000 Stunden pro Jahr (h/a), schon aufgrund hoher Fixkosten. Sogenannte “überschüssige Leistung” mit weniger als 2.000 h/a zu niedrigen Preisen reiche nicht aus. Zusätzliche Erneuerbare Energie-Anlagen für die PtG-/PtL-Produktion seien Offshore-Wind, PV und Onshore-Wind mit ungefähr 4.000 h/a. Die Vollkosten von Anlagen für Erneuerbare Energien seien relevant.

Die Kosten für synthetisches Methan und Öl könnten bis 2050 von anfänglich 20 bis 30 ct/kWh auf etwa 10 ct/kWh sinken – unter der Voraussetzung, dass sich die weltweite Elektrolysekapazität auf 100 GW erhöht. Dazu komme, dass Importe billiger seien. Weitere Kostensenkungen seien durch PV, durch Batterien, jeweils sehr große Anlagen, zu erwarten. Kostensteigerungen seien zu befürchten durch höhere Kapitalkosten in Ländern mit erhöhtem Risiko wie in Nahost und Nordafrika. Das könne allerdings auch zu einer inversen Situation der Importe gegenüber der inländischen Produktion führen.

Die angestrebten Kostensenkungen erforderten erhebliche, frühzeitige und kontinuierliche Investitionen in Elektrolyseure. Skalen- und Lerneffekte seien entscheidend für die Kostenreduktion, aber unsicher (z.B. CO2 aus der Luft). Entscheidend ist für Maier und Deutsch die internationale 100-GW-Herausforderung. Aber: Große Investitionen seien ohne politische Intervention oder einen hohen CO2-Preis aufgrund der hohen Kosten für synthetische Kraftstoffe (vorerst) nicht zu erwarten.

Elektrolyseur – Foto © zukunft-erdgas.info

Die Wasserstoffproduktion koste weniger als Methan, erfordere aber neue Infrastrukturen und Endanwendungen. So sei die Beimischung von Wasserstoff zu Erdgas für geringe Anteile an Wasserstoff in Deutschland erlaubt. Bei einem Wasserstoffanteil von mehr als 15 Volumenprozent sei aber mit einer kostspieligen Nachrüstung zu rechnen. Lokale Infrastruktur speziell für Wasserstoff könnte eine Option sein. Der Vorteil des Wasserstoffs sei, dass es keine Unsicherheiten bei der CO2-Abtrennung aus der Luft gebe. Der Nachteil: eine einfache Weiterverwendung der vorhandenen Infrastruktur sei nicht möglich.

Maier/Deutsch fordern dazu von der Politik klare Kante, nämlich “einen politischen Konsens über die Zukunft von Öl und Gas, der sich zum Ausstieg aus fossilen Brennstoffen verpflichtet”, aber nicht nur das, sondern weit mehr, nämlich dass sie “effiziente Ersatztechnologien bevorzugt, Nachhaltigkeitsregelungen einführt und Anreize für die Produktion synthetischer Kraftstoffe schafft”.

Nachhaltigkeitsstandards für die Produktion von Kraftstoffen auf Strombasis müssen entwickelt werden

  • Minimale Treibhausgasreduktion: Die gesamte Produktionskette synthetischer Kraftstoffe muss 70% weniger Treibhausgas ausstoßen als herkömmliche fossile Kraftstoffe.
  • Zusätzliche regenerative Stromerzeugung: Strom für den gesamten Produktionsprozess (inkl. Wasseraufbereitung etc.) muss aus zusätzlichen regenerativen Kraftwerken stammen. Kann dies nicht erreicht werden, müssen die Emissionen jedes Strommixes ausgeglichen werden.
  • CO2 aus nachhaltigen atmosphärischen Quellen: Nur die Gewinnung von CO2 aus der Luft oder aus nachhaltigen biogenen Quellen führt zu einem geschlossenen, klimaneutralen Kreislauf. Kann dies nicht erreicht werden, sind alle CO2-Emissionen zu zählen. Die CO2-Abtrennung aus der Stahl- oder Zementproduktion wurde im Webinar nicht positiv bewertet, das allerdings wurde nicht begründet.
  • Nachhaltige Nutzung von Wasser und Land: Die Wasseraufbereitung für die Elektrolyse darf die Wasserversorgung nicht negativ beeinflussen. Produktionsstandorte dürfen sich nicht in Naturschutzgebieten oder anderen gefährdeten Gebieten (z.B. Lebensräumen mit hoher Biodiversität) befinden.
  • Soziale Nachhaltigkeit der Kraftstoffproduktion: Die Herstellung synthetischer Kraftstoffe darf sich nicht negativ auf die lokalen Gemeinschaften auswirken. Wenn Kraftstoff in Entwicklungsländern produziert wird, muss ein Teil der Einnahmen in eine nachhaltige lokale Entwicklung fließen.

->Quellen:

Solarify ist ein von Agentur Zukunft und dem Max-Planck-Institut für Chemische Energiekonversion (CEC) in Mülheim an der Ruhr betriebenes Internet-Portal für Nachhaltigkeit, Erneuerbare Energien, Klimawandel und Energiewende.

Autor: Gerhard Hoffmann

Quelle: Solarify https://www.solarify.eu/2018/05/16/034-was-kosten-designer-fuels/