Effizienzsteigerung bei Power-to-Liquid-Produktion

Power-to-Liquid

Neue Membranreaktoren liefern »grüne« Grundstoffe für die chemische Industrie

Pressemitteilung / 12.6.2018

Geschlossene Kohlenstoffkreisläufe müssen in Zukunft einen wichtigen Beitrag leisten, Kohlendioxid-Emissionen drastisch zu reduzieren und einen sicheren und kostengünstigen Zugang zu Kohlenstoffquellen als Basis für Produkte der chemischen Industrie zu gewährleisten. Um die Effizienz und damit Wirtschaftlichkeit der dafür erforderlichen Syntheseprozesse zu steigern, hat das Fraunhofer IKTS in Zusammenarbeit mit dem Thüringer Unternehmen MUW-SCREENTEC GmbH einen neuartigen Membranreaktor entwickelt.

Ein geschlossener Kohlenstoffkreislauf basiert auf der steten Umsetzung von Kohlendioxid mit Energie –  idealerweise aus regenerativen Quellen. So lässt sich aus regenerativ erzeugtem Strom beispielswiese Wasserstoff herstellen, welcher unter Nutzung von Kohlendioxid zu speicherbaren Stoffen wie Methanol umgewandelt werden kann. Der nach dem Prinzip »Power-to-Liquid« hergestellte flüssige und somit transportable Speicherstoff Methanol besitzt eine hohe Energiedichte und erlaubt eine unbegrenzte Lagerung ohne Verluste. Außerdem ist dieser wertvolle Energieträger auch eine wichtige Basischemikalie für weiterführende Synthesen, beispielsweise für Kunststoffe.

Derzeit ist bei der Synthese von Methanol aus Wasserstoff und Kohlendioxid die notwendige Abtrennung des Wassers noch ein separater Schritt. Die dabei zum Einsatz kommenden thermischen Verfahren sind energieaufwändig und reduzieren den Wirkungsgrad. Mit einem so genannten Membranreaktor ist es nun erstmals gelungen, die chemische Reaktion mit der Stofftrennung in einem Apparat zu koppeln. Das Konzept wurde vom Fraunhofer-Institut für Keramische Technologien und Systeme IKTS und der MUW-SCREENTEC GmbH unter Förderung der Thüringer Aufbaubank entwickelt und in Hardware demonstriert. Durch die membranunterstützte Abtrennung des Wassers aus dem Reaktionsraum wird die Lage des chemischen Gleichgewichts während der Synthese gezielt zugunsten des Methanols verschoben.

Auf Basis dieser Ergebnisse lassen Simulationsrechnungen eine deutliche Steigerung der Methanolausbeute auf 60 % in Membranreaktoren statt bisher 20 % in konventionellen Reaktoren erwarten, wenn man auf industrielle Anlagen hochskaliert. Der experimentelle Nachweis der genauen Steigerung der Ausbeute wird derzeit von den Projektpartnern erbracht. Die für die Reaktoren notwendigen Membranen wurden ebenfalls am Fraunhofer IKTS entwickelt. Sie müssen neben den wasserabtrennenden Eigenschaften auch unter den anspruchsvollen Prozessbedingungen mechanisch, chemisch und thermisch stabil sein. Für die Methanolsynthese erwiesen sich bislang wasserselektive Kohlenstoffmembranen als besonders effektiv.

Die umgekehrte Reaktion der Methanolsynthese – das Methanol-Reforming – lässt sich ebenfalls äußerst effizient im neuen Membranreaktor realisieren. Hierbei dient das Methanol als gut handhabbarer flüssiger Wasserstoffspeicher. Das entstehende Kohlendioxid wird im Membranreaktor abgetrennt und steht somit wieder als Ausgangsstoff für einen geschlossenen Kohlenstoffkreislauf zur Verfügung. Nutzbar sind solche geschlossenen Konzepte beispielsweise zur Versorgung von Schiffen mit dem Treibstoff Wasserstoff, welcher aus gut transportablem Methanol und Wasser gewonnen wird.

Mit den neu entwickelten Membranreaktoren kann unter modifizierten Prozessbedingungen und mit anderen Katalysatoren aus Kohlendioxid und Wasserstoff auch synthetisches Methan hergestellt werden, welches sich im Erdgasnetz unbegrenzt speichern lässt. Darüber hinaus können alternative Treibstoffe wie Dimethylether oder die wichtige Basischemikalie Formaldehyd synthetisiert und damit die »Power-to-Chemicals-Strategie« umgesetzt werden.

Um eine weitere Effizienzsteigerung der Syntheseprozesse zu erzielen, fokussieren zukünftige Forschungsarbeiten nun auf einer gezielten Verbesserung der Katalysatoreigenschaften. Daher werden am Fraunhofer IKTS Katalysatoren entwickelt, die sich künftig direkt – und nicht wie bislang als Schüttung – auf die Membran applizieren lassen. »Das Fraunhofer IKTS verfügt sowohl über die gesamte Prozesskette zur Herstellung stabiler und selektiver Membranen als auch über umfangreiche Kompetenzen zur Katalysator- und Prozessentwicklung – ein weltweit einmaliger Wettbewerbsvorteil«, sagt Dr. Norman Reger-Wagner, Gruppenleiter am Thüringer Standort.

Perspektivisch sind durch die kontinuierliche Verbesserung der Membranen und des Verfahrens – beispielsweise durch eine selektive, membrangestützte Eindosierung von Wasserstoff in den Reaktionsraum – weitere deutliche Effizienzsteigerungen zu erwarten.

Power-to-Liquid

Quelle: Fraunhofer-Institut für Keramische Technologien und Systeme IKTS

Bedeutung flüssiger Energieträger für die Energiewende

IASA: Nachhaltige Luftfahrt - Sustainable Aviation
Energiewende | Donnerstag, 07.06.2018

Flüssige Energieträger wie Benzin werden weiterhin benötigt. Eine nahezu treibhausgasneutrale Alternative zu fossilen Flüssigkeiten sind „E-Fuels“. Ihre Perspektiven in der Energiewende hat Prognos für die Verbände der Mineralölwirtschaft untersucht.

©iStock – GAPS

Treibhausgasneutrale flüssige Energieträger können erzeugt werden, indem erneuerbarer Strom mit Hilfe von Elektrolyse-Wasserstoff und Kohlenstoff in einen flüssigen Energieträger (Power-to-Liquid, PtL) umgewandelt wird. Der Kohlenstoff kann etwa aus der Luft oder aus Biomasse gewonnen werden (Power-and-Biomass-to-Liquid, PBtL). Diese sogenannten E-Fuels sind für eine weitgehend klimaneutrale Energieversorgung aus heutiger Sicht unverzichtbar.

Zudem könnten sie in Zukunft aus Sicht der Verbraucher in bestimmten Anwendungen preislich mit treibhausgasneutralen Strom-Angeboten konkurrieren – und wären anschlussfähig an die heute vorhandene Infrastruktur.

Zu diesem Ergebnis kommt eine Studie im Auftrag der Verbände der Mineralölwirtschaft, die Prognos zusammen mit Fraunhofer UMSICHT und dem Deutschen Biomasseforschungszentrum (DBFZ) erstellt hat.

PtL-Treibstoff

Schematische Darstellung des Fischer-Tropsch-Verfahrens zur Erzeugung von PtL (Quelle: Darstellung aus der Studie)

Prognos hat den zukünftigen Bedarf an flüssigen Energieträgern in zwei Szenarien abgeschätzt. Dabei wurde von einem begrenzten Ausbau erneuerbarer Energien im Inland und einer nur „wie bisher“ wachsenden Energieeffizienz ausgegangen.

Das Ergebnis: Im Jahr 2050 benötigt allein der internationale Luft- und Schiffsverkehr Deutschlands ca. 550 Petajoule Energie. Wird PtL als Lösungsstrategie in allen Sektoren eingesetzt, werden bis zu 2000 Petajoule gebraucht. Weitere rund 500 Petajoule könnten Rohstoff für die Chemie sein.

Zusammen entspricht das rund 60 Millionen Tonnen klassischer Raffinerieprodukte. Zum Vergleich: Der heutige Mineralölabsatz in Deutschland liegt bei rund 110 Millionen Tonnen (2016). Die nachfolgende Abbildung zeigt für das Szenario PtX 95 mit ambitioniertem Klimaschutz (Reduktion der Treibhausgase um 95 %), wie hoch der Bedarf an PtL ausfallen könnte.

Energiebedarf der Luftfahrt bis 2050

1 PJ (Petajoule) = 1012 Kilojoule (Quelle der Grafik: Abbildung aus der Studie)

Da PtL-Energieträger gut speicher- und transportierbar sind, können sie in den sonnen- und windreichen Regionen der Welt – günstiger als in Deutschland – erzeugt werden. Für synthetisches Rohöl, das mit PtL-Technologie im Ausland gewonnen wird, erwarten die Autoren im Jahr 2050 inflationsbereinigt Produktionskosten von ca. 1,30 Euro pro Liter. Unter sehr günstigen Bedingungen wären auch 70 Cent pro Liter erreichbar.

Damit kann PtL für Verbraucher je nach Anwendung gegenüber rein strombasierten Lösungen auch preislich wettbewerbsfähig sein. Voraussetzung hierfür ist ein groß-industrieller Einstieg in die PtL-Technologie, damit die in der Studie angenommenen Lerneffekte erzielt und Kosten gesenkt werden können. Zudem sollte PtL zudem so effizient wie möglich eingesetzt werden.

Erheblicher Kapitaleinsatz und internationale Kooperationen nötig

Um diese Vorteile der flüssigen Energieträger für die deutsche Energiewende nutzbar zu machen, sind aber zwei komplexe und kapitalintensive Vorhaben nötig: Der Bau von großen Wind- sowie Solarparks einerseits und andererseits die Errichtung von integrierten Produktionsanlagen aus Kohlendioxid-Abscheidung, ggf. Meerwasserentsalzung, Elektrolyse und Synthese. Hierzu bedarf es erheblichen Kapitaleinsatzes und internationaler Kooperation.

Roadmap für die Markteinführung

Zu Markteinführung empfehlen die Studienautoren unter anderem eine Roadmap zu entwickeln, Forschungs- und Entwicklungskapazitäten auszubauen und einen allmählichen, aber stetigen Markthochlauf anzustreben. Hierfür seien – je nach Phase – verschiedene regulatorische und ökonomische Maßnahmen und Instrumente geeignet und notwendig.

Unternehmen und Wissenschaft sind gefragt, Forschungs- und Entwicklungsanstrengungen zu erhöhen und Optionen zu entwickeln. Insbesondere die Kohlendioxidabscheidung aus der Luft, die Elektrolyse und Synthese sind wichtige Forschungsfelder.

Hintergrund

E-Fuels basieren auf Power-to-Liquid (PtL)-Technologien. Dabei wird Strom aus erneuerbaren Energien mithilfe von Elektrolyse-Wasserstoff und einer Synthese mit Kohlenstoff in flüssige Energieträger umgewandelt. Dabei handelt es sich um die derzeit aussichtsreichsten Verfahren, um flüssige Energieträger großindustriell treibhausgasneutral zu produzieren.

Wie sich schrittweise CO2-neutrale flüssige Energieträger herstellen lassen, zeigt der Zwischenbericht der Untersuchung auf.

Zur Studie

Quelle: Prognos


 

Mini-Reaktoren im Container

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Ineratec GmbH, Karlsruhe: Nominiert für den Deutschen Gründerpreis 2018 in der Kategorie StartUp

Ineratec ist es gelungen, gigantische chemische Anlagen auf Miniaturformat zu schrumpfen. Die dezentral nutzbaren Reaktoren produzieren beispielsweise mit Hilfe von Solar- oder Windenergie synthetische Kraftstoffe fürs Auto oder erzeugen aus Abfallgasen hochwertige Ausgangsstoffe für die chemische Industrie. Die Expertenjury des Deutschen Gründerpreises war beeindruckt von den extrem vielfältigen Anwendungsmöglichkeiten der innovativen Reaktoren, mit denen man auch aus bislang verschwendeten Ressourcen einen echten Mehrwert erzielen kann. Deshalb wurden die Karlsruher für den Deutschen Gründerpreis 2018 in der Kategorie StartUp nominiert.

Das Unternehmen im Überblick

Gründungsjahr 2016
Die Gründer Dr. Tim Böltken, Philipp Engelkamp, Dr. Paolo Piermartini
Startkapital 25.000 Euro
Umsatz 2017 über 1 Mio. Euro
Mitarbeiter 19

Aus dem Klimakiller CO2 und Wasserstoff kann man synthetisches Erdgas oder synthetische Kraftstoffe herstellen, etwa fürs Auto. Dazu braucht man aber reichlich Energie. Was liegt also näher, als dies in der Nähe von Wasser-, Solar- oder Windkraftanlagen zu machen? Bislang war eine solche dezentrale Produktion jedoch nicht wirtschaftlich möglich, weil für diese Verfahren normalerweise extrem teure, großtechnische chemische Anlagen nötig sind.

Den Ineratec-Gründern Dr. Tim Böltken (33), Philipp Engelkamp (27) und Dr. Paolo Piermartini (37) gelang nun der Durchbruch: Die drei Ingenieure entwickelten eine passende chemische Reaktortechnologie, die in einem handelsüblichen Schiffscontainer Platz findet. Die fix und fertig montierten, preisgünstigen Kompaktanlagen sind nach dem Baukastensystem konzipiert, sodass man die Kapazität ganz nach Bedarf erweitern kann. „Damit ist es auch möglich, regenerative Energie dauerhaft zu speichern und so die Energiewende voranzutreiben“, erläutert Dr. Tim Böltken.

Wir wollten unbedingt an den Markt gehen, denn eine solche Chance hat man nur einmal im Leben.

Die schlüsselfertigen Kompaktanlagen können aber noch viel mehr: An vielen Stellen, beispielsweise auf Mülldeponien oder in der Industrie, entstehen nämlich relativ kleine Mengen wertvoller Gase, die aus Kostengründen häufig einfach verbrannt werden. Mit den mehrfach preisgekrönten Minireaktoren von Ineratec lohnt es sich, auch diese bislang verschwendeten Ressourcen zu nutzen, um daraus synthetische Kraftstoffe oder hochwertige Produkte für die chemische Industrie herzustellen. „Wir nutzen bekannte Verfahren wie die Synthesegaserzeugung, die Fischer-Tropsch-Synthese, die Methanolsynthese und die Methanisierung, nur eben in extrem kompakter Bauweise“, erklärt Dr. Tim Böltken. Und genau das war die technische Herausforderung.

Hinter der innovativen Ausgründung stehen mehr als 15 Jahre Forschung am Karlsruher Institut für Technologie, wo sich die Gründer während ihrer wissenschaftlichen Arbeit kennen lernten. Schon bald zeigten Anwender aus der Industrie Interesse an den Forschungsergebnissen. „Wir wollten unbedingt an den Markt gehen, denn eine solche Chance hat man nur einmal im Leben.“ Mit Hilfe des Exist-Forschungstransfers des Wirtschaftsministeriums und weiterer Fördermittel trieben die Gründer die Produktentwicklung voran, präsentierten auf Fachveranstaltungen und gewannen so die ersten Kunden. „Der Bedarf ist da und das Feedback vom Markt ist sehr positiv.“ Die mehrfach patentierten Reaktoren sind weltweit gefragt. Pilotanlagen laufen bereits in Deutschland, Spanien und Finnland. Weitere starten demnächst in Kanada, Brasilien, Malaysia sowie in der Schweiz. „Die Anlage ist direkt im Container montiert und leicht auf Schiffen oder LKW zu transportieren.“

Power-to-Liquid

Kontakt:

Ineratec GmbH

Dr. Tim Böltken
T(0721) 864 844 60

tim.boeltken@ineratec.de
www.ineratec.com

Die hochkarätig besetzte Auswahljury des Deutschen Gründerpreises bescheinigte den weitsichtigen Ineratec-Gründern „beeindruckende Zukunftsvisionen, herausragende Kompetenzen und beste Geschäftsaussichten mit einem sehr innovativen, weltweit patentierten Produkt“. Die Experten nominierten das viel versprechende High-Tech-Unternehmen aus Karlsruhe für den Deutschen Gründerpreis 2018 in der Kategorie StartUp. „Wir freuen uns sehr über diese Nominierung. Das ist für uns und für das gesamte Team eine Bestätigung, dass wir auf dem richtigen Weg sind“, sagt Dr. Tim Böltken. „Wir wollen wachsen und glauben, dass sich nun weitere Türen öffnen werden.“

Quelle: Deutscher Gründer Preis 


 

Handlungsempfehlung: Power-to-Liquid-Technologien schaffen

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 BERLIN

dena-Leitstudie Integrierte Energiewende: Deutschland braucht klares Klimaziel 2050

Zielkorridor von 80 bis 95 Prozent weniger CO2-Emissionen ist mit verschiedenen Szenarien erreichbar / Starke Steigerung bei Energieeffizienz und erneuerbaren Energien nötig / Synthetische Kraft- und Brennstoffe ergänzen Elektrifizierung / Kuhlmann: „Integrierte Energiewende braucht integrierte Politikkonzepte. Es gibt gute Gründe, die Gestaltung der Energie- und Klimaschutzpolitik neu zu betrachten.“

„Eine sektorübergreifende, systemische Betrachtung möglicher Transformationspfade führt zu anderen Ergebnissen, als eine sektorspezifische. Bei der Ausrichtung der Energie- und Klimaschutzpolitik muss das berücksichtigt werden. Die dena-Leitstudie ist dafür eine gute Grundlage“, sagte Andreas Kuhlmann, Vorsitzender der dena-Geschäftsführung, bei der Vorstellung der dena-Leitstudie am Montag in Berlin. „Unsere Szenarien zeigen: Nicht alles, was auf den ersten Blick als naheliegende Lösung erscheint, führt unter Berücksichtigung der Wechselwirkungen mit anderen Sektoren zum gewünschten Ziel. Daraus folgt auch: Es reicht nicht, heute nur über die Klimaziele 2030 zu diskutieren. Abhängig vom Ambitionsniveau für das Jahr 2050, sieht schon 2030 sehr unterschiedlich aus. Und die Ziele für das Jahr 2030 werden mit Sicherheit verfehlt, wenn nicht bereits in dieser Legislaturperiode entsprechende Maßnahmen auf den Weg gebracht werden. Eine Konkretisierung der Ziele ist für Unternehmen und für die Gestaltung des politischen Rahmens dringend geboten. Die dena-Leitstudie ist eine Einladung an Politik, Gesellschaft, Wirtschaft und Wissenschaft, die notwendige Debatte zügig zu führen und Entscheidungen zu treffen. Wenn wir es gemeinsam angehen, können wir praktikable und breit akzeptierte Lösungen finden und die Energiewende als gesamtgesellschaftliches Projekt zum Erfolg führen.“

Technologiemixszenarien sind robuster und führen zu geringeren Mehrkosten

Die dena hat zusammen mit ihren Studienpartnern vier praxisnahe Szenarien erarbeitet, die Reduktionsziele von entweder 80 oder 95 Prozent bis 2050 erreichen: zwei Elektrifizierungsszenarien gehen davon aus, dass der Verbrauch in den Sektoren Gebäude, Industrie und Verkehr weitestgehend mit Strom gedeckt wird, zum Beispiel durch verstärkten Einsatz von Wärmepumpen, strombasierten Produktionsanlagen und Elektroantrieben; zwei Technologiemixszenarien gehen davon aus, dass ein breiteres Spektrum an Technologien und Energieträgern zum Einsatz kommt, darunter mehr gasförmige und flüssige Kraft- und Brennstoffe, die mithilfe von erneuerbaren Energien synthetisch erzeugt werden. Ein Referenzszenario, das die aktuellen Rahmenbedingungen ambitioniert fortschreibt, reduziert die Emissionen hingegen nur um 62 Prozent.

Die Technologiemixszenarien erweisen sich im Vergleich als robuster, weil sie stärker auf bestehende Infrastrukturen aufbauen und auf mehr gesellschaftliche Akzeptanz stoßen. Sie sind flexibler und können neue Technologieentwicklungen besser integrieren. In den Elektrifizierungsszenarien sind dagegen mehr Flächen für den Ausbau von Wind- und Solaranlagen und ein stärkerer Ausbau des Stromnetzes erforderlich. Der Gebäudebestand muss stärker energetisch saniert werden, um mehr Wärmepumpen effizient nutzen zu können. Insgesamt sind die Transformationspfade mit einem breiten Technologie- und Energieträgermix bis 2050 unter den getroffenen Annahmen um bis zu 600 Milliarden Euro kostengünstiger als solche, die verstärkt auf strombasierte Anwendungen setzen.

Andreas Kuhlmann betonte, dass es bei der Energiewende weniger um Kosten als um Investitionen in die Zukunft gehe: „Energiewende und Klimaschutz sind gesamtgesellschaftliche Fortschrittsprojekte von enormer Tragweite und Komplexität. Wenn wir eine Energiewende wollen, die möglichst wirtschaftlich ist und von der Gesellschaft getragen wird, sollten wir heute marktorientierte Rahmenbedingungen für einen breiten Technologiemix schaffen. Nur so werden wir die vielfältigen Potenziale unterschiedlicher Technologien ausreichend nutzen können. Das ist Grundvoraussetzung für die Erreichbarkeit der Ziele.“

Die Klimazielszenarien: Elektrifizierung und Technologiemix jeweils mit 80- oder 95-Prozent-Klimaziel

Mehr Tempo bei Energieeffizienz und erneuerbaren Energien

Für alle Klimazielszenarien gilt: Die Steigerung der Energieeffizienz und der Ausbau der erneuerbaren Energien sind Grundvoraussetzungen für den Erfolg. In beiden Bereichen reicht das bisherige Tempo nicht aus. Bei einem jährlichen Wirtschaftswachstum von einem Prozent rechnet die dena-Leitstudie mit einer Reduzierung des Endenergieverbrauchs bis 2050 im Vergleich zu 2015 um bis zu 64 Prozent im Gebäudesektor, bis zu 52 Prozent im Verkehr und bis zu 18 Prozent in der Industrie. Vor allem in der Industrie macht sich bemerkbar, dass die Energieeffizienz zwar deutlich zunimmt, gleichzeitig aber das Wirtschaftswachstum zu einer höheren Nachfrage führt.

Bei den erneuerbaren Energien setzt die dena-Leitstudie darauf, dass der Ausbau von Windenergie an Land und Photovoltaik schneller vorangeht als bisher geplant. Allein für diese beiden Technologien ist ein jährlicher Nettozubau von 6 bis 7,6 Gigawatt erforderlich. Das ist ein großer Unterschied zum gesetzlich vorgesehenen Ausbaukorridor von jährlich 5,4 Gigawatt brutto: 2,9 Gigawatt für Windenergie an Land, 2,5 Gigawatt für Photovoltaik. Eine Herausforderung wird es sein, freie Flächen für den Ausbau von Windkraftanlagen an Land zu finden. Umso wichtiger könnte ab 2030 der Ausbau der Windenergie auf See werden.

Dritte Säule: synthetische, erneuerbare Kraft- und Brennstoffe

In allen Klimazielszenarien spielen synthetische, erneuerbare Kraft- und Brennstoffe eine wichtige Rolle. Je nach Szenario decken sie im Jahr 2050 einen Bedarf von 150 bis 908 Terawattstunden. Damit schließen sie die Lücke, die nicht durch Energieeffizienz oder die direkte Nutzung von Strom aus erneuerbaren Energien abgedeckt werden kann, insbesondere, wenn an anderer Stelle nicht die erwarteten Ziele erreicht werden, etwa beim Ausbau von Windkraft an Land, bei der Sanierung von Gebäuden oder bei der Elektrifizierung des Schwerlastverkehrs.

Der erneuerbare Wasserstoff und die auf ihm aufbauenden Energieträger wie Methan und synthetische Öle machen es möglich, erneuerbaren Strom zu speichern und international zu handeln. Die dena-Leitstudie rechnet damit, dass Deutschland seinen Bedarf zum großen Teil mit Importen decken wird – zum Beispiel aus Nordafrika, weil dort die Produktionskosten günstiger und die Flächenpotenziale größer sind. Aber auch Deutschland hat Potenziale, die stärker genutzt werden sollten. Um die Entwicklung des Marktes anzustoßen, sollte Deutschland bis 2030 Kapazitäten für die Herstellung von erneuerbarem Wasserstoff im Umfang von 15 Gigawatt aufbauen.

Stakeholderdialog soll Grundlagen der Versorgungssicherheit klären

Eine besondere Herausforderung ist die Gewährleistung der Versorgungssicherheit in einem weitgehend auf erneuerbaren Energien basierenden Stromsystem. Trotz Energieeffizienz werden die nachgefragte Strommenge und die Spitzenlast bis 2050 in den Klimazielszenarien weiter steigen. Gründe dafür sind das anhaltende Wirtschaftswachstum und die zunehmende Elektrifizierung in den Verbrauchssektoren. Zusätzlicher Handlungsbedarf entsteht, weil durch den Atomausstieg und den absehbaren Rückgang der Kohlekraft in wenigen Jahren deutlich weniger wetterunabhängige Kraftwerkskapazitäten zur Verfügung stehen.

Zur Deckung der gesicherten Leistung – also der Leistung, die jederzeit verfügbar sein muss – kommen verschiedene Optionen infrage. In der dena-Leitstudie übernehmen Gaskraftwerke, die zunehmend erneuerbare Brennstoffe nutzen, in allen Szenarien einen Großteil der gesicherten Leistung, allerdings nur mit relativ wenig Betriebsstunden. Hinzu kommen Speicher, Laststeuerung (Demand Side Management), erneuerbare Energien und Stromimporte. Die Herausforderungen und Optionen werden von betroffenen Akteuren sehr unterschiedlich eingeschätzt. Um rasch zu einem gemeinsamen Verständnis zu gelangen, empfiehlt die dena-Leitstudie der Bundesregierung, einen eigenen Dialogprozess zu den Grundlagen der Versorgungssicherheit im zukünftigen Energiesystem einzurichten.

Für die Nutzung von Kohle hat die dena-Leitstudie in ihrer Modellierung kein festes Ausstiegsdatum vorgegeben. Die Kohleverstromung geht in den Klimazielszenarien bis 2030 um die Hälfte zurück und bis 2050 komplett aus dem Markt, weil neue Rahmenbedingungen die Vermeidung von CO2-Emissionen belohnen.

Integrierte Energiewende erfordert integrierte Politikkonzepte

Die dena-Leitstudie arbeitet mit dem Leitbegriff der integrierten Energiewende. Ziel dabei ist es, die Energiewende als Ganzes zu betrachten, die verschiedenen Technologien, Infrastrukturen und Märkte aus den Sektoren Energie, Industrie, Gebäude und Verkehr aufeinander abzustimmen und in einem intelligenten Energiesystem zusammenzubringen. Die dena-Leitstudie hat diesen sektorübergreifenden, systemischen Ansatz in einem breiten Partnerkreis angewandt und dabei die Klimaziele für das Jahr 2050 (80 bis 95 Prozent CO2-Reduzierung), vor allem aber auch für das Jahr 2030 (55 Prozent CO2-Reduzierung) vorgegeben.

„Unser gemeinsames Ziel war es, die systemischen Zusammenhänge besser zu verstehen, die bestmöglichen Transformationspfade zur Erreichung der Klimaziele zu identifizieren sowie Hinweise und Handlungsempfehlungen zu geben“, betonte Andreas Kuhlmann. „Zugleich wollten wir Marktkenntnisse und Kompetenzen derjenigen berücksichtigen, die die Transformationsprozesse mit ihren Unternehmen am Ende gestalten müssen. Diese integrierende Bottom-up-Sicht brauchen wir, um die integrierte Energiewende zu gestalten und neue, integrierte Politikkonzepte zu entwickeln, die auch die internationalen Zusammenhänge berücksichtigen. Das System von Steuern, Abgaben und Umlagen im Energie- und Klimaschutzbereich ist verkrustet. Wir brauchen klare Zielvorgaben und marktorientierte Rahmenbedingungen, aufbauend auf Innovation, Wettbewerb und Unternehmergeist. Damit können wir den bestmöglichen Fortschritt erzielen. Den einen Pfad zur Zielerreichung können wir heute noch nicht genau vorhersehen. Vielmehr müssen wir offen sein für die vielfältigen Technologieoptionen. Dafür bedarf es eines starken politischen Willens und einer ausgereiften Urteilskraft. Mit Mut und Entschlossenheit können wir viel erreichen.“

Power-to-Liquid

zum Download der Studie

Quelle: dena

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/


 

Studie zu E-Fuels

IASA: Nachhaltige Luftfahrt - Sustainable Aviation

E-Fuels sind notwendig, um EU-Klimaschutzziele des Verkehrssektors zu erreichen

Neue Studie der Deutschen Energie-Agentur (dena) und der Ludwig-Bölkow-Systemtechnik (LBST) im Auftrag des VDA – E-Fuels senken Kohlendioxid massiv im gesamten Verkehr – Politik sollte strategische Agenda erstellen. 

E-Fuels aus erneuerbaren Quellen sind notwendig, um die EU-Klimaschutzziele des Verkehrssektors zu erreichen. Der Endenergiebedarf aller Verkehrsträger der EU im Jahr 2050 wird selbst in einem stark batterieelektrifizierten Verkehrsszenario zu mehr als 70 Prozent von E-Fuels gedeckt werden. Die derzeit noch hohen Kosten für E-Fuels werden sinken. Dies sind die Kernaussagen der Studie von dena und LBST, die heute im VDA erstmals vorgestellt wurde.

Die Studie „E-Fuels – The potential of electricity-based fuels for low emission transport in the EU“ untersucht den zukünftigen Energiebedarf des europäischen Verkehrssektors sowie den dafür notwendigen Bedarf für den Ausbau erneuerbarer Energieerzeugungskapazität. Auf dieser Basis folgt eine Analyse der notwendigen Investitionen, um eine Treibhausgasreduzierung von 95 Prozent im Verkehr zu erreichen.

„Unsere Studie zeigt, dass wir unsere Bemühungen in der Umwelt- und Verkehrspolitik deutlich breiter aufstellen und verstärken müssen, um die EU-Klimaschutzziele im Verkehrssektor zu erreichen. E-Fuels werden dabei eine wesentliche Rolle spielen. In erster Linie um Flug-, Schiff- und Straßengüterverkehr mit emissionsarmen Kraftstoffen zu betreiben. Aber auch in den Pkw-Bestandsflotten werden wir perspektivisch klimaneutrale flüssige und gasförmige Kraftstoffe aus erneuerbarem Strom benötigen, wenn wir es ernst meinen mit den Klimazielen für das Jahr 2030 und darüber hinaus“, sagte Andreas Kuhlmann, Vorsitzender der dena-Geschäftsführung.

Laut Studie bestehe derzeit in Europa ein ausreichendes technisches Potenzial zur erneuerbaren Stromproduktion, um den langfristigen Bedarf an Transportenergie und E-Fuels zu decken. Allerdings sei hierzu ein starker Ausbau der Stromproduktion aus erneuerbaren Energien erforderlich.

„Der voraussichtliche Bedarf an erneuerbarem Strom für den gesamten EU-Verkehrssektor im Jahr 2050 würde etwa dem Sieben- bis Zehnfachen der aktuellen jährlichen erneuerbaren Stromproduktion in der EU entsprechen. Gut 80 Prozent dieses Bedarfs gingen dann auf die Herstellung von E-Fuels zurück“, erläuterte Uwe Albrecht, Geschäftsführer der Ludwig-Bölkow-Systemtechnik. Damit rechtzeitig Kapazitäten im erforderlichen Maßstab zur Verfügung stehen, sei eine E-Fuels Roadmap auf nationaler, EU- und internationaler Ebene zwingend erforderlich.

E-Fuels würden dabei keinen Widerspruch zum Hochlauf der Elektromobilität darstellen. „Die Verkehrsmittel sollten dort, wo technisch möglich und ökologisch sinnvoll, elektrifiziert und teilelektrifiziert werden. E-Fuels werden aber insbesondere für Anwendungen im Verkehr, für die aus heutiger Sicht keine elektrischen Antriebssysteme zur Verfügung stehen, unverzichtbar sein. Die Mobilität von morgen wird daher einen Mix aus unterschiedlichen Technologien erfordern. Deutschland als Kernland der Automobilindustrie sollte auf keine dieser Technologien verzichten oder sie gar verbieten. Politik sollte Ziele, aber nicht den Weg vorgeben“, sagte Matthias Wissmann, Präsident des Verbandes der Automobilindustrie (VDA). Er betonte des Weiteren: „Synthetische Kraftstoffe ermöglichen, dass bestehende Tankstellen und Motoren genutzt werden können. Somit wirken E-Fuels auf den gesamten Fahrzeugbestand in der EU, nicht nur auf Neuzulassungen. Deshalb ist dies ein wirkungsvoller Hebel zur CO2-Minderung – und bietet zudem dem Verbrennungsmotor neue Optionen.“

Die Studie weist darauf hin, dass E-Fuels derzeit noch in der Entwicklungs- und Marktvorlaufphase und damit deutlich teurer als die fossilen Alternativen sind. Derzeit belaufen sich die Kosten für E-Fuels auf bis zu 4,5 Euro pro Liter Dieseläquivalent. Ein Zielkostenniveau von circa 1 Euro pro Liter Dieseläquivalent erscheint mit Importen aus Regionen mit hohem Angebot an Sonne oder Wind aus heutiger Perspektive erreichbar, so die Experten. Politik und Industrie sollten daher eine strategische Agenda für die Technologieentwicklung, Marktentwicklung und Regulierung für E-Fuels erstellen. Über eine branchenübergreifende E-Fuels-Plattform könne dieser Prozess zeitnah angeschoben und koordiniert werden.

Quelle: dena


 

Aim for 1 Billion Passengers to Fly on Sustainable Fuel Flights by 2025

sustainable aviation fuel

IATA set out an aim for one billion passengers to fly on flights powered by sustainable aviation fuel by 2025.

26 February 2018

Geneva – The International Air transport Association (IATA) set out an aim  for one billion passengers to fly on flights powered by a mix of jet fuel and sustainable aviation fuel (SAF) by 2025. This aspiration was identified on the tenth anniversary of the first flight to blend sustainable aviation fuel and ordinary jet fuel.

On 24 February 2008, a Virgin Atlantic Boeing 747 flew from London to Amsterdam with sustainable aviation fuel in one of its engines. The flight demonstrated the viability of drop-in biofuels, which can be blended with traditional jet fuel, using existing airport infrastructure. A flight completely powered by sustainable fuel has the potential to reduce the carbon emissions of that flight by up to 80%.

“The momentum for sustainable aviation fuels is now unstoppable. From one flight in 2008, we passed the threshold of 100,000 flights in 2017, and we expect to hit one million flights during 2020. But that is still just a drop in the ocean compared to what we want to achieve. We want 1 billion passengers to have flown on a SAF-blend flight by 2025. That won’t be easy to achieve. We need governments to set a framework to incentivize production of SAF and ensure it is as attractive to produce as automotive biofuels,” said Alexandre de Juniac, IATA’s Director General and CEO.

The push to increase uptake of SAF is being driven by the airline industry’s commitment to achieve carbon-neutral growth from 2020 and to cut net carbon emissions by 50% compared to 2005. A number of airlines, including Cathay Pacific, FedEx Express, JetBlue, Lufthansa, Qantas, and United, have made significant investments by forward-purchasing 1.5 billion gallons of SAF. Airports in Oslo, Stockholm, Brisbane and Los Angeles are already mixing SAF with the general fuel supply.

sustainable aviation fuel

On the present uptake trajectory it is anticipated that half a billion passengers will have flown on a SAF-blend powered flight by 2025. But if governments, through effective policy, help the sustainable fuel industry to scale-up its production, it is possible that one billion passengers could experience an SAF flight by 2025. The steps needed to deliver this include:

  • Allowing SAF to compete with automotive biofuels through equivalent or magnified incentives
  • Loan guarantees and capital grants for production facilities
  • Supporting SAF demonstration plants and supply chain research and development
  • Harmonized transport and energy policies, coordinated with the involvement of agriculture and military departments.

Acknowledging that some sources of biofuels for land transport have been criticized for their environmental credentials, de Juniac emphasized strongly the determination of the industry to only use truly sustainable sources for its alternative fuels.

“The airline industry is clear, united and adamant that we will never use a sustainable fuel that upsets the ecological balance of the planet or depletes its natural resources,” he said.

Source: IATA (www.iata.org)

Energiewende braucht PowerFuels

IASA: Nachhaltige Luftfahrt - Sustainable Aviation

Statement von dena-Chef Andreas Kuhlmann zur Agora-Studie „Die zukünftigen Kosten strombasierter synthetischer Brennstoffe“ 

„Im Fokus der kommenden Jahre muss die Zielerreichung für 2030 stehen.“

Andreas Kuhlmann, Vorsitzender der dena-Geschäftsführung

Ich freue mich, dass Agora-Energiewende und Agora-Verkehrswende die Notwendigkeit hervorheben, sich viel intensiver als bisher mit synthetischen Brennstoffen zu beschäftigen. Der Kreis derjenigen, die auf eine rein direktelektrische Nutzung von erneuerbarem Strom bauen, um die klimapolitischen Ziele zu erreichen, wird erfreulicherweise immer kleiner.

PowerFuels

Die Deutsche Energie-Agentur (dena) beschäftigt sich schon seit vielen Jahren mit gasförmigen und flüssigen Kraft- und Brennstoffen, die mit Hilfe von Strom aus erneuerbaren Energien synthetisch erzeugt werden. Sie können vielfältig eingesetzt werden: als Kraftstoff im Verkehr sowie zur Erzeugung von Wärme und Strom. Die Umwandlungsverfahren sind unter Begriffen wie Power to Gas (Strom zu Gas) und Power to Liquid (Strom zu Flüssigkeit) bekannt. Wir sprechen deshalb bei diesen synthetischen Kraft- und Brennstoffen auch von (Green) PowerFuels.

Insbesondere die Zwischenergebnisse der von rund 60 Stakeholdern getragenen dena-Leitstudie Integrierte Energiewende haben deutlich gemacht: Um die klimapolitischen Ziele zu erreichen, benötigen wir einen Mix unterschiedlicher Energieträger mitsamt ihrer Infrastrukturen. PowerFuels sind eine unabdingbare Voraussetzung für den Klimaschutz und für eine erfolgreiche integrierte Energiewende. In einer weiteren Studie haben wir die Potenziale für den europäischen Verkehrssektor untersucht. Demnach werden selbst in einem Szenario, das stark auf batterieelektrische Antriebe setzt, mehr als 70 Prozent des Endenergiebedarfs durch PowerFuels gedeckt, vor allem im Flug-, Schiff- und Güterverkehr. In einer Studie, die die Allianz für Gebäude-Energie-Effizienz (geea) und die dena gemeinsam mit Branchenverbänden erarbeitet haben, haben wir auch den Gebäudesektor genauer untersucht. Anders als die beiden Agora-Organisationen kommen wir zu dem Ergebnis, dass PowerFuels auch im Gebäudebereich eine wichtige Rolle spielen können. Die Energiewende im Gebäudesektor lässt sich bis 2050 am besten realisieren, wenn alle verfügbaren Effizienztechnologien wirtschaftlich eingesetzt und die Infrastrukturen für Strom, Gas und Öl effizient mit erneuerbaren Energieträgern genutzt werden.

Dass nun mehr und mehr Akteure zu ähnlichen Erkenntnissen kommen, liegt auch daran, dass eine integrierte und sektorübergreifende Betrachtung der Energiewende immer mehr in den Fokus der energie- und klimapolitischen Debatte rückt. Das ist gut so. Die Herausforderung besteht darin, die wachsende Zahl an Komponenten aus allen Sektoren unter Berücksichtigung der zur Verfügung stehenden Infrastrukturen aufeinander abzustimmen und in ein intelligentes und nachhaltiges Energiesystem zu integrieren. Um dahin zu kommen, müssen wir die gegenwärtigen politischen und regulatorischen Aktivitäten in den verschiedenen Sektoren und Märkten grundsätzlich überdenken.

Es zeigt sich, dass Transformationspfade, die stärker auf die Potenziale von PowerFuels setzen, zum Beispiel mit deutlich niedrigeren Sanierungsraten im Gebäudebereich auskommen. Sie erfordern auch weniger gesicherte Leistung in der Energieversorgung und führen möglicherweise zu einem deutlich günstigeren Netzausbau, insbesondere auf der Verteilnetzebene. Eine systemische Betrachtung kommt also zu anderen Ergebnissen als eine rein physikalische, die vor allem den Wirkungsgrad einzelner Technologien als entscheidendes Kriterium ansieht. Wie wichtig PowerFuels sind, zeigt schließlich auch die kürzlich von der Nationalen Akademie der Wissenschaften Leopoldina, der Deutschen Akademie der Technikwissenschaften acatech und der Union der deutschen Akademien der Wissenschaften gemeinsam vorgestellte Studie „‚Sektorkopplung‘ – Optionen für die nächste Phase der Energiewende“.

So eindeutig es bereits jetzt schon ist, dass die klimapolitischen Ziele ohne eine stärkere Befassung mit PowerFuels nicht zu erreichen sein werden: Es gibt nach wie vor eine ganze Reihe wichtiger Fragen zu klären. Um in diesen Fragen voranzukommen, brauchen wir stärkere Akzente in der Forschung, günstigere regulatorische Rahmenbedingungen für die Entwicklung eines Marktes für PowerFuels, vor allem aber auch einen intensiven internationalen Austausch. Denn allein mit den in Deutschland oder Europa erzeugten erneuerbaren Energien werden sich nicht ausreichend PowerFuels für Deutschland beziehungsweise Europa herstellen lassen. Die dena ist gegenwärtig dabei, einen solchen internationalen Austausch auf den Weg zu bringen und lädt Interessenten im In- und Ausland ein, sich daran zu beteiligen.

Agora-Studie

Agora-Energiewende und Agora-Verkehrswende haben mit ihrer Studie einen wichtigen Beitrag für die Debatte geliefert, auch wenn natürlich über einige Punkte weiter diskutiert werden muss. Unter anderem plädieren sie für einen Öl-/Gas-Ausstiegskonsens, um den Weg für synthetische Brennstoffe zu ebnen. Darauf muss man nicht warten. Deutschland wird sich in den kommenden Monaten intensiv mit der Erstellung eines Zeitplans zur Beendigung der Kohleverstromung befassen. In wenigen Jahren werden die letzten Kernkraftwerke vom Netz gehen. Die Versorgung mit Öl und Gas aus fossilen Quellen kann und muss Schritt für Schritt durch PowerFuels ergänzt werden. Hier die richtigen und attraktiven Akzente im Markt und bei der Forschung zu setzen, um die Potenziale weiter auszuloten, ist sicherlich vordringlicher als ein weiterer komplizierter Ausstiegsdialog.

Im Fokus der kommenden Jahre muss die Zielerreichung für das Jahr 2030 stehen. Das erfordert ein starkes Umdenken der bisherigen Energie- und Klimapolitik und vor allem auch einen innovationsfreundlichen Rahmen, in dem die verschiedenen Technologien ihren Beitrag zum Klimaschutz leisten können.

Immerhin: Im Koalitionsvertrag gibt es Ansätze für eine Weiterentwicklung von PowerFuels unter den Stichworten synthetische Kraftstoffe, Power to Gas, Wasserstoff und Power to Liquid. Darauf lässt sich aufbauen. Trotz aller bisherigen Restriktionen ist Deutschland Vorreiter in Sachen PowerFuels für eine integrierte Energiewende. Über 30 Pilot- und Demonstrationsanlagen sind bereits in Betrieb. Wir haben das richtige „Ecosystem“, um weitere Fortschritte zu machen. Ein Fortschritt bei PowerFuels hat also nicht nur eine unabdingbare klimapolitische Komponente. Es gibt auch eine Vielzahl industriepolitischer Aspekte, die dafür sprechen.

Quelle: Deutsche Energie-Agentur (dena)


 

Strombasierte Brennstoffe

Agora Verkehrswende und Agora Energiewende legen Studie zu Einsatzmöglichkeiten und Kosten von aus erneuerbarem Strom produzierten Kraftstoffen und Gasen vor

Berlin, 13. Februar 2018.

Steigende Anforderungen an den Klimaschutz, wie im Koalitionsvertrag zwischen Union und SPD vereinbart, erfordern langfristig den gezielten Einsatz strombasierter synthetischer Brennstoffe und den Ausstieg aus fossilem Öl und Gas. Damit die gegenwärtig sehr hohen Kosten für die Herstellung solcher strombasierten Energieträger sinken, sollte frühzeitig und kontinuierlich in den Bau von Erzeugungsanlagen investiert werden, empfehlen die beiden Thinktanks Agora Energiewende und Agora Verkehrswende. Es geht um „eine internationale 100-Gigawatt- Herausforderung“ und um einen „Öl- und Gaskonsens“, heißt es in einer gemeinsamen Analyse der beiden Stiftungs-Initiativen.

Aus erneuerbarem Strom erzeugtes Gas wird langfristig nicht nur zwecks Rückverstromung benötigt, um bei vorübergehend geringer Einspeisung von Strom aus Windenergie und Photovoltaik („Dunkelflaute“) die klimaneutrale Elektrizitätsversorgung zu sichern. Synthetisches Gas oder synthetisch hergestellter flüssiger Kraftstoff sind darüber hinaus als Ergänzung der direkten Erneuerbaren-Energien- und Stromnutzung für die sehr weitgehende Dekarbonisierung des Verkehrs, der Industrie und der Wärmebereitstellung aus heutiger Sicht unverzichtbar.

Allerdings sollten synthetische Brennstoffe nur sehr gezielt genutzt werden – „wie ein Joker beim Kartenspiel“, sagt Patrick Graichen, Direktor von Agora Energiewende. „Dort, wo sie wirklich Vorteile bringen und nicht durch bereits vorhandene Trümpfe ersetzbar sind. Vor allem im Flug- und Schiffsverkehr, bei chemischen Grundstoffen und für Hochtemperaturwärme. Wo wir jedoch Strom direkt nutzen können, etwa im Gebäudesektor, sollten wir das tun. Es wird immer günstiger und effizienter sein als die Nutzung synthetischer Brennstoffe.“

Christian Hochfeld, Direktor von Agora Verkehrswende dämpft insbesondere die Hoffnung, dass synthetische Kraftstoffe für Pkw mit Verbrennungsmotor eine Brücke ins Zeitalter der Klimaneutralität seien. „Ein mit synthetischem Sprit fahrendes Verbrenner-Fahrzeug benötigt für die gleiche Strecke rund fünfmal so viel Strom als Ausgangsprodukt wie ein batteriebetriebenes Elektroauto. Das ist nicht nur extrem ineffizient, sondern auch teuer. Synthetischer Kraftstoff ist deshalb alles andere als ‚Wunderdiesel‘“, sagt Hochfeld. „Er kann eine Ergänzung zur E-Mobilität sein, keine Alternative.“

Synthetische Brennstoffe werden aus elektrischer Energie erzeugt. Hierzu wird mittels Elektrolyse zunächst Wasserstoff und anschließend durch Hinzufügen von Kohlenstoffmolekülen Methan oder flüssiger Kraftstoff produziert. Im Vergleich zur direkten Stromnutzung liegt der Vorteil synthetischer Brennstoffe in ihrer hohen Energiedichte, ihrer guten Speicherbarkeit und der zum Teil bereits vorhandenen Verteil- Infrastruktur. Allerdings ist die Produktion mit hohen energetischen Umwandlungsverlusten verbunden: So können von ursprünglich 100 Kilowattstunden Strom beispielsweise in einem Verbrenner-Pkw nur 13 Kilowattstunden unmittelbar für die Fortbewegung verwendet werden.

Der in Deutschland kurz- und mittelfristig anfallende Überschussstrom von Solar- und Windparks bietet laut der Studie der beiden Thinktanks „rein mengenmäßig keine ausreichende Basis für den wirtschaftlichen Betrieb“ von Anlagen zur Erzeugung synthetischer Brennstoffe. Vielmehr muss der Strom dafür in eigens errichteten Anlagen erzeugt werden; synthetischer Brennstoff hat deshalb die Vollkosten der benötigten Stromerzeugung aus Erneuerbaren Energien zu tragen. Daher ist eine Kilowattstunde davon anfänglich mit 20 bis 30 Eurocent rund fünfmal so teuer wie beispielsweise fossiler Dieselkraftstoff.

Allerdings lassen sich langfristig Kostensenkungen erzielen, wenn synthetische Brennstoffe dort hergestellt werden, wo sich Erneuerbarer Strom über viele Stunden pro Jahr besonders billig erzeugen lässt, beispielsweise in Marokko, in Saudi-Arabien oder auch in Windparks in der Nord- oder Ostsee. Das geht aus dem zweiten Teil der Studie hervor, der im Auftrag von Agora Energiewende und Agora Verkehrswende von dem international tätigen Beratungsunternehmen Frontier Economics angefertigt wurde. Die Kosten für synthetisches Gas, das aus Nordafrika importiert wird, können danach bis Mitte des Jahrhunderts auf etwa 10 Cent pro Kilowattstunde fallen. Werden synthetische Brennstoffe importiert, um in Deutschland zur Emissionsminderung beizutragen, ist in besonderem Maße darauf zu achten, dass die Herstellung in den Herkunftsländern Nachhaltigkeitskriterien gerecht wird. Unter anderem ist sicherzustellen, dass der erneuerbare Strom für die synthetischen Energieträger zusätzlich erzeugt und gegebenenfalls benötigter Kohlenstoff der Luft entnommen wird. Außerdem dürfen in den Herkunftsländern Strategien zur Energieversorgung und zum Klimaschutz nicht beeinträchtigt werden.

Agora Energiewende und Agora Verkehrswende warnen davor, fossiles Öl und Gas eins zu eins durch synthetische Brennstoffe zu ersetzen. Die Bedingungen für den Ausstieg aus den fossilen und den Einstieg in synthetische Brennstoffe sollten in einem Öl- und Gaskonsens zwischen Politik und Wirtschaft vereinbaret werden.

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Die Studie mit dem Titel: „Die zukünftigen Kosten strombasierter synthetischer Brennstoffe“ steht unter www.agora-verkehrswende.de sowie unter www.agora- energiewende.de kostenlos zum Download zur Verfügung. Begleitend dazu wird ein Excel- Tool angeboten, mit dem sich die Gestehungskosten von synthetischen Brennstoffen in Abhängigkeit von verschiedenen Annahmen berechnen lassen.

 

Quelle: Agora Verkehrswende


 

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