E-Fuels: Nachhaltige Kraftstoffe

Der Green Deal der Europäischen Union sieht vor, die Treibhausgas-Emissionen bis 2030 um mindestens 55 Prozent zu reduzieren. Ein ehrgeiziges Ziel, zu dem auch der Verkehrssektor seinen Beitrag leisten muss – das steht auch für den ÖAMTC außer Frage. Allerdings sind die Pläne der österreichischen Bundesregierung in diesem Zusammenhang, alleine auf Elektromobilität zu setzen und für Autos mit Verbrennungsmotoren massiv Steuern zu erhöhen, weder zielführend noch sozial gerecht.

In einem vom ÖAMTC veranstalteten Symposium haben internationale Experten das Thema E-Fuels beleuchtet. Im Anschluss diskutierten Vertreter der Politik, welche Rahmenbedingungen es auf EU-Ebene braucht, um diese vielversprechende Möglichkeit zur CO₂-Reduktion auf den Weg zu bringen.

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Vorstand Institut für Verbrennungskraftmaschinen und Thermodynamik (IVT), TU Graz

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Helmut Eichlseder betonte, dass es für die Erreichung der Klimaziele notwendig ist, die Mobilität auf die Basis erneuerbarer Energien zu stellen. Allerdings, so Eichlseder, unterliegen Sonnen-, Wind- und Wasserenergie, die für nachhaltige und CO₂-neutrale Stromerzeugung notwendig sind, saisonalen und sogar tagesabhängigen Schwankungen. Auch wird der großflächige Bedarf an "sauberer" Elektrizität in Europa nicht zu decken sein, sodass es nicht ausreicht, nur auf eine einzige Technologie zu setzen. E-Fuels hätten gegenüber dem batterieelektrischen Antrieb allerdings große Vorteile: Einerseits kann die bestehende Tankstelleninfrastruktur genutzt werden, andererseits sind E-Fuels "rückwärtskompatibel", können also in der bestehenden Flotte genutzt werden.

Head of Global Fuel Cell Team, AVL List GmbH

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Jürgen Rechberger erklärte, wie Verbrennungsmotoren CO₂-neutral zu betreiben sind – und dass nicht die Motoren das Problem sind, sondern die Verbrennung fossiler Kraftstoffe in ihrem Inneren: Verbrennt man Diesel oder Benzin, entsteht unter anderem CO₂, das vorher nicht in der Atmosphäre vorhanden war. Und genau hier setzen erneuerbare, synthetisch hergestellte E-Fuels an, die im Labor aus Wasser (H20) und Kohlendioxid (CO₂), das zum Beispiel der Umgebungsluft entnommen wird, hergestellt werden. Bei der Verbrennung im Motor wird zwar ebenfalls CO₂ freigesetzt, allerdings nicht zusätzlich, sondern nur in der Menge, die vorher für die Erzeugung eingesetzt wurde. Andere Schadstoffe werden durch moderne Filteranlagen praktisch vollkommen neutralisiert.

Der Knackpunkt: Die Herstellung der E-Fuels benötigt hohe Energiemengen – diese müssen aus erneuerbaren Quellen kommen. Wenn E-Fuels in Europa hergestellt werden, rechnet Rechberger mit Produktionskosten von rund 2 Euro pro Liter. Werden sie aus begünstigten Regionen importiert, rechnet er mit rund einem Euro pro Liter, weil dort die Erzeugung von erneuerbarem Strom günstiger ist. Damit, so Rechberger, liegen die Kosten ungefähr im Bereich jener, die für die Produktion fossiler Kraftstoffe anfallen. Wie viel synthetische Kraftstoffe an der Zapfsäule kosten werden, wird hingegen großteils von der Besteuerung abhängen – etwa ob für sie auch Mineralölsteuer zu entrichten ist

JOANNEUM RESEARCH Forschungsgesellschaft mbH

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Gerfried Jungmeier forderte das Ganze zu betrachten: Fundierte Aussagen zu Umweltauswirkungen verschiedener Technologien können nur im Rahmen einer Lebenszyklus-Analyse (LCA, Life Cycle Assessment) getroffen werden. Das bedeutet, dass Herstellung, Betrieb und Verwertung bzw. Entsorgung berücksichtigt werden müssen. Aktuell, so Jungmeier, verursache die Pkw-Flotte in Österreich in einer ganzheitlichen Betrachtung jährlich Treibhausgas-Emissionen von rund 17 Millionen Tonnen CO₂-Äquivalent. Die Ergebnisse der LCA-basierten Szenarien zeigen, dass mit E-Fuels und batterieelektrischen Fahrzeugen Klimaneutralität bis 2040 möglich ist. Die größte Herausforderung: der schnelle Aufbau von E-Fuel-Erzeugungsanlagen.

Karl Dums von Porsche stellte das Pilotprojekt Haru-Oni ("starker Wind") vor: In Chile soll die weltweit erste integrierte kommerzielle Anlage zur Herstellung klimaneutralen Kraftstoffs entstehen. Chile wurde als Standort gewählt, weil Länder wie Österreich oder Deutschland auf absehbare Zeit nicht ohne Strom-Importe auskommen werden – während in Chile erneuerbare Energie im Überfluss vorhanden ist, was die Herstellung von E-Fuels zu deutlich besseren Konditionen ermöglicht. In Betrieb wird die Anlage voraussichtlich 2022 gehen. Dums hielt außerdem fest, dass es eine lange Zeit brauchen wird, bis sich der Bestand an batterieelektrischen Autos signifikant erhöht. Es mache allerdings wenig Sinn für den Klimaschutz, den Kfz-Bestand komplett auszutauschen – dieser müsse Teil der Lösung sein und seinen Beitrag zur CO2-Reduktion leisten. Wichtig, so Dums, seien jedenfalls Rechtssicherheit und Planbarkeit, ansonsten würde sich kaum jemand auf die kostenintensive Produktion von E-Fuels einlassen.

Pierre Olivier Calendini ist Leiter des Aramco-Forschungszentrums in Paris. Die größte Erdöl- und Erdgasfördergesellschaft der Welt investiere, so Calendini, seit 2010 weltweit in Forschungszentren mit verschiedenen Schwerpunkten. Derzeit baue Aramco zwei Industrieanlagen, die vor allem zur Optimierung der Produktionskosten dienen. Ob die E-Fuel-Herstellung in industriellem Maßstab aufgenommen wird, hänge, so auch Calendini, stark von den Rahmenbedingungen ab: Mindestens 20 Jahre müsse der Markt stabil sein, damit eine solche Milliardeninvestition getätigt werden kann. Entsprechend wichtig ist aus seiner Sicht eine Gesetzgebung, die anerkennt, dass E-Fuels, die mit erneuerbaren Energien hergestellt werden, den CO₂-neutralen Betrieb von Kfz ermöglichen. Von einem Verbrenner-Verbot hält Calendini indes wenig: Er fordert eine Rückkehr zur Rationalität und die Anerkennung, dass es Technologien gibt, die einen Betrieb mit geringen CO₂-Emissionen ermöglichen.

Der Wirtschaftswissenschaftler Hans-Werner Sinn, bis 2016 Präsident des ifo Instituts für Wirtschaftsforschung in München, ist überzeugt, dass sich e-Fuels etablieren werden. E-Autos hätten im städtischen Bereich durchaus Vorzüge im Fahrbetrieb. Sinn kritisierte aber, dass die EU die Entscheidung über die Antriebstechnologie nicht dem Markt überlasse. Dies führe zu Wohlstandsverlusten für die Menschen. Auch werde der Umwelt damit keineswegs geholfen, weil das Erdöl, das Europa nicht mehr verbrauche, ja nicht in der Erde bleibe, sondern anderswo verbraucht werde.

Sinn plädierte stattdessen für einen weltweit gültigen, einheitlichen CO₂-Preis, der nicht nur einzelne Sektoren wie den Verkehr trifft, sondern beispielsweise auch für die Heizung von Gebäuden oder die chemische Industrie gelten soll. Ein Alleingang Europas bei einer CO₂-Steuer sei völlig wirkungslos. Als Unding bezeichnete Sinn darüber hinaus den Wunsch einiger EU-Umweltminister, dass die EU ein Enddatum für Verbrennungsmotoren vorgeben solle, weil es an den nationalen Regierungen und Parlamenten vorbei gehe. Im Übrigen müsse man den Autoherstellern bei den Flottenzielen den Einsatz alternativer Kraftstoffe anrechnen – genauso wie das für die nationalen Treibhausgasbilanzen der Mitgliedstatten üblich sei. Steuerliche Anreize zur Förderung von E-Fuels wären laut Sinn auf jeden Fall besser als Ge- und Verbote, weil sie die Spielräume nicht so stark einengen.

Im Anschluss an das Symposium fand eine Podiumsdiskussion mit Magnus Brunner (ÖVP), Hermann Weratschnig (Die Grünen), Alois Stöger (SPÖ) und Norbert Hofer (FPÖ) statt. Die Diskutanten waren sich im Wesentlichen einig, dass Einzelmaßnahmen nicht reichen werden, um die vorgegebenen CO2-Ziele zu erreichen. Übereinstimmung herrschte weitgehend auch in punkto Ausbau des öffentlichen Verkehrs inklusive entsprechendem Ticketsystem. Ebenso war die Verlagerung eines Teils des Güterverkehrs ein Punkt, über den Konsens herrschte

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Weniger Einigkeit gab es hingegen beim motorisierten Individualverkehr. Hier wurde deutlich, dass alle Parteien mit Ausnahme der Grünen gegen ein generelles Verbot von Verbrennungsmotoren auftreten. Mehrfach wurde betont, dass nur ein Zusammenwirken der Technologien – genannt wurden E-Mobilität, Wasserstoff und Verbrennungsmotor, betrieben mit nachhaltigen Kraftstoffen – eine schnelle und sozial verträgliche Erreichung der CO₂-Ziele beim Individualverkehr ermögliche.

Denn, so der Tenor: Die Elektromobilität ist wichtig, allerdings nur CO₂-neutral, wenn der Strom aus erneuerbaren Energiequellen kommt. Wasserstoff braucht, ebenso wie die E-Mobilität, eine saubere Herstellung sowie die passende Infrastruktur. E-Fuels würden hingegen sofort und vor allem auch in der bereits bestehenden Flotte wirken, genauso wie ein schneller Umstieg von E5 auf E10 und die Erhöhung des biogenen Anteils im Diesel.

Das Problem mit den Kraftstoffen ist: Sie zu verbrennen, erzeugt Kohlendioxid (CO₂). Um die in ihnen steckende Energie in mechanische Energie, sprich, in Vortrieb umzusetzen, muss man sie aber verbrennen. In einem Motor. Und dadurch werden derzeit chemische Elemente, die Millionen von Jahren in der Erde gebunden waren, als klimawirksames Treibhausgas in die Atmosphäre geblasen.

Nicht der Verbrennungsmotor oder sein Arbeitsprinzip ist hier das Problem, sondern der fossile Kraftstoff, der zum Antrieb des Motors verwendet wird. Denn dieser besteht aus Erdöl, das aus Tausenden Metern Tiefe aus dem Boden gepumpt, dann raffiniert, als Benzin oder Diesel zu Tankstellen rund um den Globus transportiert, in Fahrzeugtanks gefüllt und in Motoren verbrannt wird. Neben Schadstoffen entsteht dabei aus den Kohlenwasserstoffverbindungen des Kraftstoffs auch CO₂ (Kohlendioxid), das zuvor in der Atmosphäre nicht vorhanden war.

Synthetische Kraftstoffe, sogenannte E-Fuels, erzeugen im Moment ihrer Verbrennung zwar auch CO₂, doch kein neues. Denn diese Kraftstoffe stammen nicht aus den Tiefen der Erdkruste, sondern aus dem Labor. Sie werden chemisch hergestellt: aus CO₂, das der Umgebungsluft entnommen wird, und Wasser (H2O).

Mit elektrischer Energie werden die Moleküle bei der sogenannten Elektrolyse aufgebrochen. Danach wird, vereinfacht gesagt, Kohlenstoff (C) mit Wasserstoff (H) neu zu Kohlenwasserstoffketten „zusammengesetzt“, während der Sauerstoff (O) der Atmo­sphäre zurückgegeben wird. Das CO₂, das bei der Verbrennung von E-Fuels entsteht, wurde also vorher, bei der Produktion dieser synthetischen Kraftstoffe, der Luft oder derzeit auch Industrieabgasen entnommen. Zusätzliches CO₂ entsteht dabei nicht.

Genau das macht den Unterschied zu herkömmlichem Benzin oder Diesel aus (oder auch Kerosin, mit dem Flugzeugtriebwerke befeuert werden). Schadstoffe, die auch bei Nutzung von E-Fuels entstehen, werden durch moderne Abgasreinigungsanlagen praktisch vollständig neu­tralisiert.

Globale Betrachtung

Wie können synthetische Kraftstoffe sinnvoll hergestellt werden:

Bei einer Umstellung vom Verbrennungsmotor auf Elektromobilität müssen wir in Zukunft statt Öl Strom importieren – denn bereits jetzt wird in Österreich zu wenig Strom produziert. Dabei ist ein Teil des im Land hergestellten, wie auch des importierten Stroms nicht grün, sondern kommt aus Kohle-, Gas- oder Atomkraftwerken. Auch zukünftig wird der Strombedarf nicht vollständig mit Ökostrom gedeckt werden können. Daher darf die Produktion von Antriebsenergie nicht nur regional, sondern muss global betrachtet werden.

Synthetische Kraftstoffe können an jedem geeignetem Ort der Welt hergestellt werden – also dort, wo z.B. viel Wind bläst oder Sonne scheint. Dort können E-Fuels-Produktionsanlagen effizient betrieben und die so gespeicherte Energie Weltweit genutzt werden. Die benötigte Infrastruktur für Verarbeitung, Transport und Nutzung dieser Treibstoffe ist bereits vorhanden.

Die elektrische Energie für die Elektrolyse stammt im Idealfall aus erneuer­baren Quellen. Denn auch die Erzeugung von Strom in kalorischen Kraftwerken verursacht CO₂. Nützt man aber Windenergie, Wasserkraft oder ­Fotovoltaik für die Stromgewinnung, entsteht durch den hohen Energie­bedarf für die Elektrolyse kein CO₂. Voilà: So können Verbrennungs­motoren CO₂-neutral betrieben werden – dank E-Fuels.

Klima- bzw. CO₂ neutral bedeutet: Das, was unsere Fahrzeuge an Emissionen ausstoßen, soll die Atmosphäre nicht zusätzlich belasten.

Der solcherart „konstruierte“ Kraftstoff kann gezielt mit denselben Eigenschaften wie fossiles Benzin oder Diesel ausgestattet werden. Der Vorteil: Dadurch wären keinerlei Anpassungen der her­kömm­lichen Verbrennungsmotoren an diese Kraftstoffe erforderlich. Einfach tanken und fahren.

Das österreichische Unternehmen AVL entwickelt Technologien, um die Erzeugung von E-Fuels effizienter zu machen. „Indem wir Wasserstoff effizienter erzeugen“, erläutert Jürgen Rechberger, Leiter des Brennstoffzellen-Kompetenzteams. „Wir arbeiten an einem Verfahren, mit dem man Wasserstoff etwa 20 % effizienter herstellen kann: die Hochtemperatur-Elektrolyse. Da der Syntheseprozess Wärme abgibt und die Elektrolyse Wärme benötigt, können wir einen Wärmeaustausch herstellen und sehen darin das Potenzial, E-Fuels um 30 % effizienter zu produzieren.“ In einer Demo-Anlage soll das Verfahren Ende 2022 in Betrieb gehen.

Auch der Sportwagenhersteller Porsche engagiert sich in der Erzeugung von E-Fuels. Gemeinsam mit Siemens und anderen Partnern realisiert Porsche ein Pilotprojekt in Chile, aus dem die weltweit erste integrierte kommerzielle Anlage zur Herstellung klimaneutralen Kraftstoffs werden soll. Warum Chile? „Länder mit hohem Energiebedarf wie Deutschland oder Österreich werden auch in Zukunft auf Energieimporte angewiesen sein“, erklärt Karl Dums, Leiter Aggregatestrategie und Antriebsvorentwicklung bei Porsche. „Das bedeutet für uns, dass der Kraftstoff in Regionen erzeugt werden muss, in denen erneuerbare Energie im Überfluss vorhanden ist. Während in Europa die Kosten für erneuerbare Energie aufgrund ihrer begrenzten Verfügbarkeit vergleichsweise hoch sind, können die Kraftstoffe beispielsweise im Süden Chiles zu erheblich besseren Kondi­tionen hergestellt werden.“

Mit dem Projekt Haru-Oni, auf Deutsch: „starker Wind“, sollen in der Pilot­phase die Annahmen für eine großindustrielle Skalierung bestätigt werden. „Die Inbetriebnahme der Anlage wird voraussichtlich 2022 erfolgen“, so Dums. Die dort produzierten E-Fuels will Porsche zunächst im ­Motorsport einsetzen.

Neben E-Fuels gibt es auch andere alternative Kraftstoffe. Als alternativ werden alle Kraftstoffe bezeichnet, die nicht fossilen Ursprungs sind (also aus Erdöl gewonnen werden). Zum Beispiel Bio-Kraftstoffe, die aus organischen Stoffen hergestellt werden. Sie können in reiner Anwendung oder in Mischungen mit mineralischem Benzin oder Diesel in unterschiedlichen Verhältnissen verwendet werden.

Die Rohstoffe dafür stammen aus ­eigens gezüchteten Energiepflanzen (z.B. schnell wachsenden Pappeln), Grünschnitt, Küchenabfällen oder aus minderwertigen landwirtschaftlichen Produkten, die für die Lebensmittel- oder Tierfutter-Produk­tion nicht geeignet sind. Da die Pflanzen beim Wachstum CO₂ aus der Atmosphäre binden, wird auch nur wieder dieses CO₂ bei der Verbrennung freigesetzt.

Für alternative Kraftstoffe spricht vor allem, dass die bestehende Infrastruktur nur geringer Modifikation bedarf, um weiter genutzt werden zu können. Das reicht von den Raffinerien, in denen künftig E-Fuels hergestellt werden können, über Kraftstoff-Transportwege wie Tankwagen oder Pipelines bis zu den Tankstellen und Fahrzeugen selbst: Die meisten Autos, Motorräder, Busse und Lkw mit Verbrennungsmotoren können mit E-Fuels weiterbetrieben werden – und das klimaneutral. Menschen, die sich den Umstieg auf ein ­E-Fahrzeug nicht leisten können, bleiben weiterhin mobil. Alte Autos, die noch funk­tionstüchtig und verkehrssicher sind, müssen nicht verschrottet, sondern können weiterverwendet werden. Eine nicht zu unterschätzende Ressourcen-Ersparnis und CO₂-Vermeidung.

Zudem können E-Fuels künftig auch als Energie-Zwischenspeicher dienen. Sind die Stromspeicher voll, müssen z.B. in Norddeutschland oft Windkraftwerke abgeschaltet werden, damit sie keinen Strom mehr produzieren. Die Erzeugung von E-Fuels in solchen Zeiträumen ist eine willkommene zusätzliche Nutzungsmöglichkeit für die kostenlos verfügbare Windenergie.