Wasserstoff
Wasserstoff ist das häufigste Element im Universum und auch reichlich auf der Erde vorhanden, allerdings (fast) nur in Verbindung mit anderen Elementen. Beim Verbrennen verbindet sich der Wasserstoff mit Sauerstoff zu Wasser und setzt dabei viel Energie frei. Diese Energie kann in einem Verbrennungsmotor einen Kolben oder eine Turbine antreiben oder in einer Brennstoffzelle Strom erzeugen. Wasserstoff ist auch eine wichtige Zutat von E-Fuels. Nebst seinem Nutzen als Kraftstoff spielt Wasserstoff in vielen anderen Industrien eine zentrale Rolle, wie etwa bei der Herstellung von Ammoniak für Dünger oder bei der Herstellung von Stahl.
Die einfachste Methode, um Wasserstoff herzustellen, ist die Elektrolyse. Dabei wird Wasser mit Strom in seine beiden Bestandteile zerlegt: Wasserstoff und Sauerstoff. Dieser Prozess ist zwar energieintensiv und somit teuer, aber völlig erneuerbar. In der Realität wird heute Wasserstoff zu 95% aus fossilen Energieträgern hergestellt, mehrheitlich aus Erdgas. Der enthaltene Kohlenstoff wird dabei als CO2 in die Atmosphäre freigesetzt.
Wasserstoff ist auch in der Handhabung und im Transport aufwendig. Um das Gas zu verflüssigen, muss es auf -250°C gekühlt werden, was extrem viel Energie kostet. Als Gas braucht Wasserstoff dafür viel Platz, weshalb Brennstoffzellenautos den Kraftstoff bei 700 bar in Kohlenfasertanks speichern. Zudem ist Wasserstoff sehr flüchtig und reaktiv, was beim Transport und bei der Betankung viele weitere technische Hürden ins Spiel bringt.
Erdgas
Autos mit Erdgasantrieb haben nebst ihrem Benzintank noch einen Drucktank für komprimiertes Erdgas oder CNG (Compressed Natural Gas). Herkömmliche benzinbetriebene Ottomotoren sind grösstenteils kompatibel mit Erdgas und können oft sogar nachträglich dafür umgebaut werden. Erdgas ist ein nicht erneuerbarer fossiler Kraftstoff, der grösstenteils aus Methan besteht. Da Methan weniger Kohlenstoff als Benzin enthält, ist der CO2-Ausstoss von Verbrennungsmotoren im Erdgasbetrieb 20% tiefer, allerdings ist Methan selbst ein viel potenteres Treibhausgas als CO2.
Autogas
Autogas, auch als Flüssiggas oder LPG (Liquified Petroleum Gas) bezeichnet, wird wie Erdgas als Treibstoff für Ottomotoren eingesetzt. Die beiden Technologien sind jedoch nicht miteinander kompatibel. Autogas besteht mehrheitlich aus Propan und Butan und wird teilweise bei der Förderung von Erdgas und Erdöl, teilweise bei der Raffinierung vom Erdöl gewonnen. Im Gegensatz zum Erdgas, das unter hohem Druck gespeichert wird, verflüssigt sich Autogas bereits bei weniger als 10 bar. Als Motorentreibstoff steht LPG nach Benzin und Diesel weltweit an dritter Stelle. In der Schweiz konnte es sich jedoch nie durchsetzen, zumal Autos mit LPG-Ausrüstung ab Werk nicht in die Schweiz importiert wurden. Zudem verliert man die Werksgarantie, wenn ein Fahrzeug mit LPG für ca. 4000 Franken teuer nachgerüstet wird, und Tiefgaragenbesitzer können die Zufahrt verweigern.
Biogas
Biogas besteht wie Erdgas hauptsächlich aus Methan und kann in den gleichen Fahrzeugen verwendet werden. Im Gegensatz zum fossilen Erdgas wird es aber aus der Vergärung von Biomasse gewonnen und ist somit ein erneuerbarer Kraftstoff. Die Verwertung von Abwasser und biologischen Abfällen zu Biogas ist bereits in vielen Ländern üblich und bietet nur wenig Wachstumspotential. Es ist auch möglich, Pflanzen direkt für die Biogasproduktion anzubauen. Das macht aber aufgrund des hohen landwirtschaftlichen Energiebedarfs sowie der Bodennutzung wenig Sinn.
Bio-Ethanol
Ethanol ist vor allem als gewöhnlicher Alkohol oder Spiritus bekannt. Nebst seinen Eigenschaften als Rauschmittel und als Lösungsmittel dient Ethanol auch als Kraftstoff für Ottomotoren. In vielen Ländern ist es üblich, kleinere Mengen Bio-Ethanol dem Benzin beizumischen. Hochprozentige Mischungen wie E85 (85% Ethanol) oder sogar reines E100 sind aber auch verbreitet. Die meisten heutigen Benzinautos in Europa vertragen bis zu 10% Ethanol. Sogenannte Flexible-Fuel-Fahrzeuge können mit einem beliebigen Gemisch fahren.
Bio-Ethanol ist zwar ein erneuerbarer Kraftstoff auf pflanzlicher Basis, als Rohstoff werden aber häufig Produkte wie Mais, Zuckerrüben oder Zuckerrohr verwendet. Deren Anbau hat einen hohen Energiebedarf und konkurrenziert oft mit dem Anbau von Nahrungsmitteln.
E-Fuels: Sprit, ganz ohne Erdöl
Klimafreundliches Benzin aus Strom, Wasser und Abgasen: E-Fuels klingen wie die perfekte Alternative zu Elektroautos. Doch was genau sind diese Treibstoffe, wie werden sie hergestellt und wann können wir sie an der Tankstelle kaufen?
E-Fuels, Synfuels oder Elektrokraftstoffe sind künstliche Alternativen zu fossilem Benzin oder Diesel. Wie der Name schon erraten lässt, werden sie mit Strom hergestellt statt aus dem Boden gepumpt. Je nach Anwendungszweck können diese synthetischen Kraftstoffe mit den gleichen Eigenschaften wie Benzin, Kerosin oder anderen raffinierten Erdölprodukten hergestellt werden. Die Vorteile von E-Fuels liegen somit auf der Hand: Sie können bei der Lagerung, beim Transport bis hin zur Tankstelle die bestehende Infrastruktur nutzen wie herkömmliche Treibstoffe, in die gleichen Tanks gepumpt werden und die gleichen Verbrennungsmotoren antreiben. Allerdings verursachen sie weiterhin Abgase und Lärmemissionen.
Wie werden E-Fuels hergestellt?
Normales Motorenbenzin hat je nach Gemisch mehr als 150 unterschiedliche Bestandteile, welche sich aber grösstenteils nur aus zwei Elementen zusammensetzen: Wasserstoff und Kohlenstoff. Diese Elemente lassen sich vielfältig kombinieren und bilden auch die Grundlage für synthetische Kraftstoffe. Es existieren unterschiedliche Herstellungsprozesse, sie folgen im Wesentlichen aber dem gleichen Schema.
1. Wasserstoff mit Strom herstellen
Um die erste Zutat von E-Fuels zu gewinnen, braucht es nur Wasser und viel Strom. Mittels Elektrolyse wird Wasser in einem energieintensiven Prozess in seine Bestandteile zerlegt, man erhält Wasserstoff und als Nebenprodukt Sauerstoff, der aber in der Regel nicht weiter genutzt wird.
2. Kohlenstoff aus CO2 gewinnen
Die zweite Zutat stellt eine grössere Herausforderung dar. Kohlenstoff ist zwar reichlich in der Erde vorhanden, es soll aber nicht mehr davon in die Luft freigesetzt werden, als schon vorhanden ist. Bei der Verbrennung von E-Fuels wird nämlich der enthaltene Kohlenstoff als CO2 wieder freigesetzt. Die Lösung ist die CO2-Abscheidung – ein Prozess, bei dem das CO2 aus industriellen Abgasen oder sogar direkt aus der Umgebungsluft entnommen wird. Die dafür verwendeten CCU-Anlagen (englisch für Carbon Capture and Utilization) sind gross und benötigen für das Herausfiltern des CO2 auch viel Energie.
3. Wasserstoff mit Kohlenstoff verbinden
In einem chemischer Prozess verbinden sich anschliessend Wasserstoff und CO2. Das resultierende synthetische Gas kann dann in einem mehrstufigen Prozess weiterverarbeitet und raffiniert werden, um Produkte wie E-Benzin, E-Diesel oder E-Kerosin herzustellen.
Die Zahlen und Fakten: wo machen E-Fuels Sinn?
Kraftstoffe wie E-Benzin haben vor allem einen grossen Vorteil gegenüber anderen erneuerbaren Energieträgern: Sie packen sehr viel Energie in wenig Volumen und wenig Gewicht. Betrachtet man beispielsweise die Flugindustrie, sind heutige Batterien 7-Mal zu gross und 20-Mal zu schwer, um ein Langstrecken-Passagierflugzeug elektrisch zu betreiben. Hier bieten E-Fuels eine sinnvolle Alternative zu fossilen Treibstoffen.
Was ist aber mit dem Auto?
Auch im Elektroauto sind Batterien grösser und schwerer als Benzintanks, zudem müssen Millionen Autos mit Verbrennungsmotoren auf der Strasse langfristig ersetzt werden. Da stellt sich natürlich die Frage, ob es nicht sinnvoller wäre, den Kraftstoff statt die Autos zu ersetzen.
Das erste Problem dabei ist die Verfügbarkeit: Es gibt heute noch fast keine E-Fuels zum Kaufen. Die grösste Pilotanlage der Welt in Chile soll ab 2026 gut 550 Millionen Liter pro Jahr produzieren können zu deutlich höheren Kosten als fossiles Benzin oder Diesel, das entspricht aber nicht einmal 10% des Treibstoffverbrauchs der Schweiz, und weniger als 1% des Verbrauchs in Deutschland.
E-Fuels verbrauchen 5x so viel Strom
Eine noch grössere Herausforderung ist der Energiebedarf von E-Fuels: Bereits in ihrer Herstellung brauchen sie doppelt so viel Energie wie sie liefern, im Verbrennungsmotor gehen davon nochmals mehr als zwei Drittel verloren. Konkret heisst das, dass ein konventionelles Auto mit E-Fuels im besten Fall rund fünf Mal so viel Strom zum Fahren braucht wie ein Elektroauto.
Die Autoindustrie ist offenbar zum gleichen Schluss gekommen: Bis im Jahr 2035 wollen Stand Juli 2022 bereits drei Viertel der Automarken in Europa nur noch Elektroautos verkaufen. Addiert man die Flottenziele von allen Autoherstellern, sollen 84% aller verkauften Neuwagen in Europa bis dahin vollelektrisch unterwegs sein. Auch die restlichen Hersteller werden einen Grossteil ihrer Neufahrzeuge als E-Autos verkaufen.
E-Fuels für Schiff- und Luftfahrt
Fazit: Wir müssen uns vom Erdöl trennen und E-Fuels werden dabei zweifellos eine wichtige Rolle spielen. Sie machen dort Sinn, wo keine bessere, effizientere Lösung existiert. Bei Personenwagen scheint das Thema schon erledigt zu sein: Bis E-Fuels in grossen Mengen erhältlich sind, will die Mehrheit der Autoindustrie aufgrund des massiv tieferen Energiebedarfs sowieso nur noch Elektroautos im Programm haben. Es bleibt offen, ob Elektrokraftstoffe im Schwerverkehr Fuss fassen können, da effizientere Antriebe unter dem Strich weniger Betriebskosten verursachen und die Treibstoffkosten im Güterverkehr einen hohen Anteil an den Betriebskosten haben. E-Fuels werden jedoch im Schiffs- und Luftverkehr unersetzlich sein, falls dieser klimafreundlich durchgeführt werden soll. Ihr Einsatz im Strassenverkehr wird sich aber wahrscheinlich auf Oldtimer und Exoten beschränken.
E-Fuels
