Kraftstoffe (5) - Alternative Kraftstoffe (2) - biogene Energieträger und synthetische Kraftstoffe

von kfztech.de

Teil 1 Einführung Kraftstoffe | Teil 2 Ottokraftstoffe | Teil 3 Dieselkraftstoff | Teil 4 Alternative Kraftstoffe 1 fossile Energieträger |

In Teil 4 wurden alternative Kraftstoffe, die auf fossilen Enegieträgern beruhen, thematisiert. Dazu gehören u.a. Erdgas und Flüssigerdgas. Nun soll es um Kraftstoffe gehen, die auf biogenen Energieträgern beruhen.

Bio-Ethanol

Ethanol-Kraftstoff (Bio-Ethanol) ist ein biogener Kraftstoff der 1. Generation und wird aus Zuckerrüben, Zuckerrohr oder Weizen gewonnen. Seit 2005 wird es in Deutschland in geringen Mengen dem normalen Benzin beigemischt (siehe E10).

E85 ist ein Qualitätskraftstoff mit einem sehr hohen Anteil an Bioethanol im fossilen Benzin. Dank der hohen Oktanzahl von 104 ROZ steigt der Wirkungsgrad des Motors und das Leistungspotenzial wird bestmöglich genutzt. In Schweden und Frankreich ist E85, also Kraftstoff mit 85% Bioethanol und 15% Benzin, gut etabliert. In Deutschland führt es dagegen ein Nischendasein. Obwohl es bis 31.12.2015 von der Energiesteuer befreit war, konnte es sich bei uns nicht durchsetzen, weil auch das Angebot an sogenannten „Flex Fuel Vehicles“ (FFV) in Deutschland ab 2013 zurückging. Noch im Jahr 2011 gab es Modelle von Audi, Ford, Opel, Saab, Volvo und Volkswagen. Aktuell werden in Deutschland, anders als in Brasilien und einigen europäischen Nachbarländern, keine FFV mehr angeboten. In Brasilien fahren bereits viele Automobile damit.

Biokraftstoffe der 1. Generation, sind nach Ansicht des Umweltbundesamts aus Klimaschutzsicht höchst ineffizient und sollen nicht mehr gefördert werden. Ausgenommen ist hiervon die stationäre energetische Nutzung der Biomasse. Zu den Biokraftstoffen der 1. Generation zählen: Pflanzenöl, Biodiesel (aus Pflanzenöl durch Veresterung hergestellt), Bioethanol (auf der Basis von Zucker- und Stärkepflanzen). Bio-Ethanol auf Lignozellulosebasis hingegen zählt zu den Biokraftstoffen der 2. Generation. Verfahren zur Gewinnung von Cellulose-Ethanol aus pflanzlicher Biomasse befinden sich aber erst in der Entwicklung.

Man muss sich - auch angesichts der aktuellen Dieseldiskussion - fragen, warum denn der Diesel im Gegensatz zum Bio-Ethanol, immer noch so stark subventioniert wird. Dies ist umso unverständlicher, wenn man bedenkt, dass E85 um 22 ct pro Liter höher besteuert wird als Dieselkraftstoff, der einen ca. zweifach höheren Treibhausgasausstoß pro Kilometer verursacht.

Biodiesel

Biodiesel wird aus mit Methanol veresterten Pflanzenölen hergestellt. Chemisch spricht man von Fettsäuremethylester, abgekürzt FAME oder auch Raps-Methyl-Ester (RME). Basis der Pflanzenöle ist unter anderem der Samen der Rapspflanze. Er wird auch dem mineralischen Diesel aus Klimaschutzgründen beigemischt (siehe B7). Da die Eigenschaften von Biodiesel in vielen Punkten denen von mineralischem Diesel sehr ähnlich sind, können auch nicht umgerüstete Dieselmotoren mit diesem Kraftstoff betrieben werden.

Die Rapspflanze ist eine sogenannte Energiepflanze, weil aus ihr Kraftstoff gewonnen wird. Bild Redisu / pixelio.de

Da sich Biodiesel allerdings wie ein leichtes Lösungsmittel verhält, können unter Umständen Dichtungen und Schläuche im Kraftstoffsystem angegriffen werden, wenn diese nicht beständig gegen Biodiesel sind. Nachteilig sind der hohe Aufwand zur Herstellung und die geringe Dezentralität der in Deutschland betriebenen Biodieselanlagen. Zudem kann Biodiesel eine große Menge Wasser aufnehmen, was zu Korrosionsproblemen an der Einspritzausrüstung führen kann.

Motoren, die mit Biodiesel betrieben werden, emittieren insgesamt weniger Abgase als fossiler Diesel, wobei die Stickoxidwerte etwas höher liegen. Biodiesel ist biologisch abbaubar und besitzt gute Schmiereigenschaften, was beim Einsatz von schwefelarmem Diesel von Vorteil ist.

Noch vor 15 Jahren gab es eine breite Zustimmung zum Biodiesel, der als nachhaltig und klimaschonend galt. Der zunehmende Ausbau von landwirtschaftlichen Flächen auf der Welt für die Energiewirtschaft, z.B. durch Brandrodung in Asien und Südamerika, sowie dann fehlenden Anbauflächen für Nahrungsmittel, gefolgt von Hunger- und Dürrekatastrophen, hat die gesellschaftliche Akzeptanz eines flächendeckenden Einsatzes des Biodiesels schwinden lassen.

Biogas und BtL

Biogas

Biogas kann sinnvoll für stationäre Motoren und zu Heizzwecken in der Nähe der Erzeugeranlagen eingesetzt werden (Biogasanlage). Landwirte werden so zu Energiewirten. In Deutschland ist die Verbrennung von Biogas in Blockheizkraftwerken (BHKW) am häufigsten, um zusätzlich zur Wärme auch Elektrizität zur Einspeisung in das Stromnetz zu produzieren. Nach Ansicht des Umweltbundesamts sind heute zum einen aufbereitetes Biogas und zum anderen regenerativ erzeugter Strom für Elektrofahrzeuge die aussichtsreichsten Kandidaten, um langfristig einen aus Klimaschutzsicht sinnvollen und mengenmäßig bedeutenden Beitrag zur nachhaltigen Energieversorgung des Verkehrs zu leisten.

Biogas kann als nahezu CO₂-neutraler Treibstoff in Kraftfahrzeugmotoren genutzt werden. Da eine Aufbereitung auf Erdgasqualität notwendig ist, muss der CO₂-Anteil jedoch entfernt werden. So können dann auch Erdgasfahrzeuge mit Biogas betankt werden. Biogas, auf Erdgasqualität aufbereitet, zählen übrigens zu den Biokraftstoffen der 2. Generation.

BtL

Bei der Biomasseverflüssigung wird aus Biomasse, wie z. B. Holz oder Stroh, Kraftstoff gewonnen. Der sogenannte BtL-Kraftstoff (Biomass to Liquid) wurde auch unter dem Markennamen SunDiesel vertrieben. BtL Kraftstoffe sind synthetische Kraftstoffe, die auch unter dem Sammelbegriff XtL-Kraftstoffe zu finden sind.

BtL befinden sich noch in der Erprobungsphase und haben noch einen großen Forschungsbedarf. BtL besitzt eine hohe Energiedichte. Weil alle Bestandteile der Pflanze genutzt werden, gehören BtL zu den Biokraftsoffen der 2. Generation, weil sie ein breiteres Rohstoffspektrum nutzen können als Biodiesel oder Bioethanol.

Bei der Herstellung wird aus der Biomasse zunächst ein Synthesegas erzeugt. In der anschließenden Synthese, z.B. nach dem Fischer-Tropsch-Verfahren, wird das Endprodukt Kraftstoff (Benzin oder Diesel) erzeugt Der Kraftstoffertrag pro Hektar Anbaufläche ließe sich damit erhöhen. Eine Gesamtenergiebilanz der BTL-Prozesse liegt derzeit jedoch noch nicht vor.

Pflanzenöl-Kraftstoff

Reine Pflanzenöle, z. B. aus Raps, Sonnenblume oder Leindotter, können in Dieselmotoren eingesetzt werden.

Die auf das Volumen bezogene Energiedichte beträgt rund 9,2 kWh je Liter und liegt damit zwischen Benzin mit 8,6 kWh/L und mineralischem Dieselöl mit 9,6 kWh/L. Insbesondere die höhere Viskosität und der niedrigeren Cetanzahl gegenüber Dieselkraftstoff führen dazu, dass zum dauerhaften Betrieb von Dieselmotoren mit Pflanzenöl eine Anpassung des Kraftstoff- und Einspritzsystems notwendig wird.

Für ältere Vor- und Wirbelkammer-Diesel ist Pflanzenöleinsatz die bessere Wahl, als für Direkteinspritzer, weil es sich vor der Einspritzdüse nur unzureichend vernebelt. Der Durchflusswiderstand in Leitungen und Filter ist ebenfalls höher. Im Winter muss das Öl ständig auf Temperatur gehalten werden, damit es nicht stockt. Für moderne Einspritzsysteme wie Common Rail und Pumpe-Düse kann es nicht unbedingt empfohlen werden.

Die Vorteile von Pflanzenöl sind neben der CO2-Neutralität die Möglichkeit der dezentralen Herstellung, die hohe Energiedichte und das geringe Gefahrenpotential für Mensch und Umwelt (nicht wassergefährdend, kein Gefahrgut, ungiftig, hoher Flammpunkt). Vor einigen Jahren noch war Pflanzenöl-Kraftstoff (Pöl) ganz von der Mineralölsteuer befreit. Deshalb fand man ihn auch an vielen Tankstellen. Mittlerweile beträgt die Steuerermäßigung um die 2 Cent. Deshalb spricht kaum noch jemand darüber, weil sich der Aufwand scheinbar kaum noch lohnt.

Wasserstoffantrieb und Brennstoffzelle

„Ich glaube, dass eines Tages Wasserstoff und Sauerstoff, aus denen sich Wasser zusammensetzt, allein oder zusammen verwendet, eine unerschöpfliche Quelle von Wärme und Licht bilden werden.“ Dieses Zitat stammt aus dem 1874 veröffentlichen Roman „Die geheimnisvolle Insel“ von dem weitblickenden Autor und Visionär Jules Verne. Wasserstoff als Energiespeicher würde eine Lösung für drei zentrale Probleme unserer Zeit bieten: Klimawandel, Abhängigkeit von Energieimporten und die Endlichkeit fossiler Energieträger.

Das Element Wasserstoff ist nicht nur das leichteste aller Elemente, sondern auch das mit Abstand häufigste Element im Universum. Gleichzeitig hat er eine extrem hohe Energiedichte. In einem Kilogramm Wasserstoff steckt etwa dreimal so viel Energie wie in einem Kilogramm Erdöl. Viel Energie, wenig Gewicht, speicher- und transportierbar, genau das macht Wasserstoff zum idealen Treibstoff der Zukunft.

Wasserstoff ist ein farb-, geruch- und geschmackloses Gas, dessen Atom lediglich aus einem Proton und einem Elektron besteht. Auf der Erde kommt er ausschließlich in chemisch gebundener Form vor, z. B. als Wasser, in organischen Verbindungen und in den Kohlenwasserstoffen (Erdöl, Erdgas, Kohle, Biomasse usw.). Er kann jedoch unter Einsatz von Energie aus seiner Verbindung gelöst werden. Bislang wird H2 großindustriell und kostengünstiger meist durch Dampfreformierung (Steam-Reforming) gewonnen. Die Gewinnung erfolgt dabei durch direkte chemische Umwandlung von Erdgas, wobei allerdings CO2 entsteht. Um die damit verbundenen CO2-Emissionen zu vermeiden und der Verknappung fossiler Rohstoffe entgegenzuwirken, bieten sich deshalb verschiedene Techniken zur regenerativen Wasserstoffherstellung an – zum Beispiel die Elektrolyse, bei der der Wasserstoff aus Wasser gelöst wird. In Betracht kämen hierbei besonders die Spitzen der schwankenden Wind- und Solarstromerzeugung.

Wasserstoff zum Antrieb von Fahrzeugen kann man in Verbrennungsmotoren oder über Brennstoffzellen nutzen.

BMW war nach Mazda (RX-8) der zweite Hersteller, der 2008 mit dem Modell 760h „Hydrogen 7“ einen Wasserstoffverbrennungsmotor für PKWs zur Serienreife gebracht hatte. Der Motor konnte sowohl mit Wasserstoff als auch mit Benzin betrieben werden.

 Der 12 Zylinder BMW 760 i „Hydrogen 7“ der Wasserstoff verbrannte sorgte vor 10 Jahren erstmals für Aufsehen. Bild: BMW

Der herkömmliche 12-Zylinder Verbrennungsmotor der 7er Reihe wurde dabei für die Verbrennung von Wasserstoff und Benzin aufwändig modifiziert. Der Wasserstoff wird dabei bei −253 °C flüssig gespeichert. Für die Wasserstoffverflüssigung wird jedoch sehr viel Energie benötigt. Leider verflüchtigt sich durch unvermeidbare Isolationsverluste ein Teil des Wasserstoffes bei der Lagerung, wenn kein kontinuierlicher Verbrauch gesichert ist. So beginnt die Ausgasung beim BMW Hydrogen 7 nach 17 Stunden Standzeit, nach 9 Tagen ist ein halbvoller Tank verdampft. Letztlich wurde das Projekt von BMW nicht mehr weiter verfolgt.

In Deutschland gibt es derzeit (Juli 2017) 32 Wasserstofftankstellen. Für die nächsten beiden Jahre sind 100 Tankstellen vorwiegend in Ballungszentren in Planung und bis 2023 sollen es 400 werden. Die Bundesregierung fördert den Aufbau von Tankstellen und auch die Initiative "H2 Mobility", zu der sich unter anderem Daimler, Air Liquide und Linde sowie die Ölkonzerne OMV, Shell und Total zusammengeschlossen haben. Hierbei geht es in erster Linie aber darum die Versorgung für Brennstoffzellenautos sicher zu stellen.

Hier wird Wasserstoff mit einem Druck von 350 bar getankt. - Bild: BMW

Bei der Brennstoffzelle (engl. Fuel Cell) erzeugt diese aus Wasserstoff emissionsfreien Strom. Seit Jahrzehnten forschen die Autohersteller an der Brennstoffzelle. Serienwagen gibt es bisher aber nur eine Handvoll (s. Toyota Mirai). Das soll sich nach dem Willen der Industrie aber nun ändern. In der Branche scheint Einigkeit darüber zu herrschen, dass die Brennstoffzelle die einzig sinnvolle Lösung ist. Bei der aktuellen Technik treibt die Brennstoffzelle den Elektromotor aber nicht direkt an, sondern lädt zunächst einen Akku als Zwischenspeicher auf. So dauert das Tanken nur wenige Minuten.

Eine Brennstoffzelle besteht aus mehreren Stacks

Momentan ist die Technik im Auto aufgrund der noch niedrigen Stückzahlen noch relativ teuer. Auch ist das bislang noch in der Brennstoffzelle verbaute Platin sehr teuer. Toyota und Hyundai haben aktuell als einzige Hersteller Autos mit Brennstoffzelle in Großserie. Daimler will noch im Herbst 2017 einen sportlichen Geländewagen mit Wasserstofftechnik als Plug-in-Hybrid auf den Markt bringen. Der GLC F-Cell hat einen Akku, der an der Steckdose aufgeladen wird, aber auch einen Wasserstofftank. Aber Daimler setzt wohl künftig eher auf den Elektroantrieb, weil die Akku-Kosten inzwischen niedriger geworden sind. Zumindest wollen bis in Mitte der 20er Jahre die Hersteller Audi, BMW, Daimler, Ford, GM, Honda, Hyundai, Nissan, Toyota und Volkswagen serienreife Brennstoffzellenautos anbieten.

Leider ist die Energiebilanz des Wasserstoffs im Augenblick noch kritisch zu betrachten. Denn es fließt noch zu wenig Strom aus erneuerbaren Energien im Netz, das heißt, dass für die Produktion von elementarem Wasserstoff noch zu viel CO₂ freigesetzt wird. Denn man muss bei der Energiebilanz immer den gesamten Weg von der Herstellung bis zum Rad ansehen. Bei der sogenannten Well-to-Wheel-Analyse wird immer die gesamte Wirkkette von der Gewinnung und Bereitstellung der Antriebsenergie bis zur Umwandlung in kinetische Energie untersucht.

Synthetische Kraftstoffe - E Fuels

Unter dem Begriff Elektrokraftstoffe (e fuels) wird eine Reihe von alternativen synthetischen Kraftstoffen zusammengefasst, die mit Hilfe von elektrischer Energie aus Wasser und Kohlendioxid (CO₂) hergestellt werden (s. a. Erdgas Audi). Diese binden bei der Herstellung CO₂. Das Treibhausgas wird so zum Rohstoff und mithilfe von regenerativ erzeugtem Strom lässt sich daraus Benzin, Diesel oder Gas herstellen.

Audi treibt derzeit mit Partnern ein Verfahren voran, in dem solche e-fuels aus CO₂ und Wasser gewonnen werden sollen. Audi ist nämlich vom Potenzial der Treibstoffe e-gas, e-benzin sowie e-diesel überzeugt. Die sogenannte e-fuels-Technologie setzt auf ein abgeandeltes Fischer-Tropsch Verfahren. Man darf auf die weiteres Entwicklung gespannt sein.  Beim synthetischen Audi e-benzin konnten die Ingolstädter 2019 ein wichtiges Zwischenziel erreichen. und 60 l  e-benzin für erste Motorentests herstellen.

Anlage zur Erzeugung von e fuels an der Audi mitforscht und entwickelt - Bild: Audi

Ein weiterer Vorteil: Anders als bei Biokraftstoffen gibt es bei synthetischen Kraftstoffen nicht die Abwägung zwischen Tank und Teller. Mit erneuerbarem Strom lassen sich eFuels zudem ohne die bei Biokraftstoffen zu erwartende Mengenbegrenzung durch begrenzte Anbauflächen herstellen.

Um das Konzept wirtschaftlich zu machen, wird diese Energie sinnvollerweise auf regenerativem Weg, also z.B. in Solar-, Wind- oder Wasserkraftwerken, erzeugt. Mittels Elektrolyse von Wasser wird Wasserstoff gewonnen, der entweder direkt als Kraftstoff (z.B. für Brennstoffzellenfahrzeuge) verwendet werden kann oder mit CO₂ zu unterschiedlichen gasförmigen („power-to-gas“) oder flüssigen („power-to-liquid“) Kohlenwasserstoffen reagieren kann. Auf diesem Weg lassen sich beispielsweise auch Methan oder Alkohole herstellen, die in konventionellen Verbrennungsmotoren eingesetzt werden können.

eFuels können auch herkömmlichem Kraftstoff beigemischt werden und tragen so direkt zur CO₂-Senkung in der bestehenden Fahrzeugflotte bei Dies würde Autos aber auch Nutzfahrzeugen, Schiffen und Flugzeugen die Möglichkeit bieten, weitgehend CO₂-neutral angetrieben zu werden. So würde man auf jeden Fall eine Ergänzung zur Elektromobilität erreichen. Ein CO₂-neutraler Verbrennungsmotor, was vor wenigen Jahren wohl noch ins Reich der Fantasie gehört hätte, könnte bald Realität werden. Bosch-Experten haben errechnet, dass bis 2050 durch konsequenten Einsatz von synthetischen Kraftstoffen ergänzend zur Elektrifizierung bis zu 2.800.000.000.000 Kilogramm CO₂ (= 2,8 Gigatonnen) eingespart werden könnte. Das entspräche der dreifachen Menge des Kohlenstoffdioxid-Ausstoßes von Deutschland im Jahr 2016.

Um die in Paris gesteckten Klimaziele zu erreichen, müssen die CO₂-Emissionen des Verkehrs in den nächsten vier Jahrzehnten weltweit um 50 Prozent gesenkt werden, in den Industriestaaten um mindestens 85 Prozent. Denn selbst wenn alle Autos eines Tages rein elektrisch fahren, würden ja immer noch Flugzeuge, Schiffe und Lkw auch zukünftig überwiegend mit Sprit angetrieben werden!

Ein Blick auf Elektroautos

Für Elektroautos braucht man keinen Kraftstoff. Jedenfalls nicht direkt, schließlich muss die Energie ja auch irgendwie erzeugt werden! Bei der Stromgewinnung kommte es darauf an, wie der Strom erzeugt wird. Braunkohlekraftwerke produzieren schließlich jede Menge CO₂ (Whell-to-Wheel). Und die Batterieherstellung für die Elektroautos verschlingt Ressourcen und jede Menge Energie. Der effizienteste Einsatz für Strom aus erneuerbaren Energien, oder allgemeiner ausgedrückt, von Elektrizität im Straßenverkehr ist jedoch die direkte Verwendung in Elektrofahrzeugen. Die Einschätzung des zukünftigen Potenzials für Elektrofahrzeuge hat sich in den letzten Jahren deutlich positiv verändert. Dies liegt im Wesentlichen zum einen daran, dass die Kosten für Li-Ion Akkus, wegen der Entwicklung im Bereich portabler Anwendungen, gesunken sind, und zum anderen an der Einführung von Hybridantrieben. Die sinkenden Akkukosten sorgen eventuell auch dafür, dass die Brennstoffzellen-Fahrzeuge nicht wettbewerbsfähig gegenüber Elektroautos sind. Doch Autohersteller, Experten und Politiker setzen derzeit allzusehr auf die Elektrifizierung des Antriebs und vernachlässigen unter Umständen die Weiterentwicklung konventioneller Antriebe und Kraftstoffe.

Fazit

Wie in den Artikeln zu den Kraftstoffen mehrfach erwähnt, sind die bei der Verbrennung von Kraftstoffen freigesetzten Abgase verantwortlich für Gesundheits- und Umweltschäden. Saurer Regen und der Treibhauseffekt spielen bei der globalen Erwärmung eine tragende Rolle. Deshalb ist die Forschung und Entwicklung biogener und synthetischer Kraftstoffe essenziell. Aber auch der Weg von Herstellung bis zur Verbrennung (well to wheel) ist entscheidend. Ein E-Auto, das seinen Strom aus Kohle- oder Kernkraftwerken bezieht ist keinesfalls die Lösung. Deshalb sind Regierung und Stromindustrie gefordert, die Energieeffizienz erheblich zu steigern und die erneuerbaren Energien dynamisch auszubauen. Aber es gibt viele gute Ansätze, wie z.B. bei Wasserstoff und den e Fuels, für die es aber auch mutige und weitblickende Politiker benötigt, die nachhaltige Lösungen voranbringen und durchsetzen wollen und können.

Wie von kfztech.de dargestellt gibt es sehr viele gute Ansätze und ein Mix aus den koventionellen und alternativen Kraftstoffen und Antrieben scheint derzeit wohl am sinnvollsten. Da halten wir eine Verteufelung einer Technik und die Lobpreisung einer anderen nicht unbedingt für zielführend.

Quellen (auch der Texte 1 - 4): Aral, Shell, wikipedia, Kraftfahrtbundesamt (KBA), Umweltbundesamt (UBA), Deutscher Wetterdienst (DWD), Toyota, kfztech.de, gibgas.de, desy.de, Audi, Opel, BMW, Bundesverband der deutschen Bioethanolwirtschaft e.V., h2-mobility.de, heise.de, Bosch,

Dieser Artikel erschien bereits 2017 im AMS Technik Profi. Mehr zum Technikprofi und zum Abo  Der Technikprofi