Strombasierte Energieträger: Das fehlende Puzzle-Stück der Energiewende?

Veröffentlicht am 23.10.2018

Im Klimaschutzplan 2050 hat sich die Bundesregierung bis 2030 und 2050 ambitionierte Ziele gesetzt. Im Vergleich zum Basisjahr 1990 will man die gesamten Treibhausgas-Emissionen (THG-Emissionen) bis 2030 um ca. 55 % und bis 2050 um 80 % bis 95 % senken [1]. Mit dem Hintergrund, dass u.a. die Emissionen in der Landwirtschaft sowie Prozessemissionen in der Industrie nur sehr schwer vermieden werden können, dürfen bis 2050 nahezu keine THG-Emissionen im Energie- und Umwandlungssektor emittiert werden. Das bedeutet auch, dass ein vollständiger Wechsel von fossilen Energieträgern hin zu Erneuerbaren Energien erfolgen muss.

Erneuerbare Energien haben vor allem in der Strombereitstellung in den letzten Jahren große Fortschritte gemacht. Dieser Trend wird aller Voraussicht nach auch die nächsten Jahre fortgesetzt. Die direkte Bereitstellung von Wärme (Geothermie) und Brennstoffen (Biomasse) unterliegt jedoch geologischen und Flächen-Limitationen. Zusätzlich weisen solche Methoden oftmals gesellschaftliche Akzeptanzprobleme auf. Um dennoch den Zielen gerecht zu werden, wird anwendungsseitig versucht, Technologien einzusetzen, die die direkte Nutzung von Strom ermöglichen.

Die wohl bekanntesten Beispiele dafür sind die Wärmepumpe und das Elektroauto. Jedoch ist eine Elektrifizierung bis 2050 nicht in allen Anwendungen realisierbar. So wird beispielsweise der Flugverkehr auch bis 2050 noch von kohlenstoffhaltigen Energieträgern abhängig sein. Die alternative Möglichkeit zur Bereitstellung aus Biomasse ist die Produktion auf Basis von Strom. In der Literatur werden diese Kraftstoffe auch Power-to-X-Kraftstoffe (PtX-Kraftstoffe), SynFuels, Powerfuels oder Electrofuels genannt. Mit dem Förderprogramm Energiewende im Verkehr zeigt auch das Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWi), dass dieses Thema auch in den Fokus der Energiepolitik gerückt ist.

Studien verwenden synthetische Kraftstoffe erst bei tiefer Dekarbonisierung

Die Verwendung von PtX-Technologien wird in energie- und klimapolitischen Szenarien kontrovers diskutiert. Vor allem bei kostenoptimierten Klimaschutzszenarien werden SynFuels aufgrund von schlechten Wirkungsgraden der gesamten Wertschöpfungskette im Vergleich zur direkten Verwendung von Strom erst ab einem hohen Klimaschutzambitionsniveau eingesetzt. Bei der Modellierung von Szenarien mit starker Dekarbonisierung (- 95 % THG-Emissionen) finden sich jedoch große Anteile von strombasierten Kraftstoffen wieder. Für die Beispiele der dena-Leitstudie [2], der Klimapfade für Deutschland [3] und der Langfristszenarien des Fraunhofer ISI [4] sind die Anteile am Endenergieverbrauch in folgender Tabelle aufgetragen.

Tabelle

 Tabelle: Anteile von PtX am Endenergieverbrauch in 2030 und 2050 in [2], [3] und [4]

Ein umfangreicher Überblick über die Relevanz von PtX-Produkten in verschiedenen Studien ist in [5] zu finden.

Letztlich bleibt jedoch festzuhalten, dass selbst bei Szenarien mit einer THG-Minderung von 80 % PtX-Produkte eine bedeutende Rolle spielen werden. Deswegen bedarf es diese Technologien näher zu beleuchten.

Grundlagen zur Herstellung von strombasierten Energieträgern

Unter dem Begriff PtX werden hier Power-to-H2, Power-to-Gas (PtG) und Power-to-Liquid (PtL) zusammengefasst. In jedem dieser Fälle wird Erneuerbarer Strom genutzt, um mittels Elektrolyse Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff zu trennen. Der Wasserstoff kann im Folgenden direkt genutzt oder in Kombination mit CO2 in einem darauffolgenden Schritt zu verschiedenen Kraftstoffen synthetisiert werden. Schematisch sind diese Schritte in folgender Abbildung dargestellt:

Grafik Schema der Herstellung von ptx Produkten

Abbildung: Schema der Herstellung von PtX-Produkten

Um mittels Syntheseverfahren ein Produkt zu erzeugen, das bei der Verbrennung als THG-neutral gelten kann, ist es wichtig, dass das verwendete CO2 nicht aus der Verbrennung fossiler Brennstoffe stammt.

Hoffnung nicht nur für Anwendungsbereiche ohne andere Alternativen

Wenngleich die Gesamteffizienz der Umwandlung von Strom in einen Brennstoff zur anschließenden Verbrennung zunächst als nicht sinnvoll erscheint, gehen die in der Literatur diskutierten Anwendungsfelder weit über Luftfahrt, Schifffahrt und Hochtemperaturprozesse in der Industrie hinaus. Die bessere Speicherbarkeit und die hohe Energiedichte im Vergleich zu Batteriespeichern machen die Nutzung von strombasierten Kraftstoffen in vielen Anwendungsfeldern attraktiv. Weiter ermöglicht die Nutzung dieser Energieträger – sofern es sich um sogenannte Drop-In-Kraftstoffe handelt – die Nutzung bestehender Motorkonzepte. Zu welchem Grad letzten Endes jeweils Elektrifizierung stattfindet oder Erneuerbare Kraftstoffe eingesetzt werden ist eine Fragestellung, die jedoch im Zuge der Energiewende beantwortet werden muss.

Vielversprechende Technologie mit vielen großen Fragezeichen

Bei der PtX-Technologie handelt es sich um einen heterogenen Forschungsbereich. Während Verfahren wie die Elektrolyse gut erforscht und großtechnisch umgesetzt sind, befinden sich vor allem die Prozesse zur Kraftstoffsynthese noch in der Entwicklung. Dort muss vor allem im Bereich der Effizienz noch ein großer Schritt gemacht werden. Denn davon hängt im Umsetzungsfall auch der letztendliche Beitrag zur Energiewende des erzeugten Kraftstoffs ab. Darüber hinaus muss sich noch entscheiden, auf welchen der vielen Varianten von Synthesekraftstoff in welchem Fall optimaler Weise zu setzen ist. So gibt es für den konventionellen Dieselkraftstoff mehrere synthetisch hergestellte Ersatzstoffe, die teilweise als Drop-In (direkter Einsatz in bisherigen Motortechnologien) sowie Blends (Beimischung zum konventionellen Diesel) verwendet werden können.

Wiederum mit Blick auf die Treibhausgasemissionen muss bewertet werden, ob die Produktion von PtX-Kraftstoffen hierzulande den Anforderungen an die Effizienz entsprechen. Denn trotz des hohen Anteils an erneuerbarem Strom bietet Deutschland mit Ausnahme der Küsten (für Windkraft) keine optimalen Bedingungen für die Produktion von Erneuerbarem Strom. So sind PV-Anlagen in anderen Weltregionen um ein Vielfaches ertragreicher und somit auch klimaschonender. Dadurch könnte es hinsichtlich der THG-Emissionen sinnvoller sein, Powerfuels in solchen Regionen der Welt zu erzeugen und den Kraftstoff anschließend zu importieren [5]. Eine Nutzung der bisherigen Infrastrukturen der Mineralölwirtschaft wäre dabei denkbar.

Um eine möglichst effiziente und effektive Energiewende voranzutreiben, müssen all diese Fragestellungen beantwortet werden. Einen Anfang dazu macht das Projekt BEniVer (FKZ 03EIV116C), bei dem die FfE vom BMWi den Auftrag bekommen hat, die oben genannte Forschungsinitiative Energie im Verkehr wissenschaftlich zu begleiten.

Weitere Informationen:

 

 

Quellen

 [1]  Klimaschutzplan 2050 - Klimaschutzpolitische Grundsätze und Ziele der Bundesregierung. Berlin: Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz, Bau und Reaktorsicherheit (BMU), 2016 
 [2] Bründlinger, Thomas et al.: dena-Leitstudie Integrierte Energiewende - Impulse für die Gestaltung des Energiesystems bis 2050 - Teil A: Ergebnisbericht und Handlungsempfehlungen (dena) - Teil B: Gutachterbericht (ewi Energy Research & Scenarios gGmbH). Berlin: Deutsche Energie-Agentur GmbH, 2018.
 [3]  Gebert, Philipp et al.: Klimapfade für Deutschland. München: The Boston Consulting Group (BCG), prognos, 2018.
 [4] Pfluger, Benjamin et al.: Langfristszenarien für die Transformation des Energiesystems in Deutschland. Karlsruhe: Fraunhofer-Institut für System- und Innovationsforschung (Fraunhofer ISI), 2017.
 [5] Hübner, Tobias et al.: Die Rolle synthetischer Brennstoffe zur Erreichung der klimapolitischen Ziele - Bedeutung im Jahr 2050. In: BWK (Brennstoff, Wärme, Kraft) - Das Energie-Fachmagazin 10/2018. Düsseldorf: Springer-VDI-Verlag GmbH & Co. KG, 2018.




Um unsere Webseite für Sie optimal zu gestalten verwenden wir Cookies. Durch die weitere Nutzung der Webseite stimmen Sie der Verwendung von Cookies zu.
Weitere Informationen zu Cookies erhalten Sie in unserer Datenschutzerklärung.
Einverstanden