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Sonne und Wind im Tank


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Auto Zeitung - epaper ⋅ Ausgabe 11/2022 vom 11.05.2022

Synthetische Kraftstoffe

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Bildquelle: Auto Zeitung, Ausgabe 11/2022

e-Fuel-Anlage von HIF in Chile

Das Unternehmen HIF nimmt in Punta Arenas im Süden Chiles noch in diesem Jahr die e-Fuels-Pilotanlage „Haru Oni“ in Betrieb. Für den klimafreundlichen Synthetik-Sprit braucht man Wasserstoffgas und für dessen Gewinnung wiederum CO2-neutral erzeugten Strom. Dafür sorgt hier der Wind, mit dem man Windkraftanlagen 270 Tage im Jahr unter voller Last betreiben kann. Am Unternehmen HIF sind unter anderem Porsche, ExxonMobil, Siemens Energy und MAN beteiligt.

Als langes gerades Band streckt sich der Asphalt bis zum Horizont. Der Blick aus dem linken Seitenfenster fällt auf sanfte Hügel, Grasland, Schafherden. Auch aus dem Fenster rechts: Hügel, Grasland, Schafherden. „Die Windkraftanlagen stören die Schafe nicht“, sagt Porsche-Entwicklungschef Michael Steiner auf dem Weg nach Haru Oni, was in der Sprache der indigenen Ureinwohner nichts anderes ...

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... bedeutet als „starker Wind“. Doch noch stehen hier im Süden Chiles nahezu keine Windräder. Der Wind ist freilich schon da, er weht den Besuchern von der Nordhalbkugel nach dem Aussteigen so stark ins Gesicht, dass diese die Stimme erheben müssen, um sich zu verständigen. Diesen Wind zu ernten und in den Tank zu packen, sodass ein 911er mit Verbrennungsmotor im Jahr 2030 nahezu klimaneutral unterwegs ist, das ist die Idee hinter dem Unternehmen HIF, an dem sich Porsche im April beteiligt hat.

Zwischen der Idee und der Umsetzung liegt ein langer Weg, nicht nur aufgrund der fast 14.000 Kilometer Luftlinie, die die südlichste Großstadt der Welt, Punta Arenas an der Magellan-Straße, vom Entwicklungszentrum des Sportwagenherstellers in Weissach trennt.

Fest steht bereits: Am Ende des Wegs soll ein synthetisch erzeugter Ottokraftstoff stehen, der die geltende Norm EN 228 erfüllt. Nur ein solcher Kraftstoff darf nämlich in Deutschland in den Verkehr gebracht werden (siehe Kasten zur rechtlichen Situation, S. 59).

Die ersten Schritte beschreitet HIF aktuell mit einer Pilotanlage, an deren Aufbau auch die deutschen Unternehmen Siemens und MAN sowie der Mineralölkonzern ExxonMobil beteiligt sind. Noch wird gebaut, doch schon im Herbst soll der Kraftstoff fließen, wenngleich zunächst in einer vergleichsweise geringen Menge von 130.000 Litern pro Jahr. Bewährt sich das technische Konzept, will HIF in der Region allerdings bedeutend größere Anlagen bauen, die gegen Ende des Jahrzehnts pro Tag mehr als elf Millionen Liter synthetischen Kraftstoff erzeugen können.

Dafür müssen zunächst die Kräfte der Natur geerntet werden. Der Wind weht im Süden Chiles so häufig und so stark, dass eine Windkraftanlage rund 6500 Stunden – also 270 Tage – pro Jahr unter voller Last betrieben werden kann. Für diese unter Ingenieuren übliche Betrachtung wird die gesamte über ein Jahr eingesammelte Menge Strom addiert und durch die Maximalleistung der Anlage geteilt. Stellt man eine solche Rechnung für Deutschland auf, kommt man für Anlagen an Land in guten Jahren durchschnittlich auf rund 1800 Volllaststunden. Da die Anlagentechnik nicht davon abhängt ob das Windrad in Patagonien oder im Sauerland aufgestellt wird, beeinflusst das die Stromerzeugungskosten erheblich. Für den Süden Chiles beziffert sie der lokale Energieversorger AME auf 1,5 bis zwei US-Cent pro Kilowattstunde.

Doch so viel Strom in Patagonien auch erzeugt wird – ihn als Elektrizität nach Deutschland zu transportieren, ist physikalisch unmöglich. Deshalb nutzt HIF ihn, um Wasserstoff zu produzieren. Als einzige Zutat dafür wird Wasser benötigt. Für die Pilotanlage holt HIF das Nass aus einem eigens angelegten Brunnen, doch für die Serienproduktion setzt der Betreiber auf Meerwasserentsalzung. Für die Wasserstoffproduktion kommt ein sogenannter Polymembran-Elektrolyseur zum Einsatz. Der arbeitet wie eine Brennstoffzelle im Fahrzeug, nur in umgekehrter Richtung, das heißt, der Strom wird genutzt, um die Wassermoleküle vom Sauerstoff zu befreien.

Der CO2-Staubsauger holt den Rohstoff aus der Luft

Wasserstoff zu haben, ist schon mal super, aber er ist über sehr lange Distanzen ebenfalls schlecht zu transportieren. Deshalb wird er in einem Reaktor zu Methanol verarbeitet, einem Kohlenwasserstoff, der unter Normalbedingungen flüssig ist. Wer in Chemie aufgepasst hat, merkt sofort: Dafür braucht es sowohl Kohlen-als auch Sauerstoff. Den Kohlenstoff will HIF aus dem Kohlendioxid gewinnen, das als Bestandteil der Luft nicht nur für alles pflanzliche Leben, sondern auch den Treibhauseffekt verantwortlich ist. Der Einsatz eines CO2-Staubsaugers sorgt erst dafür, dass der Kraftstoff am Ende nahezu klimaneutral ist.

Der damit verbundene Aufwand ist immens, wie Steiner zugibt. Er verweist darauf, dass CO2 trotz seiner starken Klimawirkung nur in geringer Konzentration von etwa 400 auf eine Million Teile in der Luft enthalten ist.

Eigentlich könnte man am Endrohr des Methanolreaktors aufhören. Denn diese Flüssigkeit ließe sich wie gewöhnliches Benzin per Tanker transportieren, an der Zapfsäule tanken und im Motor verbrennen. Ein Forschungsvorhaben, an dem die Universitäten Aachen, Braunschweig, Darmstadt und Stuttgart beteiligt waren, zeigt sogar: Der Wirkungsgrad des Motors steigt deutlich, zudem erfolgt die Verbrennung fast schadstofffrei. Allerdings ist der Heizwert von Methanol nur etwa halb so hoch wie der des Ottokraftstoffs. Dies und andere Eigenschaften von Methanol führen dazu, dass dieser Stoff nicht in den heutigen Motoren genutzt werden kann. Keine geeignete Lösung für Michael Steiner: „70 Prozent alle jemals gebauten Porsche-Fahrzeuge sind noch auf der Straße. Wir brauchen eine Lösung, um den Fahrzeugbestand klimaneutral zu machen.“ Das gilt erst recht, wenn man auf die Weltbevölkerung schaut: Rund 1,3 Milliarden Autos mit Verbrennungsmotor fahren auf der Straße, so zumindest eine Schätzung, die auch von anderen Fahrzeugherstellern wie Toyota genannt wird. Deshalb umfasst bereits die Pilotanlage in der Nähe von Punta Arenas einen weiteren Reaktorkomplex, in dem das Methanol zu Rohbenzin weiterverarbeitet wird. Das Rohbenzin wird – wie in einer Raffinerie auch – anschließend noch mit Additiven und anderen Komponenten gemischt, damit der Kraftstoff am Ende allen Normen entspricht. Das von Porsche vorangetriebene Vorhaben ist aktuell das mit Abstand größte Projekt zur Erzeugung synthetischer Kraftstoffe – bei weitem aber nicht das einzige. Bislang herrscht allerdings bei fast allen anderen Pkw-Herstellern der Glaube vor, dass eine komplette Umstellung der individuellen Mobilität auf batterieelektrische Fahrzeuge das Klimaproblem lösen könnte. Eine im vergangenen Jahr abgeschlossene Studie der Forschungsvereinigung Verbrennungskraftmaschinen zeigt jedoch: Selbst wenn ab dem Jahr 2033 in Europa nur noch klimaneutral fahrende Pkw zugelassen werden und bis dahin die Zulassungszahlen von E-Autos stark ansteigen, hat der Verkehrssektor schon ein oder zwei Jahre vorher zu viel CO2 ausgestoßen, um den Temperaturanstieg auf 1,5 Grad Celsius zu begrenzen.

Die Berechnung kann man durchaus hinterfragen, weil bei der angewandten Methode das globale Budget durch die Anzahl der auf der Erde lebenden Menschen geteilt wurde. Aber auch wenn die Motorisierungsquote in anderen Weltgegenden geringer ausfällt, werden in eben jenen Regionen auch Autos gefahren, die weitaus älter sind als bei uns. Schon in der Europäischen Union wird ein Pkw erst nach durchschnittlich 17 Jahren verschrottet. Eine Lösung für den Bestand wäre also auf jeden Fall sinnvoll, und die muss auch den Diesel umfassen.

Für einen synthetischen Dieselersatz wäre die Route über Methanol als Zwischenprodukt grundsätzlich auch geeignet, doch der Entwicklungsstand ist niedriger – und es müssen weitere Zwischenschritte gegangen werden, um dann wiederum in einem Raffinerieverfahren sowohl Diesel als auch Benzin und Kerosin zu gewinnen. Klingt nicht nur kompliziert, sondern ist es auch. Und das heißt: Es wird vermutlich teuer.

Alternativ bietet sich das Fischer-Tropsch-Verfahren an, das bereits 1925 in Deutschland entwickelt wurde. Dessen Pferdefuß ist, dass der Reaktor mit einem Synthesegas aus Wasserstoff und Kohlenmonoxid gefüttert werden muss.

Dem aus der Luft gewonnenen CO2 ein Sauerstoffatom zu entreißen, ist recht energieintensiv. Das vielversprechendste Verfahren arbeitet mit einer Temperatur von rund 800 Grad Celsius. Ulrich Kramer, Kraftstoffexperte bei den Ford-Werken, sagt allerdings: „Fischer-Tropsch ist der mit Abstand beste Prozess, um synthetischen Diesel herzustellen.“ Am Ende steht ein sogenannter paraffinischer Diesel, dessen wesentlicher Unterschied zum fossilen Pendant die etwas geringere Dichte darstellt. Nahezu alle Fahrzeughersteller von Audi bis Volvo haben ihre aktuellen Motoren bereits für einen solchen Kraftstoff freigegeben. Anders als in den Niederlanden oder Skandinavien ist hierzulande der Verkauf paraffinischer Kraftstoff als Reinkraftstoff jedoch zur Zeit verboten.

Funktioniert schon lange: Kraftstoff aus Frittenfett

Paraffinischer Kraftstoff kann auch auf Basis nachwachsender Rohstoffe hergestellt werden. Das ist keine Science Fiction mehr: Das finnische Unternehmen Neste stellt heute bereits jedes Jahr 4,5 Millionen Tonnen HVO her. Das Kürzel steht für „Hydrogenerated Vegetable Oils“. Die Idee ist vergleichsweise simpel: Man nehme Reststoffe aus der Nahrungsmittelindustrie oder auch altes Frittenfett und befreie diese von allen Verunreinigungen. Die gewonnenen Fette und Öle kommen in einen beheizten Reaktor, der ähnlich wie eine klassische Raffinerie arbeitet: Unter Zugabe von Wasserstoff und mit Hilfe geeigneter Katalysatoren werden die komplexen Moleküle aufgebrochen, es entstehen kürzere Kohlenwasserstoff-Ketten, die dann zu dem Diesel-ähnlichen HVO oder auch Kerosin weiterverarbeitet werden können. Natürlich ist Biomasse nicht unbegrenzt verfügbar, wenn keine Ackerpflanzen verwendet werden sollen. Mats Hultman von Neste ficht das nicht an: „Alle Technologien haben Limits.“ Das Limit zur HVO-Herstellung sei bei weitem nicht ausgeschöpft. Würden allein die Abfälle der weltweiten Holzwirtschaft und der Biomüll der Haushalte konsequent für die Kraftstoffherstellung genutzt, könnten damit jedes Jahr 665 Millionen Tonnen fossiles Rohöl ersetzt werden.

Alles, was Recht ist

Das Regelwerk, das darüber entscheidet, welche Energieträger im Straßenverkehr eingesetzt werden dürfen, ist komplex. Doch auf drei Richtlinien kommt es besonders an:

• Die Renewable Energy Directive der Europäischen Union schreibt vor, welche Anteile erneuerbare Energieträger im Jahr 2030 erreichen sollen – auch im Straßenverkehr. Die zweite, 2018 erlassene Direktive wird derzeit überarbeitet. Demnach könnte für synthetische Kraftstoffe und grünen Wasserstoff eine Mindestquote von (mageren) 2,6 Prozent vorgeschrieben werden. Die aktuell geltende Mehrfachanrechnung für Grünstrom soll entfallen.

• Welche Kraftstoffe in Deutschland überhaupt in den Verkehr gebracht werden dürfen, regeln das Bundesimmissionsschutzgesetz und die darauf basierenden Verordnungen. Demnach müssen Ottokraftstoffe die Euronorm EN 228 und Dieselkraftstoffe die EN 590 erfüllen. Paraffinischer Dieselersatz, welcher der EN 15490 entspricht, darf in Deutschland – anders als den vielen anderen EU-Ländern – nicht verkauft werden.

• Die Autohersteller hingegen schauen bei der Antriebsentwicklung vor allem auf die EU-Verordnung zur Festsetzung von CO2-Emissionsnormen. Denn wenn ein Hersteller den für ihn festgesetzten Flottengrenzwert überschreitet, muss er erhebliche Strafen zahlen. Allerdings berücksichtigt die Verordnung lediglich die Emissionen am Auspuffrohr, nicht aber jene Treibhausgase, die durch die Produktion von Automobilen, Kraftstoffen oder Strom entstehen.

Die Gegner synthetischer Kraftstoffe argumentieren fast immer mit der höheren Effizienz batterieelektrischer Fahrzeuge. Zwar gehen auch bei heutigen E-Autos rund 30 Prozent der Energie auf dem Weg vom Windrad zum Rad verloren. Doch die Gesamteffizienz ist rund dreimal höher als auf dem Umweg über Flüssigkraftstoffe. „Kinder, wo ist das Problem?“, rief Robert Schlögl, Gründungsdirektor des Max-Planck-Instituts für Chemische Energiekonversion, während des Wiener Motorensymposiums Ende April ins Publikum. „Wir werden die Energie, die wir in Deutschland verbrauchen, nicht hierzulande erzeugen.“ Wenn man aber schon große Mengen importiere, müsse man ohnehin auf einen Speicher setzen, der mit Molekülen und nicht mit Elektronen arbeite. Den solle man dann aber doch bitte direkt auch im Fahrzeug nutzen und nicht erst in einem Kraftwerk verstromen, um damit dann die Batterien von Elektroautos aufzufüllen.

Doch am Ende entscheidet nicht die Physik darüber, was und wo wir tanken. Die Rahmenbedingungen gibt die Politik vor – und wenn die so gestaltet sind, dass nur die CO2-Emissionen des Fahrzeugs berücksichtigt werden, selbst wenn die gleiche Menge CO2 zuvor aus der Luft entnommen wurde, haben synthetische Kraftstoffe nur geringe Chancen.