Refuels oder E-Fuels – wo hakts?

Bernd Leitenberger

vor 1 Jahr

Sie tauchen immer wieder in der Diskussion auf, zuletzt setzte die FDP sich gegen einen Beschluss den Verbrennermotor auslaufen zu lassen zur Wehr. Es gäbe einen Bedarf an Ersatz für Benzin und Diesel und Verbrennungsmotoren. Zeit dem Thema mal auf den Zahn zu fühlen.

Grundlagen

Egal ob man es E-Fuel oder Refuel nennt, gemeint ist eine kohlendioxidneutrale Herstellung eines Kraftstoffs den herkömmliche Verbrennungsmotoren als Ersatz für Benzin und Diesel nutzen können.

Es gibt verschiedene Verfahren, daneben variieren die Endprodukte und die Ausgangsprodukte, doch ich will mal die grundlegende Problematik erläutern. Das Basisproblem ist das man aus Wasserstoff und Kohlendioxid Kohlenwasserstoffe oder Kohlenwasserstoffverbindungen gewinnen will nach folgender stark vereinfachter Formel

H₂ + CO₂ → C_xH_yO_z + H₂O

Von Bedeutung sind die Synthese des einfachsten Kohlenwasserstoffs Methan und des einfachsten Alkohols Methanol:

4 H₂ + CO₂ → CH₄ +2 H₂O

3 H₂ + CO₂ → CH₃OH + H₂O

Diese Prozesse sind die mit dem niedrigsten Wirkungsgrad, sprich dem höchsten Energieverlust in der Kette Strom … Antriebskraft. Die Problematik liegt in der Chemie begründet. Wir haben eine Reduktion des Kohlendioxids und eine Oxidation des Wasserstoffs. Dabei wechselt der Sauerstoff seinen Reaktionspartner. Der Sauerstoff ist, wie jedes andere Element, bestrebt die Verbindung einzugehen die die geringste Energie hat. Das kann man an verschiedenen Zahlen festmachen. So bei der pro Bindung freiwerdenden Energie: Sie beträgt bei der Bildung von Kohlendioxid 394 kJ/Mol, bei vier Bindungen für zwei Sauerstoffatome also 98,5 kJ/Bindung. Bei der Bildung von Wasser aus den Elementen sind es 287 kJ/Mol, bei zwei Bindungen pro Wassermolekül, also 143,5 kJ/Mol. Das ist deutlich mehr. Die Umsetzung wird dadurch erleichtert das beide Reaktionen exergonisch sind, das heißt auf der rechten Seite der Gleichung steckt weniger Energie als auf der linken Seite, es wird Energie meist in Form von Wärme frei.

Eine andere Betrachtung des Geschehens liefern die Elektronegativitäten. Hat der Sauerstoff die freie Wahl, so wird er eine Verbindung mit dem Stoff eingehen, bei der die Differenz der Elektronegativität größer ist. Die Elektronegativität von Sauerstoff beträgt 3,08, die von Kohlenstoff 2,55 und die von Wasserstoff beträgt 2,2 nach der Pauling Skala. Da die Differenz von 3,08 zu 2,2 größer ist also zu 2,55 wird der Sauerstoff sich vorwiegend mit dem Wasserstoff verbinden. Das ist von Relevanz, wenn nicht der gesamte Sauerstoff reagieren kann es also einen Überschuss an Kohlenstoff/Wasserstoff(verbindungen) gibt.

Hier gibt es einen Querbezug zur Raketentechnik. Werden Kohlenwasserstoffe wie Methan oder Kerosin mit Sauerstoff umgesetzt, so wird immer Sauerstoff im Mangel vorliegen. Dann wird man im Abgasgemisch erheblich mehr Kohlenmonoxid und Kohlendioxid als Wasserstoff finden. Bezogen auf unsere Reaktion wollen wie aber das der Kohlenstoff vollständig reagiert.

In der Chemie gibt es eine Reihe von Möglichkeiten die Reaktion trotzdem in die gewünschte Richtung zu lenken. Beim Kohlenstoff muss man auch berücksichtigen, das dieser nur teilweise zu Kohlenmonoxid reduziert werden kann. Eine Möglichkeit ist es die Temperaturen so hoch zu fahren, das die Aktivierungsenergien keine Rolle mehr spielen. Das ist wegen des Energieaufwandes jedoch eine schlechte Lösung. Ein Verfahren das erprobt wird, ist es z.B. in einem Solarturm (Spiegel reflektieren das Sonnenlicht in einen Brennpunkt auf einem Turm) extrem hohe Temperaturen zu erreichen. Die zweite und häufiger eingesetzte Möglichkeit ist es laufend Produkte aus dem Gleichgewicht abzuziehen. Kühlt man das Gasgemisch auf unter 100 °C und führt es wieder im Kreislauf in die Reaktionskammer, so kondensiert laufend Wasser und beim Methanolverfahren auch dieses aus, will der Wasserstoff weiter mit dem Sauerstoff reagieren so muss er ihn aus dem zuerst gebildeten Kohlenmonoxid holen.

Verfahren Methanolsynthese

Das heute energetisch effizienteste Verfahren ist das der Methanolsynthese. Man geht also nicht den ganzen Weg zu einem Kohlenwasserstoff und nimmt in Lauf das der Treibstoff einen etwas niedrigeren Energiegehalt hat. Dafür ist die Gewinnung viel effizienter da viel geringere Reaktionstemperaturen benötigt werden.

Die Synthese umfasst folgende Schritte:

Gewinnung von Strom aus regenerativen Quellen
Gewinnung von Wasserstoff aus Wasser mittels Elektrolyse mit dem oben gewonnenen Strom
Anreicherung von Kohlendioxid aus der Luft
Umsetzung von Wasserstoff und Kohlendioxid in einem Reaktor zu Methanol und Kohlenmonoxid.
Reinigung des Methanol

Der Strom kann aus Windenergie oder Solarenergie stammen. Windenergie wird wegen der geringen Kosten und der Einsatzmöglichkeit so Windenergie zu „speichern“ favorisiert.

Bei der Reaktion stören sowohl der Sauerstoff in der Luft wie auch der Stickstoff (wenn auch in geringerem Maße) das Kohlendioxid macht nur 0,04 % des Volumens der Luft aus. Kohlendioxid muss also angereichert werden. Es gibt mehrere Methoden. Kohlendioxid kann durch bestimmte Verbindungen wie Amine kovalent gebunden und dann durch erhitzen freigesetzt werden. Chemisch geht es, indem Luft durch eine Lauge (Kalilauge oder Natronlauge geleitet wird und sich Karbonate bilden. Aus diesen Karbonaten kann durch erhitzen dann das Kohlendioxid freigesetzt werden. Schon dieser Prozess benötigt Energie. Natürlich könnte man auch direkt Abgase aus einem Kraftwerk einsetzen, nur wäre das dann keine regenerative Gewinnung von Treibstoff, weil man ja dafür fossile Energie verbrennt – setzt man Biomasse ein, so ist es viel einfacher, diese direkt in Ausgangsmaterialien für Kraftstoffe umzusetzen, beim Gären unter Luftabschluss kann man z.B. Methan direkt aus Biomasse gewinnen.

Die Umsetzung erfolgt in einem Reaktor unter 50 bis 100 Bar Druck bei Temperaturen von 210 bis 240 °C durch einen Kupfer/Zink-Alumniumoxid Katalysator. Das austretende Gasgemisch wird auf 60 Grad Celsius abgekühlt. Dabei kondensieren Methanol und Wasser aus und das Restgasgemisch wird wieder zurückgeführt zur weiteren Umsetzung. Die Einspeisung durch neues Gas wird durch den Druck reguliert, da dieser durch Entfernung von Reakationsprodukten aus dem Kreislauf absinkt.

Das entstehende Methanol ist in Wasser gelöst und muss dann noch geeinigt und purifiziert werden. z.B. durch Destillation. Im Endeffekt läuft folgende Reaktion ab:

CO₂ + H₂ → CO + H₂O

CO + 2 H₂ → CH₃OH

Das temporär entstehende Kohlemonoxid ist erheblich reaktionsfähiger als das Kohlendioxid.

Das Methanol kann man in Motoren einsetzen die damit zurecht kommen. Natürlich unterscheidet es sich chemisch von Kohlenwasserstoffen. Angepasste Benzinmotoren können es verbrennen, wobei sein Energiegehalt deutlich geringer als der von Benzin ist (15,7 MJ/l oder 19,9 MJ/kg, Benzin liegt bei 46,7 MJ/kg bzw. 34,9 MJ/l. Man benötigt also für dieselbe Strecke erheblich mehr Methanol als Treibstoff als Benzin.

Verfahren Methan

Dieselmotoren können mit Methanol nichts anfangen, es zündet bei viel geringeren Temperaturen als Dieselkraftstoff. Für diese müsste man Kohlenwasserstoffe aus Methan herstellen, deren Produktion aber nochmals aufwendiger ist und bei denen noch mehr Energie für die Herstellung benötigt wird.

Die Konversion in Methan ist bis jetzt nur bei höheren Temperaturen möglich, obwohl die Reaktion viermal mehr Energie abgibt. Neuere Forschungen an einem Testreaktor bei niedriger Temperatur könnten die Energiebilanz bessern. Hier wurden rund 0,7 MJ/kg erzeugtes Methan aufgewendet.

Heute konzentriert sich die Forschung auf Methanol, das Ottomotoren direkt verwenden können, im Methanol-to-Gasoline Prozess kann man dann daraus Kohlenwasserstoffe ähnlicher Zusammensetzung wie Benzin erzeugen. Wie schon gesagt gibt es etliche Ansätze so auch oben erwähnte Synthese im Solarturm oder die Verwendung von Kohlendioxid in der Fischer-Tropsch Synthese (FTS). Die FTS verwendet normalerweise Kohlenmonoxid, das jedoch als Zwischenprodukt bei beiden Prozessen anfällt, sodass man auch die Prozesse zweistufig ausführen kann.

Energiebilanz

Da es verschiedene Verfahren gibt und man noch unterscheiden muss ob man Methanol, Methan oder synthetisches Benzin bzw. synthetisches Diesel produziert ist die Energiebilanz je nach Verfahren verschieden. Klar ist nur die Bilanz der ersten beiden Schritte, nämlich der Herstellung von Wasserstoff und der Verbrennung des E-Fuels. Bei der Herstellung von Wasserstoff aus Wasser durch Elektrolyse beträgt der Wirkungsgrad je nach Methode zwischen 40 und 70 %. Sprich 40 und 70 Prozent der elektrischen Energie findet man in Form von chemischer Energie im Wasserstoff. Bei der Verbrennung von Kraftstoffen gibt es Erfahrungswerte von Otto- und Dieselmotoren. Ottomotoren haben eine Wirkungsgrad von 25 %, Dieselmotoren einen von 35 %. Schon diese beiden Angeben kombiniert ergeben, dass günstigenfalls 25 % der Primärenergie auf die Antriebsachse gelangt.

Das Anreichern von Kohlendioxid ist ebenfalls nicht billig. Je nach Methode werden 100 bis 1.000 Dollar pro Tonne genant. Da aus einer Tonne Kohlendioxid 727 kg Methanol gewonnen werden, liefert dies schon einen Aufschlag zum Basispreis von 10,8 bis 108 ct/l Methanol. Bei Methan sieht es wegen der nur halb so großen Molekülmasse noch schlechter aus, das ist doppelt so teuer. Für eine Wirtschaftlichkeitsbetrachtung des Methanolprozesses setzte eine Gruppe den Preis für angereichertes Kohlendioxid auf 200 Dollar/Tonne an und bezeichnet dies als „very cheap“. Eine kombinierte Anlage, die vor Ort gleich den Strom aus Windenergie nutzt und Abwärme aus dem Prozessen nutzt, könnte Methanol für einen Preis von 800 €/t erzeugen. Der Energiegehalt dieses Methanols entspricht 570 l Benzin, also einem Produktionsreis von 140 ct/l Benzin Äquivalent. Das klingt erst mal gut. Aber das ist der Produktionspreis. Es muss noch der Transport zur Tankstelle, deren Unterhalt und der Gewinn von Pächter und Mineralölkonzern drauf geschlagen werden und nicht zuletzt die Steuern, die 48 % des heutigen Benzinpreises ausmachen. Das drückt auch aus das bei einem Verbrennungsmotor bei Methanol als Refuel nur 13 % der Ausgangsenergie auf die Achse gelangen, bei der Methanol-Brennstoffzelle (siehe Alternativen) sind es immerhin 18 bis 20 Prozent und beim Elektromotor 69 Prozent. Bei der Erzeugung von Methan sieht es noch schlechter aus. Das Methan benötigt noch mehr Energie zur Herstellung und es geht dann noch Energie verloren wenn man aus Methan höhere Kohlenwasserstoffe erzeugt. Den Hauptverlust sieht man aber schon in der Rekationsgleichung. Hier die Energie die in je einem Kilogramm Ausgangsprodukte und Endprodukte steckt:

Verfahren	Ausgangsprodukt	Endprodukt	Energiegehalt pro Mol Ausgangsstoffe	Energiegehalt pro Mol Endprodukte
Methanolerzeugung	143,5 MJ	19,9 MJ/kg	861 kJ	636 kJ
Methanerzeugung	143,5 MJ	50,1 MJ/kg	1.149 kJ	802 kJ

Das heißt man steckt zum einen Energie in den Prozess selbst, aber die Produkte haben rund ein Drittel weniger Energie als der Wasserstoff den man mit viel elektrischem Strom erst erzeugt hat.

2017 rechnete eine Studie der deutschen Automobilindustrie mit Herstellungskosten von 4,50 €/l Dieseläquaivalent. Andere Studien gehen von 2 bis 2,5 €/l aus, verglichen mit Herstellungskosten von 30 bis 40 ct bei der Gewinnung von Kraftstoffen aus Erdöl. Selbst wenn der Staat aus alle Steuern verzichten würde, dann kostet der Liter Benzin oder Diesel immer noch 1 Euro, davon entfallen nur 30 bis 40 ct auf die Herstellung des Kraftstoffs. Schlägt man diese Differenz auf den Preis von E-Fuels drauf so landet man ohne Steuern schon bei über 3 Euro pro Liter,

Der verwendete Strom müsste enorm viel billiger werden damit die Preise in die heutigen Regionen rutschen und der Staat müsste auf seine Steuern verzichten. Dabei gehen die Studien schon vom direkten Verwenden des Stroms, nicht dem Bezug aus dem Netz (Gestehungskosten: 7 bis 10 ct/kwh) aus.

Alternativen

An der Energiebilanz und dem anvisierten Erzeugerpreis zu sehen ist, das die Herstellung von Refuels extrem ineffizient ist. Doch gibt es dazu Alternativen? Ja die gibt es und zwar schon heute. Ich wende mich zuerst mal der Frage, zu wofür man Refuels braucht. Primär für alle Fahrzeuge die lange Strecken am Stück zurücklegen, vor allem im Transportwesen. Als erstes wäre hier mal eine Wirtschaftlichkeitsrechnung fällig: es ginge natürlich auch den Strom direkt in einer Batterie zu speichern, nur reicht die eben nicht für eine so lange Strecke. Dann habe ich in regelmäßigen Abständen eine Pause, in der ich die Arbeitszeit des Fahrers bezahlen muss (wobei man diese natürlich auch bei den Pausen berücksichtigen kann). Auf der anderen Seite werden die Refuels viel teurer sein als der Strom. Wenn man das Fahrzeug schnell laden kann haben Refuels keinen Vorteil mehr.

Auch ist ja nicht gesagt, das man die Batterien immer im Fahrzeug laden muss. Derzeit macht jeder Automobilhersteller sein eigenes Süppchen was Batterien angeht. Batterien gibt es auch im täglichen Leben, doch dort sind die standardisiert und leicht zu wechseln. Warum geht das nicht auch bei Autos? Batterien könnten standardisiert sein und dann mit einem Gabelstapler gewechselt werden gegen eine neu voll geladene Batterie. Die Batterien werden dann bei der Servicestation neu aufgeladen und ins nächste Fahrzeug eingebaut. Heute schon ist bei den meisten Elektrofahrzeugen die Batterie nur gemietet, da wäre der Schritt zu seinem solchen Konzept relativ klein.

Die eigentliche Alternative ist aber der Brennstoffzellenantrieb. Bei ihm wird der im ersten Schritt erzeugte Wasserstoff in einem Drucktank gespeichert und durch eine Brennstoffzelle wieder in Strom umgewandelt. Der Strom wiederum treibt einen Elektromotor an. Vergleichen mit der direkten Nutzung von Strom fallen zwei Konversionsschritte an (Strom → Wasserstoff, Wasserstoff → Strom) die je nach Technologie 30 bis 50 Prozent der im Strom steckenden Energie noch auf die Antriebsachse bringt. Beim reinen E-Auto ist das erheblich mehr und liegt bei 69 %. Aber es ist um einiges besser als bei Refuels, die ja den Treibstoff herkömmlich verbrennen und alleine im letzten Schritt 70 % Energieverlust haben.

Nebenbei kann man auch Methanol in Brennstoffzellen umsetzen. Indirekte Methanolbrennstoffzellen kommen sogar mit einem Methanol-Wasser Gemisch aus sodass man weniger Aufwand für die Reinigung des Gemisches treiben muss. Sie sind im direkten Vergleich mit Wasserstoffbrennstoffzellen erheblich günstiger. Das heißt, wenn man schon Methanol synthetisiert, dann sollte man ihn nicht verbrennen sondern in einer Brennstoffzelle umsetzen. Dies bringt immerhin 50 % mehr Energie auf die Antriebsachse, als beim Verbrennen. Daneben muss man Methanol nicht zu synthetischen Kohlenwasserstoffen umgewandelt werden. Verglichen mit Wasserstoff der als Gas einen schweren Druckgastank braucht, kann man normale Tanks verwenden und beim Einsatz einer Brennstoffzelle ist sogar der Anteil der Energie, die auf die Achse gebracht wird, vergleichbar Benzin.

Fazit

Es lohnt sich nicht. Weder wirtschaftlich, noch von der Effizienz. Das kann man auch schnelle erkennen wenn man nur den Wikipediaeintrag liest. Das Eintreten von Teilen der Regierung (FDP, vor allem Wissmann) für den Verbrennungsmotor und die Propagierung von E-Fuels als Lösung ist eine Vorgehensweise die in den letzten Jahrzehnten ausgeufert ist: Es gibt immer Industrien die ihre beste Zeit hinter sich haben oder den technologischen Anschluss verpasst haben. Anstatt nun Industrien zu fördern die Zukunftspotenzial haben protegiert man die Industrien oder Technologien die keine Zukunft haben, so die Subvention beim Kohleausstieg. Die deutsche Automobilindustrie hat den Trend zu E-Mobilität verschlafen. Anstatt dafür zu sorgen das dies attraktiver wird (Ladeinfrastruktur ausbauen) setzt man sich für eine längere Verfügbarkeit des Verbrennungsmotors ein. Natürlich wird der Verbrennungsmotor nicht ausgedient haben. In Ländern in denen der Umwelt- und Klimaschutz keine hohe Priorität hat wie z.B. China wird er weiterhin im Einsatz sein. Aber was hat das mit Europa zu tun? Alle deutschen Automobilhersteller haben Werke außerhalb von Europa in den USA oder China. Dann produzieren sie die Verbrennungsmotoren eben dort.