Nachdem ich mich schon mit den Vor- und Nachteilen von Wasserstoff als Treibstoff für Kraftfahrzeuge beschäftigt habe, kommen heute mal die synthetischen Kraftstoffe, auch Refuels genannt, zum Einsatz. Die Idee klingt erst mal toll: man produziert synthetische Kohlenwasserstoffe die dann Benzin oder Diesel ähneln, und genauso wie diese Treibstoffe eingesetzt werden können. Es wundert nicht, das die Automobilindustrie sehr für dieses Konzept ist, bedeutet es doch, dass sie weiterhin Autos mit Verbrennungsmotor produzieren können. Richtig hellhörig wurde ich in einem Radiointerview von Ministerpräsident Kretschmann zur anstehenden BW-Wahl, wo er Höhrerfragen beantwortete und einer der Fragesteller meinte, anstatt Wasserstoff – auf den bezog sich eine vorherige Anfrage, sollte man doch diese synthetischen Treibstoffe fördern. Darauf sagte Kretschmann, das man hier noch viel forschen müsste und diese Treibstoffe noch ineffizienter bezogen auf die eingesetzte Energie seien als Wasserstoff. Da wäre der Faktor fünf, bei Wasserstoff nur zwei.<\/p>\n
Wie sich dann beim Schreiben dieses Blogs zeigte, redet Kretschmann von einer anderen Alternative als ich, da ich als Chemiker (obwohl er ja auch Chemielehrer war) den direkten Weg und nicht den umständlichen gehe. Wie immer in der Chemie gibt es aber zahlreiche Wege um eine bestimmte Substanz zu synthetisieren.<\/p>\n
Ein Verbrennungsmotor verbrennt etwas und übersetzt die dabei entstehende Wärme in Form einer Volumenausdehnung der Gase in Bewegung. Was er verbrennt, ist primär eine Frage der Auslegung des Motors. Große Dieselmotoren, wie die Antriebe von Schiffen können alles verbrennen, auch Reste der Erdölindustrie, die man sonst nirgendwo mehr einsetzen kann wie Schweröl. Schiffe sind daher mit Abstand die dreckigsten Fortbewegungsmittel auch, weil die Abgase nicht gereinigt werden. Wer also eine echte Umweltsau sein will fliegt nicht, sondern macht eine Kreuzfahrt. Da man die Abgase da auch selbst einatmet und darunter sind einige krebserregende Stoffe sind, bekommt man die Strafe dafür auch sofort, zumindest wenn man viel draußen auf dem Deck ist, idealerweise neben den Schornsteinen. Aber auch normale Diesel, zumindest älterer Bauart ohne aktive Steuerung der Effizienz und nachgeschalteten bzw. einbauten Abgasreinigungsstufen kommen mit vielen Verbrennungsträgern aus. Es gab mal Leute die haben das Altfett von Frittenbuden abgenommen und sind damit gefahren. Demgegenüber ist der Benziner weitaus anspruchsvoller, was den Treibstoff angeht, er kommt schon nicht mit Diesel zurecht. Man muss also Treibstoffe \u201ebauen\u201c die, dann der entsprechende Motor verträgt.<\/p>\n
Heute werden viele Motoren für PKW bis ins kleinste geregelt um den Kraftstoffverbrauch und die Emissionen zu minimieren und sie sind auf die heute üblichen Kohlenwasserstoffmischungen von Leichtbenzin und Diesel ausgelegt. Sie kommen nicht mit jedem Treibstoff zurecht. Wäre dem so, so gäbe es eine Menge potenzieller Treibstoffe:<\/p>\n
Wasserstoff kann durch Elektrolyse aus Wasser erzeugt werden. Wasserstoff verbrennt mit erheblich mehr Energie und höheren Temperaturen als Kohlenwasserstoffe. Der Explosionspunkt ist ebenfalls ein komplett anderer. Der Motor muss daher auf diesen Treibstoff ausgelegt werden. Als Gas mit kleiner Molekülmasse benötigt Wasserstoff relativ schwere Tanks bei einem Mercedes Brennstoffzellenfahrzeug wiegt er 125 kg bei 4,4 kg Fassungsvermögen. Mehr über Wasserstoff, findet ihr im vorherigen Blog zu dem Thema<\/a>.<\/p>\n Methan ist der einfachste Kohlenwasserstoff. Er ist natürlich verfügbar, weil es bei dem anaeroben Abbau von organischer Masse entsteht, und kann in Biogasanlagen künstlich erzeugt werden. Es verbrennt wie Kohlenwasserstoffe, nur ist es schon ein Gas und verbrennt schneller und liefert mehr Energie, das muss man beim Motordesign wissen. Trotzdem gibt es Autos, die Erdgas tanken und jede Menge Tankstellen dafür. Wie Wasserstoff ist Methan ein Gas benötigt also auch schwere Drucktanks, dank der achtfachen Molekularmasse geht aber mehr Treibstoff hinein.<\/p>\n Den Nachteil der schweren Druckgastanks haben Ethanol und Methanol nicht. Die beiden Alkohole sind flüssig. Ethanol kann aus Gärung gewonnen werden und wird in Brasilien seit Jahrzehnten als Treibstoff genutzt. Methanol wird aus Erdgas durch kombinierte Dampf- und Autothermreformierung aus Methan gewonnen. Dabei wird Kohlendioxid frei. Es wird aber an Verfahren der katalytischen Teiloxidation von Methan gearbeitet, mit denen Methanol ohne Kohlendioxidemission aus Methan gewonnen werden kann. Da beide Treibstoffe sich im Brennverhalten von fossilen Kraftstoffen unterscheiden, müssen auch hier die Motoren darauf eingestellt werden. Sie haben zudem weniger Energie, etwa 70 % der von Benzin.<\/p>\n Pflanzenöle sind im Prinzip Speiseöle wie man sie auch Lebensmittel einsetzt. Die meisten Diesel kommen mit diesen zurecht. Der Großteil ist heute Palmöl, dass billig herzustellen ist.<\/p>\n Pflanzenölester sind einfache Ester von Pflanzenöle, bei denen das Glycverinmolekül in normalem Fett durch einen einfacheren Alkohol wie Methanol ersetzt wird. In den chemischen Eigenschaften ähneln sie noch mehr den herkömmlichen Kraftstoffen und sind als E10 Beimischung zum Sprit seit Jahren im Einsatz.<\/p>\n Für die Automobilindustrie und Autobesitzer wären Pflanzenöle oder \u2013 ester die beste Option, doch wegen der verheerenden Umweltbilanz von Palmölplantagen ist die Forschung von ihnen abgerückt. Angesichts der enormen Menge von Autos weltweit könnte man so auch nie den Spritbedarf decken.<\/p>\n Wasserstoff habe ich schon im letzten Blog angesprochen. Wasserstoff kann man zumindest, was die Energiebilanz angeht, besser in Brennstoffzellen nutzen. Die sind allerdings recht teuer.<\/p>\n Als von „Refuels“ geredet wurde, dachte ich als Chemiker sofort an Methan. Das ist für mich naheliegend. Gibt es doch schon Fahrzeuge, die Methan nutzen und ist es doch ein natürliches Produkt von Biogasanlagen. Ein Molekülteil eines Polysacchards kann nach Hydrolyse in der Summe wie folgt zu Methan umgewandelt werden:<\/p>\n (C6<\/sub>H10<\/sub>O5<\/sub>)n<\/sub> + n H2<\/sub>O \u2192 3 n CH4<\/sub> + 3 n CO2<\/sub><\/p>\n Die Mikroorganismen reduzieren einen Teil des Kohlenstoffs und oxidieren einen zweiten Teil und gewinnen dabei Energie wie man an der Bilanz sieht, denn bei einer mittleren Energie von 17,2 kJ\/g Kohlenhydrate und 46 kJ für Methan werden aus 180 x 17,2 kJ (bei einem Mol) 64 x 46 kJ, Zwei Drittel der Energie landet also im Methan. In der Praxis ist bei Methangewinnung relevant, aus welcher Quelle das Substrat für die Biogasproduktion stammt. Werden Futterpflanzen verwendet, so sind mit deren Anbau natürlich auch Aufwendungen verbunden. Gülle ist dagegen ein Abfallstoff der sowieso entsorgt werden muss. Wird ein Benziner mit Biogas betrieben, dann emittiert bei Gülle als Substrat zwei Drittel weniger Kohlendioxid<\/a> (in der Bilanz) als mit Benzin, bei Mais ist es nur ein Drittel. Doch klar ist auch das man mit Gülle niemals alle Autos versorgen kann, es gibt in etwa so viele Schweine wie Autos und bei dem Verbrauch an Benzin den ein PKW hat kommt das Schwein mit der Gülleproduktion gar nicht hinterher. Das gilt auch für Mais oder andere Pflanzen, die nur für die Biogaserzeugung angebaut werden. So viel Fläche hat die Bundesrepublik nicht um nur alle Benziner mit Biogas versorgen zu können.<\/p>\n Ethanol ist eine zweite Möglichkeit aus Pflanzenmasse Energie zu gewonnen. Das geht nach der Formel:<\/p>\n C6<\/sub>H12<\/sub>O6<\/sub> \u2192 2 C2<\/sub>H5<\/sub>OH + 2 CO2<\/sub><\/p>\n Hier landen sogar nur 44 % der ursprünglichen Energie im Ethanol. Methanol kann aus Methan als primären Produkt von Biogasanlagen erzeugt werden. Dies geschieht durch Dampfreformierung von Methan. Da dabei es weitere energetische Verluste gibt, ist es bei diesem Treibstoff bisher bei Machbarkeitsstudien<\/a> geblieben. Bedeutender wäre Methanol als viel leichter lagerbares Substrat für Brennstoffzellen, die allerdings nur einen Teil des Energiegehaltes nutzen, da sie nur den Wasserstoff oxidieren. Die Energie bei der Oxidation des Kohlenstoffskelettes bleibt ungenutzt, zudem ist das Kohlendioxid ein Katalysatorgift. Daher konzentriert sich die Brennstoffzellenforschung auf Wasserstoff. Insgesamt sind Alkohole eine bequeme Alternative, wenn man am Auto nichts ändern möchte, allerdings mit einer verheerenden Energiebilanz.<\/p>\n Pflanzenöle und Pflanzenester haben chemisch die größte Ähnlichkeit aller natürlich vorkommenden Alternativen zu Diesel. Es sind langkettige Kohlenwasserstoffe mit meist 16 bis 18 C-Atomen. Das Ende trägt eine Säuregruppe, die mit einem Alkohol verestert ist. Bei natürlichen Ölen<\/a> ist es Glycerin, bei synthetischen Estern meist Methanol, wodurch die Molekularmasse auf ein Drittel sinkt und das Öl noch dieselähnlicher wird. Bei den meisten Dieselölen sind Pflanzenöle und Ester problemlos als Ersatz nutzbar, allerdings hat man auch hier das grundsätzliche Problem, das die Anbauflächen nicht ausreichen und das meiste Öl stammt heute aus Palmölplantagen in Asien, wo die letzten Urwälder dafür gerodet werden.<\/p>\n Kurz: alle bisherigen Alternativen haben Nachteile. Sie sind entweder teuer (Wasserstoff), haben eine schlechte Umweltbilanz oder bei fast allen ist einfach weltweit nicht genug Substrat vorhanden um den Benzin und Dieselverbrauch damit zu decken.<\/p>\n Daher geht heute die Forschung in Richtung synthetische Kraftstoffe oder Refuels. Der Gedanke ist relativ einfach: Wasserstoff, denn man auch für Brennstoffzellenfahrzeuge benötigt kann man in praktisch unbegrenzter Menge aus Wasser durch Elektrolyse gewinnen kann. Den Wasserstoff setzt man dann mit Kohlendioxid nach folgender Summenformel um:<\/p>\n 4 H2<\/sub> + CO2<\/sub> \u2192 CH4<\/sub> + 2 H2<\/sub>O<\/p>\n Das Methan kann dann relativ einfach zu höheren Kohlenwasserstoffen oxidiert werden, wobei ein Teil des Wasserstoffs dann wieder frei wird. So kann man sowohl synthetisches Diesel wie Benzin produzieren. Der große Haken: das ist extrem energieaufwendig. In der Gesamtbilanz, gerne \u201ewell to wheel\u201c abgekürzt landen 10 bis 15 % der elektrischen Energie als Antriebsleistung bei den Rädern. Man hat zwei Prozesse darin mit schlechtem Wirkungsgrad \u2013 die Elektrolyse und den Verbrennungsmotor, beide mit Wirkungsgraden unter 50 %. BW hat ein Forschungsprojekt gestartet, das diese Effizienz auf 20 % erhöhen soll, das ist wohl der Faktor von dem Kretschmann sprach. Anders als bei allen anderen Alternativen kann man damit aber wohl so viel Kraftstoff produzieren, wie man braucht. Es ist also die einzige Alternative, die wirklich geeignet ist, bei genügend Strom die Unmengen an Autos zu versorgen, die heute unterwegs sind. Allerdings ist es teuer im verlinkten ADAC-Artikel<\/a> ist die Rede davon, dass heute ein Liter synthetischer Treibstoff 4,50 Euro kostet, Das Forschungsprojekt soll das auf die Hälfte sinken lassen, ein Interviewpartner nennt für die fernere Zukunft 1,70 Euro. Allerdings vermute ich sind das wie immer bei Forschungsprojekten die Treibstoffgestehungskosten, auf die ja bei uns noch Steuern und Abgaben drauf kommen. Denn ein Liter Benzin hat in etwa den Energiegehalt von 9 kWh. Rechnet man das mal fünf als Effizienzziel, dann ist man bei 45 kwh Primärenergie, die heute knapp 14 Euro mit allen Abgaben kosten. Ich bezweifele aber das man den so erzeugten Sprit ohne Steuern verkaufen wird.<\/p>\n Was aber auch dieses Projekt ausblendet, ist woher der Strom für den ganzen Treibstoff kommen soll. Man braucht ja noch mehr als für Elektroautos, die immerhin auf 70 bis 80 % Effizienz bei \u201ewell to Wheel\u201c kommen, also den größten Teil der Energie die im Strom steckt auch als Antriebsenergie umsetzen. Das ist auch ein vlinder Fleck der Bundesregierung, die sich 1 Million Elektrofahrzeuge bis 2020 als Ziel gesetzt hat.<\/a> Obwohl das Ziel nicht erreicht wurde, ist es aber keine Lösung für das Ziel der deutlichen Reduktion der Kohlendioxidemissionen um 50 %. Der Verkehr ist der einzige Sektor, der überhaupt keine Emissionen senkte, sondern sogar zulegte. Kein Wunder, wenn die Leute SUV – die Abkürzung für „Selten unter vierzehn Liter“ kaufen. Die haben seit Jahren Zuwachsraten im Verkauf. Mal eine Abschätzung, nicht 100% genau aber er liefert ungefähr die Größenordnung. Wenn ich den mittleren Treibstoffverbrauch eines Golf mit 7 l\/100 km annehme und ein Tesla etwa 23 kWh pro 100 km verbraucht dann kann ich annehmen, das 1 l Benzin 3,3 kWh entsprechen, wenn es um die Fahrleistung geht. Deutschland benötigt für den Straßenverkehr 228 Millionen Hektoliter Benzin und 403 Millionen Hektoliter diesel. Die zusammen 631 Millionen Hektoliter entsprechen dann einer Energie von 208 Twh. Die kämen dann zum normalen Stromverbrauch von 512 TWh<\/a> hinzu also über 40 % mehr. Dabei ist nicht berücksichtigt, dass der Diesel effizienter ist und ein Großteil des Kraftstoffs auf Diesel entfällt. Das gilt vor allem für große Dieselmotoren wie in Lastwagen oder Bussen. Diese würden dann mehr Strom für die gleiche Antriebsleistung benötigen. Dieser Strom muss aber von irgendwo herkommen. Zwanzig Jahre nach der Einführung des EEG sind erneuerbare Energien bei knapp unter 50 % des Strombedarfs. Man müsste um weitere 40 bis 50 % Strom für die Mobilität (nur bei Elektroantrieb, entsprechend mehr bei Refuels oder Wasserstoff) zu erzeugen dreimal so viel Strom aus regenerativen Energiequellen gewinnen.<\/p>\n Wie wird die Zukunft aussehen? Niemand weiß das aber ich kann zumindest ein Konzept umreisen, das umsetzbar ist und das bezahlbare Mobilität erlaubt. Es ist nicht schwierig. Dei meisten Leute legen die meiste Strecke bei Fahrten zur Arbeit zurück. Würde man den ÖPNV so ausbauen das er eine Alternative zum Auto wird so würden viele dieser Einzelfahrten entfallen. Bei den Einzelfahrten könnte man durch informationstechnische Lösungen dafür sorgen, dass die Autos zumindest voll sind, indem man einfach jemanden mitnimmt, der in dieselbe Stadt muss und nahe bei einem wohnt. Für die kurzen Strecken wäre dann der Elektroantrieb ausreichend. In die Ferne könnte man bei einem besseren Schienennetz auch mit der Bahn reisen, ebenso wie die Bahn wie früher die meisten Güter transportieren kann und das effizienter als Lastwagen. Notfalls könnte sie sogar das E-Auto in den Urlaubsort bringen. Sinnvoller wäre es aber dort einfach dann ein Auto zu mieten, das dann wiederum elektrisch ist. So käme eine Privatperson, die in einer größeren Stadt wohnt \u2013 und das sind die meisten Bürger mit einem Elektroauto aus. Übrig blieben die Autos, die fast täglich größere Strecken am Tag zurücklegen. Das wären Transporte von Gütern über \u201edie letzte Meile(n)\u201c. Da ist der Wagen zu viel unterwegs, um ihn wie bei einem Elektrofahrzeug dauernd aufzuladen. Für diese Restmenge gäbe es dann die energetisch ineffizienten Lösungen wie Wasserstoff oder synthetische Treibstoffe. Die Politik hat es in der Hand darauf hinzuarbeiten, und zwar indem sie die Rahmenbedingungen setzt. Beim ÖPNV und Bahn ist sie selbst Anteilseigner der Firmen und müsste daher das Netz ausbauen. Dazu kann man den Druck auf Autofahrer erhöhen, indem man einfach das Parken in bestimmten Straßen verbietet und sie zu Einbahnstraßen erklärt. Dadurch gewinnt man eine komplette Fahrspur, die für Fahrradfahrer schon fast eine Autobahn ist. So würde Fahrradfahren, (das ja auch elektrisch erfolgen kann oder elektrische Motorroller für die welche nicht treten wollen) erheblich attraktiver und vor allem ungefährlicher. Tatsache ist aber, dass sich niemand mit Millionen von Autofahrern in der Politik anlegen will. Das geht so weit, das die AfD im laufenden Wahlkampf in BW sogar für Dieselautos wirbt, um dort Wählerstimmen abzugreifen. 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