Flüssiger Kraftstoff, synthetisch hergestellt

Die Umwandlung von elektrischer Energie in flüssige Kraftstoffe hört auf den Namen Power-to-Liquid. Ziel ist es, durch den Einsatz grün erzeugten Stroms CO2-neutrale Kraftstoffe für die Sektoren zu gewinnen, die auf Flüssigkraftstoff nicht verzichten können, wie etwa die Luftfahrt. Das Verfahren birgt großes Potenzial – es gibt jedoch auch einige Herausforderungen.

Während die Transformation des Autoverkehrs vorwiegend durch Elektromobilität bestritten wird, ist die Situation in Luftfahrt und Logistik eine andere: Akkumulatoren sind für einen Einsatz im Flugzeug entweder zu schwach oder zu schwer und teuer. Die Lösung wird einerseits in der Brennstoffzelle und andererseits in der Verwendung synthetischer Kraftstoffe gesucht, beide basierend auf dem Sekundärenergieträger Wasserstoff. Ein vielversprechendes Verfahren, das von der Bundesregierung gefördert und von renommierten Instituten erforscht wird, ist das Verfahren „Power-to-Liquid“: Elektrische Energie wird zu flüssigem Kraftstoff. Gerade im Hinblick auf die Aussicht, dass Wind- und Sonnenenergie in Zukunft weiterhin phasenweise Überschüsse erzielen werden, entsteht so ein neues Abnehmerfeld.

Was nach einem komplizierten Prozess klingt, ist tatsächlich eine Abfolge einfacher chemischer Reaktionen. Per Elektrolyse wird Wasser in H2 und O gespalten, dem Wasserstoff wird in einer Art Katalysator CO2 zugeführt, wodurch Synthesegas entsteht. Unter Druck und hoher Temperatur wird dieses bei der sogenannten Fischer-Tropsch-Synthese (FTS) zu Kohlenwasserstoffen, die im letzten Schritt separiert werden. Unter diesen finden sich unter anderem Benzin, Diesel und Kerosin: die Treibstoffe also, die einst für eine Revolution der individuellen Fortbewegung standen und heute – aus endlichen Ressourcen hergestellt – für einen beträchtlichen Anteil am globalen CO2- und Stickstoffausstoß verantwortlich sind. Für eine Nutzung von PtL-Kraftstoffen ist also vorerst keine Umrüstung vonnöten; synthetisch erzeugtes Kerosin kann dem fossilen Vorgänger problemlos beigemischt werden. Die Praxistauglichkeit des Kraftstoffs ist bereits erprobt, die großflächige Anwendbarkeit hängt von vielen weiteren Faktoren ab, die noch untersucht werden. Dazu gehört auch, ob die FTS das ergiebigste Herstellungsverfahren ist. Alternativ wird die Methanolsynthese angewandt, bei der das Synthesegas in Methanol umgewandelt wird; der Energieverlust fällt hierbei etwas geringer aus, der Wirkungsgrad ist dementsprechend höher.

Der Wirkungsgrad ist in der Diskussion der Anwendbarkeit von PtL eine wichtige Kenngröße. Er beschreibt den Heizwert der erzeugten Produkte im Verhältnis zur eingesetzten Energiemenge und liegt für die PtL-Prozesskette in der Größenordnung um 40 %, was bereits indiziert, dass gewisse Verluste nicht zu vermeiden sind. Aus diesem Grund ist die Herkunft der genutzten Energie von entscheidender Bedeutung, schließlich ergibt es wenig Sinn, neuproduzierten Strom zu verwenden, wenn etwa die Hälfte verloren wird. Hier bietet es sich also an, erwirtschaftete Überschüsse zu nutzen, die ansonsten verfallen. Gleichermaßen ist wichtig, in welcher Form das zur Herstellung von Synthesegas notwendige CO2 vorliegt. Wird es beispielsweise aus Biomasse gewonnen, in der es in bereits konzentrierter Form auftritt, ist eine vollständig treibhausgasneutrale Energieversorgung möglich. Doch auch die Nutzung von CO2 aus fossilen Verbrennungsprozessen ist technisch machbar und würde zumindest eine doppelte Nutzung bei gleichem Ausstoß gewährleisten.

Sofern die Möglichkeit besteht, ist ein rein batterieelektrischer Antrieb ökologischer als PtL, da die gesamte eingespeiste Energie umgesetzt werden kann. In einigen Anwendungen ist die Nutzung gespeicherter elektrischer Energie allerdings aus Gewichts- oder Leistungsgründen nicht möglich. Hier sind Flüssigkraftstoffe essenziell. Daher haben sich Politik und Wirtschaft gemeinsam auf eine PtL-Roadmap für den Luftverkehr verständigt, die im April 2021 von der Bundesregierung herausgegeben wurde. Das Ziel ist klar formuliert: Die Produktion von PtL-Kerosin soll in den nächsten Jahren auf- und ausgebaut werden. Das Vorhaben reiht sich in die Nationale Wasserstoffstrategie sowie das Pariser Abkommen und den Green Deal der EU ein. Bis zum Jahr 2030 sollen mindestens 200.000 Tonnen im deutschen Luftverkehr genutzt werden können. Die CO2-Emissionen im Verkehrssektor sollen bis 2030 um 42 % gegenüber 1990 gesenkt werden, weshalb jeder Sektor miteinbezogen werden muss: So wird der Antrieb von Flugzeugen mit synthetischem Kerosin begleitet von Anstrengungen, den Flugverkehr generell zu vermindern, indem die Bedingungen für den Schienenverkehr verbessert werden.

Power-to-Liquid hat das Potenzial, bestimmte Sektoren klimafreundlich zu gestalten, die bisher noch große Emissionstreiber sind. Hierfür müssen jedoch einige Voraussetzungen gegeben sein, damit die Nutzung ökologisch sinnvoll ist: Allen voran muss der Strom, der zur Herstellung des Kraftstoffs verwendet wird, aus erneuerbaren Energien stammen. Außerdem muss das CO2, das bei der Synthesegaserzeugung mit Wasserstoff reagiert, bereits in der Atmosphäre vorhanden sein. Da PtL-Kerosin herkömmlichem Brennstoff beigemischt werden kann, ist ein Umstieg sukzessive möglich, je nach Vorrat und Bedarf. Unter den jetzigen Rahmenbedingungen ist es weder am Markt etabliert noch wettbewerbsfähig, wie es vonseiten der Bundesregierung heißt. Das soll sich jedoch schon in naher Zukunft ändern.