Erneuerbare Kraftstoffe für Flugzeug, Schiff und Straßenfahrzeuge

Kerosin, Benzin, Diesel, Schweröl – fossile Kraftstoffe sind aus unserer Welt nicht wegzudenken. Ohne sie käme der Verkehr zu Land, zu Wasser und in der Luft zum Erliegen. Zugleich bewirkt ihre Verbrennung einen hohen Kohlendioxidausstoß. Die Firma Sunfire in Dresden hat nun eine Anlage entwickelt, mit der sich erneuerbare Kraftstoffe herstellen lassen – aus Luft, Wasser und Strom. Es ist die erste Power-to-liquid-Anlage in Deutschland.

Naphta, Diesel, Wachs - das produziert die Power-to-liquid-Anlage in Dresden. Aber nicht auf Basis von fossilen sondern erneuerbaren Quellen. Fotos (2): Rutschmann

Naphta, Diesel, Wachs produziert die Sunfire GmbH. Aber nicht auf Basis von fossilen sondern erneuerbaren Quellen. Fotos (2): Rutschmann

Erdöl ist ein elementarer Bestandteil unseres Lebens. Ohne Erdöl könnten Flugzeuge nicht fliegen, Frachter die Weltmeere nicht kreuzen und eine Reihe von Kunststoffen nicht hergestellt werden. Aber Erdöl ist endlich und seine Verbrennung belastet das Klima. Ein Fünftel der energiebedingten Kohlendioxidemissionen stammen in Deutschland aus dem Verkehrssektor, vorrangig aus dem Straßenverkehr. 154 Millionen Tonnen waren es im Jahr 2012. Diesen Ausstoß zu unterbinden, ist auch Teil der Energiewende.

Bei Personenfahrzeugen gibt es bereits Lösungen – mit (regenerativ erzeugtem) Wasserstoff und Strom lassen sich Autos gleichfalls antreiben. Sie sind allerdings in ihrer Reichweite stärker beschränkt als Fahrzeuge mit Verbrennungsmotor. Anders sieht es bei schweren Maschinen aus, die lange Strecken zurücklegen müssen: Flugzeuge, Schiffe und Lastwagen sind auf Mineralöle angewiesen. Große Hoffnungen liegen daher auf Power-to-liquid-Verfahren: Diese wandeln elektrische Energie in synthetische Kraftstoffe. In Dresden ging vorige Woche die erste Pilotanlage in Deutschland in Betrieb.

Erdölersatz aus Strom, Kohlendioxid und Wasser

Errichtet hat sie die Firma Sunfire GmbH. Diese wurde vor vier Jahren gegründet, hat 71 Mitarbeiter und spezialisierte sich zunächst auf die Herstellung von Brennstoffzellen. Vor zweieinhalb Jahren begann sie die Power-to-liquid-Anlage zu planen. Welche Bedeutung ihr beigemessen wird, verdeutlichte der Medienansturm zur Einweihung und dass Bundesforschungsministerin Johanna Wanka (CDU) vor Ort war.

Das, was die Anlage leisten soll, klingt denn auch sagenhaft: Sie erzeugt aus Strom, Kohlendioxid und Wasser langkettige Kohlenwasserstoffe, aus denen jedes Mineralöl aufgebaut ist. „Das Endprodukt entspricht Rohöl“, sagt Carl Berninghausen. Er ist einer von zwei Geschäftsführern und hat Sunfire mitgegründet. Bis zu 159 Liter Rohölersatz kann die Pilotanlage am Tag herstellen. Das Produkt kann in gewöhnlichen Raffinieren zu Kraftstoffen veredelt werden. „Man würde im ersten Schritt flüssige und gasförmige Stoffe trennen und dann das Wasser abtrennen“, sagt Berningshausen, „im nächsten Schritt dann die verschieden langen Kohlenwasserstoffketten, also zuerst die leicht flüssigen Benzine, dann Kerosin, Diesel, Schweröl.“

Vorteile synthetischer Kraftstoffe: Sauber und CO2-neutral

Die synthetischen Kraftstoffe haben den gleichen Energiegehalt wie ihre fossilen Pendants und einen Vorteil: „Die Verbrennung des Kraftstoffs ist sauberer, weil es keine Verunreinigung eines natürlichen Mineralöls mit sich bringt“, sagt Hagen Seifert, Leiter Neue Werkstoffe, Erneuerbare Energien, Umweltbilanzen bei Audi. Der Automobilhersteller hat mit Sunfire vereinbart, die ersten Kraftstoffe aus der Power-to-liquid-Anlage abzunehmen. Eine kleine Flotte von Autos soll damit betankt werden.

Wann die ersten synthetischen Kraftstoffe vorliegen werden, möchte Sunfire nicht prognostizieren: Noch sind nicht alle Prozesse in der Anlage aktiviert worden – die Firma wird sie nach und nach zuschalten und so lange an den Einstellungen der Prozessparameter feilen, bis das gewünschte Produkt vorliegt.

Dreistufiges, energieintensives Herstellungsverfahren

Erzeugt werden die Kraftstoffe in drei Schritten, die allesamt seit rund 100 Jahren bekannt sind. Die Anlage verbindet die einzelnen Prozesse zu einem Gesamtprozess: Zuerst wird Wasserdampf per Elektrolyse bei mehr als 850 Grad Celsius in Wasserstoff und Sauerstoff gespalten. Der Sauerstoff wird über einen Wärmetauscher an die Umgebung abgegeben, der Wasserstoff verbleibt in der Anlage – er strömt in einen sechs Meter hohen schmalen Reaktor. Dort wird für eine zweite Reaktion verdichtetes Kohlendioxid eingeleitet und die Gase weiter auf 950 Grad Celsius elektrisch geheizt. Das Kohlendioxid wird zu Kohlenmonoxid reduziert. Zudem fällt Wasserdampf an, der zur Elektrolyse zurückströmt. Da wesentlich mehr Wasserstoff im ersten Schritt erzeugt wird, als mit Kohlendioxid reagieren kann, verbleibt ein Teil reinen Wasserstoffs im Reaktor und vermischt sich mit dem erzeugten Kohlenmonoxid zu Synthesegas. Bis hier entspricht der Ablauf ungefähr jeder Power-to-gas-Anlage, die zumeist Methan als Endprodukt anstrebt.

14 Meter hoch und 14 Meter breit: Die Power-to-liquid-Anlage gleicht einem riesigen Maschinenhaus. Nicht im Bild ist der Elektrolyseur - er befindet sich außerhalb des Gebäudes.

14 Meter hoch, 14 Meter breit: Die Power-to-liquid-Anlage gleicht einem Maschinenhaus.

Bei Power to liquid sollen aber keine Gase am Ende des Prozesses stehen sondern flüssige Kraftstoffe. Dazu wird das Synthesegas in einen weiteren Reaktor geleitet. Dort reagiert es bei etwa 220 Grad Celsius und einem Druck von rund 20 bar zu langkettigen Kohlenwasserstoffen. Fischer-Tropsch-Synthese nennt sich das Verfahren. Sunfire hätte unterschiedliche Prozesse an die Synthesegasgewinnung anschließen können. Man habe sich für die Fischer-Tropsch-Synthese entschieden, „weil sie das Produkt liefert, das äquivalent ist zu Rohöl“, sagt Berninghausen, „aber mit dem Unterschied: Es ist erneuerbar.“

Durch Abwärmenutzung erhöht sich Wirkungsgrad auf bis zu 70 Prozent

Auch beim letzten Prozess fällt Wasserdampf als Nebenprodukt an, der gleichfalls zur Elektrolyse zurückströmt. Die Nutzung von Wasserdampf in der Anlage anstelle von flüssigem Wasser ist eine Innovation von Sunfire, die sich die Firma patentieren lassen hat und die ordentlich Strom einspart. Der Wirkungsgrad erhöht sich damit von rund 55 auf 65 bis 70 Prozent, sagt Christian von Olshausen, ebenfalls Geschäftsführer und Technikchef bei der Firma.

Das verwendete Kohlendioxid stammt derzeit aus Biogasanlagen. Später möchte Sunfire es von der Schweizer Firma Climeworks AG zukaufen: Diese entnimmt das Gas der Luft und verdichtet es. Damit ergibt sich ein geschlossener Kreislauf: Kohlendioxid wird in synthetischen Kraftstoffen gebunden und bei deren Verfeuerung wieder freigesetzt. Damit ist der Prozess CO2-neutral – das Klima wird nicht zusätzlich belastet.

Synthetische Kraftstoffe werden erst einmal teurer als fossile sein

So gut das alles klingt – die synthetischen Kraftstoffe werden vergleichsweise teuer sein. Für eine industrielle Anlage, die Sunfire in etwa drei Jahren anbieten will, rechnet die Firma mit Herstellungskosten zwischen einem Euro und 1,30 Euro pro Liter. Zum Vergleich: Der Preis für einen Liter Rohöl liegt derzeit bei rund 50 Cent. „Es macht keinen Sinn, erneuerbaren Kraftstoff und fossilen Kraftstoff kostenmäßig miteinander zu vergleichen“, sagt Berninghausen, „aber wenn man die erneuerbaren Varianten miteinander vergleicht, ist das, was wir hier machen, sehr bald wettbewerbsfähig.“

Der Bedarf an erneuerbaren Brennstoffen werde so groß sein, wie Deutschland und die Welt den Bedarf sehe, erneuerbar zu werden. „Das ist eine politische Entscheidung“, betont er. Weder Berninghausen noch von Olshausen sprechen es aus, aber: Erneuerbare Kraftstoffe können sich wohl nur dann am Markt durchsetzen, wenn es Anreize geben wird. Beispielsweise eine andere Besteuerung der erneuerbaren gegenüber den fossilen Brennstoffen. Oder eine Anerkennung des Einsatzes bei der Emissionsgesetzgebung für die Automobilbauer, sagt Seifert von Audi. „Es ist ja nicht so, dass wir in den Boden hineingreifen und etwas rausholen, sondern wir müssen erst mal investieren.“

Anlage lässt sich auch als Strombereitsteller fahren

Damit sich die Power-to-liquid-Anlage dennoch lohnen kann, hat sich Sunfire eine zweite Innovation einfallen lassen: Die Elektrolyse ist umkehrbar. Im reversiblen Modus gefahren, wirkt sie wie eine Brennstoffzelle: Der zuvor erzeugte Wasserstoff reagiert mit zugeleitetem Sauerstoff wieder zu Wasser – und elektrische Energie wird freigesetzt. Auf diese Weise kann die Anlage auch als Stromspeicher dienen und Energie bereitstellen, wenn diese gebraucht wird. Damit kann ein Betreiber einer Anlage dem Netzbetreiber Systemdienstleistungen anbieten und zusätzliche Erlöse generieren. In spätestens 20 Jahren braucht Deutschland Speicher, soll der Anteil grüner Energie in der Versorgung weiter wachsen, besagt die Speicherstudie von Agora Energiewende. Vielleicht ist es aber auch schon früher der Fall.




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