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Taugt E-Fuel etwas

E-Fuel ist im Gespräch. eFuel soll die Rettung für die Luftfahrt sein. Mit Solar- und Windkraft künstlich hergestellter Treibstoff soll die CO2-Bilanz deutlich nach unten drücken. Doch funktioniert das?

Synthetische Kraftstoffe, allen voran e-Fuels, können fossile Kraftstoffe ersetzen und so unabhängiger von Ölimporten machen. Wie weit die Entwicklung heute ist.

• Synthetische Kraftstoffe verlassen das Forschungsstadium

• Neuer Impuls: Porsche treibt Erprobung von E-Fuels im VW-Konzern voran

• Die Effizienz von E-Fuels bleibt umstritten, Kosten müssen runter

Benzin, Diesel, Elektro, Wasserstoff, synthetischer Sprit: Womit werden unsere Autos in Zukunft fahren? Eine Frage, die angesichts des geplanten Öl-Embargos gegen Russland und des Klimawandels viele beschäftigt.

Mit dem Pariser Klimaabkommen hat sich die Weltgemeinschaft auf Klimaschutzziele verständigt, die weitreichende Folgen haben. Fossile Energie soll durch regenerative ersetzt werden. Das bedeutet: Schiffe dürfen nicht mehr mit Schweröl fahren, Flugzeuge nicht mehr mit Kerosin fliegen und Fahrzeuge mit Verbrennungsmotoren sollen Elektroautos weichen. Zielpunkt ist das Jahr 2050. Was aber, wenn es morgen einen Kraftstoff gäbe, der sauber verbrennt,bezahlbar und klimaneutral hergestellt wird? Könnte man damit weiter konventionell Auto fahren, ohne das Klima zu beeinflussen? Um das zu klären, versuchen Forscher seit vielen Jahren, die unterschiedlichsten synthetischen Kraftstoffe zu entwickeln.

Woraus besteht E-Fuel

Zunächst hatten Forscher untersucht, ob sich aus nachwachsenden Rohstoffen wie Mais, Raps, Weizen und Palmöl Kraftstoffe für Otto- und Dieselmotoren erzeugen lassen. Doch schnell zeigte sich, dass hier erhebliche Umweltprobleme folgen. So wurden und werden in Asien und Südamerika Urwälder für Palmölplantagen gerodet – zwar in erster Linie für Kosmetik und Lebensmittel, aber eben auch für Kraftstoffbeimischungen.

Nach wenig Erfolg versprechenden Versuchen mit Abfall, Reststoffen oder auch Algen arbeiten Experten nun mit synthetischen Kraftstoffen, die auf Wasserstoff als Grundprodukt setzen. Denn dieser hat den entscheidenden Vorteil, in der Natur nahezu unendlich vorhanden zu sein und außerdem klimaneutral hergestellt werden zu können. Da Wasserstoff per Elektrolyse von Wasser mithilfe von (regenerativem!) Strom freigesetzt wird, reden Wissenschaftler hier von «strombasierten Kraftstoffen» bzw. von E-Fuels oder Power-to-X.

Vorteile von E-Fuel

Wasserstoff und alle auf Wasserstoff basierenden E-Fuels können praktisch ohne Mengenbegrenzung hergestellt werden und verbrennen im Vergleich zu herkömmlichem Benzin und Diesel recht sauber. Idealerweise wären sie auch in den Bestandsfahrzeugen, also Benzin- und Diesel-Pkw einsetzbar. Damit an deren Motoren keine Schäden auftreten, müssten die Eigenschaften von E-Fuels allerdings innerhalb der Normen für Diesel und Benzin liegen. Inzwischen gibt es für sie auch eine extra Norm: EN 15940. Motoren in Neufahrzeugen müssten grundsätzlich für synthetischen Sprit ausgelegt werden. Praktisch: E-Fuels ließen sich über das bestehende Tankstellennetz vertreiben.

Können Benziner und Diesel mit E-Fuel fahren?

Sowohl Benzin als auch Diesel bestehen aus Kohlenwasserstoffverbindungen (CH). Daher sind beide Kraftstoffe als E-Fuel darstellbar. Aus Wasserstoff und CO2 lassen sich synthetischer Diesel und synthetisches Benzin herstellen. Beides lässt sich seinem fossilen Pendant beimischen und könnte so die CO2-Emissionen rechnerisch entsprechend senken.

Auch synthetisches Gas ist machbar. Letzteres entsteht derzeit aber nur in geringen Mengen, vor allem in der Forschung. Nur Audi betreibt in Werlte (Norddeutschland) mit Industriepartnern eine grössere Anlage, die klimaneutrales, synthetisches E-Gas produziert. Die Anlage speist das synthetische Gas aber ins Erdgasnetz ein. Die Anbieter verrechnen damit, was Kunden von Audi bzw. des VW-Konzerns in ihren Erdgasfahrzeugen tanken. Das Ganze funktioniert also nur bilanziell. Ausser in kleinen Versuchsflotten kommen bislang weder strombasiertes Benzin noch strombasierter Diesel physisch im Verkehr zur Anwendung.

Audis Idee mit synthetischem Gas

Audi hat im Vergleich zu anderen Autoherstellern einen entscheidenden Vorteil, wenn es um die Produktion von synthetischen Kraftstoffen geht. Seit Jahren betreibt die Marke im norddeutschen Erlte die weltweit erste Anlage, in der synthetisches Erdgas erzeugt wird. Das Methangas wird für die g-tron-Modelle von Audi hergestellt, die sowohl mit Benzin als auch mit e-Gas fahren. Vieles deutet jedoch darauf hin, dass Audi seine Aktivitäten hinsichtlich alternativer Kraftstoffe stark einschränkt, vielleicht sogar ganz auslaufen lässt.

Für Neukunden kann Audi derzeit aus Kapazitätsgründen kein Angebot machen, dass sie mit Audi e-Gas fahren. Aktivitäten in der Schweiz werden von Audi zudem geprüft. Im Aargau wollte Audi eine grosse Anlage zur Herstellung von synthetischem Diesel bauen. Der Baubeginn wurde mehrmals verschoben, nun ist der Projektpartner ausgestiegen. Die Konzernmutter VW hatte das Ende gasbetriebener Autos bereits angekündigt. Darin war Volkswagen eigentlich stark, doch der Konzern will sich künftig vollständig auf batterieelektrische Fahrzeuge konzentrieren. Vertut er eine grosse Chance, auch für die Umwelt?

Effizienz von E-Fuel

Aufgrund der zahlreichen einzelnen Schritte fallen bei der Herstellung von E-Fuels hohe Wirkungsverluste an. Von der im Prozess eingesetzten Energie bleiben in der «Well-to-Wheel»-Betrachtung am Ende nur zehn bis 15 Prozent übrig. Zum Vergleich: Im Elektroauto kommen 70 bis 80 Prozent der Ausgangs-Energie am Rad an. Deshalb stellt sich natürlich die Frage nach der Sinnhaftigkeit.

Was würde ein Liter E-Fuel eigentlich kosten?

Stand heute wären für einen Liter synthetischen Kraftstoffs circa 5 Franken in der Herstellung fällig. Optimistische Prognosen wie die des Wuppertal Instituts gehen davon aus, dass im Jahr 2030 ein Preis von 3 Franken inkl. Steuern möglich wäre. Klar ist: Trotz des generell gewachsenen ökologischen Bewusstseins werden die meisten Kunden E-Fuels nur akzeptieren, wenn der Preis stimmt.

Der extrem hohe Stromverbrauch ist das Problem

Das Problem von E-Fuels ist deren Stromverbrauch in der Herstellung. Um synthetischen Sprit für eine Strecke von 100 Kilometern herzustellen, brauchen mandie gleiche Menge Strom, die für 700 Kilometer in einem batterieelektrischen Auto reicht. Der Grund für den hohen Energieverbrauch sind die Prozessketten der Produktion. Während fossile Kraftstoffe auf Basis von Rohstoffen entstehen, die vorher aus dem Boden gefördert wurden (Erdöl ist die Basis für Benzin oder Diesel), produzieren grosse, Raffinerie-ähnliche Anlagen E-Fuels in einem chemischen Produktionsprozess aus anorganischen Bestandteilen. Fossile Brennstoffe und E-Fuels bestehen aus Kohlenwasserstoffen (CH). Allerdings stammt der Wasserstoff (H2) für E-Fuels aus einem Elektrolyse-Prozess, der sich mit grünem Strom betreiben lässt. Solche strombasierten Kraftstoffe tragen daher die Bezeichnung E-Fuels (Electric) oder Power-to-Liquid (PtL). Der Kohlenstoff (C) darin stammt aus CO2, idealerweise aus dem in der Atmosphäre. Das ganze funktioniert auch mit Gas als Endprodukt (Power to Gas), der Sammelbegriff ist Power to X (PtX).

Für massenhaft grünen und CO2-Neutralen E-Fuel bräuchte man also auch massenhaft Windräder und Photovoltaik. Viele Experten bezweifeln, dass das möglich ist. Um ein Prozent des heutigen Verbrauchs von fossilem Sprit im Verkehrssektor durch E-Fuels zu ersetzen, würden für dessen Herstellung in der Schweiz alleine vermutlich mehr als 300 Windräder benötigt. Laut Bundesverband Windenergie gibt es in der Schweiz aktuell 55 Windkraftanlagen. Um also auch nur paar wenige Prozent der Autos mit E-Fuels zu betreiben, müssten zusätzlich zum ohnehin vorgesehenen Ausbau der Windkraft noch zahlreiche weitere Windräder gebaut werden. Dabei stockt der Ausbau schon jetzt.

Woher kommt das CO2, welches für die Produktion benötigt wird?

CO2 entsteht in der Industrie nicht nur bei der Verbrennung fossiler Energieträger, sondern beispielsweise auch bei der Herstellung von Ammoniak. Dieses CO2 lässt sich extrahieren und verflüssigt in Flaschen verkaufen und beispielsweise zur Herstellung von sprudelndem Wasser verwenden. Für die Herstellung von E-Fuels sind allerdings beträchtliche Mengen an CO2 nötig. Diese Menge aus der Atmosphäre zu gewinnen (Direct Air Capture, DAC), wäre klimaneutral, wenn es mit Wind- oder Solarkraft erfolgen würde. Allerdings ist die Abscheidung von CO2 aus der Luft sehr energieintensiv und teuer. Eine Studie von 2018 spricht je nach Verfahren von etwa 500 Euro pro Tonne und einem möglichen Zielpreis von 120 Franken im Jahr 2030. Hinzu kommt ein grosser Flächenbedarf. Will man alleine 1 Prozent der weltweiten CO2-Emissionen (350 Mt) mittels DAC abtrennen, wären hierfür um die 400.000 Anlagen nötig – bei 50 Prozent der Emissionen entsprechend 20 Millionen, was von der Anlagenmenge her knapp einem Drittel der derzeitigen weltweiten Automobilproduktion entspräche.

Natürlich ist zur Produktion von E-Fuels nicht annähernd so viel CO2 nötig, aber um CO2 im grossen Massstab aus der Atmosphäre gewinnen zu können, scheint noch einiges an Aufwand nötig. Die DAC-Anlagen des Schweizer Unternehmens Climeworks, einer Ausgründung der ETH Zürich, entnimmt der Luft nach eigenen Angaben jährlich 900 Tonnen CO2. Zum Vergleich: 2019 emittierte der Verkehr in der Schweiz gut 14 Millionen Tonnen CO2 alleine durch den Verkehr. Für die Schweiz alleine bräuchte es somit 15’555 solcher DAC-Anlagen.

E-Fuel als Option für Flugzeuge, Schiffe und Lkw

Wenn E-Fuels industriell hergestellt werden, dann wird das dort passieren, wo günstig erneuerbarer Strom erzeugt wird. Beispielsweise in Norwegen oder Chile, wo der Wind kräftig weht. Oder in Nordafrika und im Nahen Osten, wo es genügend Sonne und Flächen für Solaranlagen gibt. Dass vor allem die Mineralölindustrie E-Fuels forciert, ist logisch: Wenn viele Fahrzeuge im Verkehr elektrifiziert werden, verliert sie ihren wichtigsten Kunden. Weil der E-Kraftstoff auf absehbare Zeit knapp und teuer bleiben wird,  sollte synthetischer Sprit zweckgerichtet eingesetzt werden. E-Fuels helfen Emissionen überall dort zu reduzieren, wo Alternativen nicht zur Verfügung stehen: im Verkehr bei Flugzeugen und Schiffen. Also überall dort, wo flüssige oder gasförmige Energieträger gebraucht werden und Strom nicht direkt genutzt werden kann, weil Akkus zu schwer und Reichweiten zu gering sind.

Schadstoffe

Aber was ist mit den Schadstoffen? Schliesslich bestehen sie auch aus Kohlenwasserstoffen und ihr Vorteil besteht ja eben darin, dass sie in denselben Motoren auf dieselbe Weise verbrennen wie ihre fossilen Pendants. Andererseits wäre es durch die Herstellung im Labor tatsächlich denkbar, Kraftstoffe zu erzeugen, die sauberer verbrennen als Diesel und Benzin fossilen Ursprungs – der ADAC etwa behauptet, E-Fuels würden im Vergleich zu herkömmlichem Benzin und Diesel recht sauber verbrennen.

Als Dachorganisation für nichtstaatliche Organisationen aus Europa, die sich für einen nachhaltigen Verkehr einsetzen, wollte Traffic & Environment (T&E) wissen, ob das tatsächlich so ist – ob also synthetische Kraftstoffe sauberer verbrennen als fossile. Darum beauftragte T&E das französische Forschungsinstitut IFP Énergies nouvelles (IFPEN), die Schadstoffemissionen von mit E-Fuels betrieben Verbrennerfahrzeugen zu messen. Man konzentrierte sich auf synthetischen Ottokraftstoff, da zu Diesel bereits eine Untersuchung der Organisation Concawe vorlag.

Allerdings ist synthetischer Ottokraftstoff derzeit noch gar nicht zu bekommen. Das IPFEN musste die knapp 100 Liter selbst herstellen. Es entstanden drei Sorten: zu 100 Prozent synthetisches Benzin und zwei Sorten mit Zusätzen zur besseren Verbrennung. Für die Tests fand vor allem synthetisches Benzin mit 10 Prozent Ethanol-Anteil Verwendung, wie es aktuell als Super E10 nach der Norm EN228 im Handel ist. Als Testfahrzeug diente ein Mercedes A180 mit 1,3-Liter-Turbomotor, Otto-Partikelfliter und manuellem 6-Gang-Getriebe. Das Auto war Baujahr 2019, vorschriftsmässig gewartet und hatte 17.000 Kilometer auf dem Tacho. Mit diesem Fahrzeug fuhr IPFEN im Labor WLTP-Zyklen und RDE-Runden (Real Driving Emissions).

Ergebnis

Ein mit E-Fuel betriebener Pkw stösst ebenso viele giftige Stickstoffoxide aus wie ein mit herkömmlichem E10-Kraftstoff betriebener, so T&E. Zur Einordnung: Stickoxide (NOx) sind das Hauptproblem der verkehrsbedingten Emissionen vor allem für die Stadtluft. Ihre wirksame Reduzierung kam erst mit Einführung der Abgasnorm Euro 6d Temp nach dem Abgasskandal signifikant voran. Dass die Verbrennung von E-Fuels nicht weniger davon emittiert, leuchtet ein: Die Verbindung aus den Haupt-Luftbestandteilen Stockstoff und Sauerstoff (N, O) entsteht vor allem bei hohen Temperaturen, wie sie im Brennraum von Motoren vorkommen; sie halten sich besonders gut im Abgas, wenn es sehr schnell abkühlt.

Bei der Verbrennung von synthetischem Benzin entstehe laut T&E zudem im Vergleich zu normalem Benzin fast dreimal so viel Kohlenmonoxid; es gilt als gesundheitsschädlich und beeinträchtigt die Sauerstoffversorgung von Herz und Gehirn. Bei T&E stiess der mit E-Fuel betriebene Pkw ausserdem bis zu zweimal mehr Ammoniak aus. Der kann sich mit anderen Teilchen in der Luft zu Feinstaub-Partikeln (PM2,5) verbinden, für die es keinen ausreichenden Grenzwert gibt. Zu den Gesundheitsrisiken von PM2,5 gehören Asthma, Herzkrankheiten und Krebs. Einzig die Partikelemissionen sanken bei der Verwendung von E-Fuels im von T & E beauftragten Test.

Laut den von T&E in Auftrag gegebenen Tests enthält das Abgas eines mit E-Fuel betriebenen Benziners zwar erheblich weniger Partikel, aber genauso viel Stickoxide und sogar mehr Kohlenmonoxid sowie Ammoniak.

CO2 emittieren Fahrzeuge, die mit E-Fuels betrieben werden, zwar nicht mehr, als sie bei Ihrer Synthese idealerweise aus der Atmosphäre gebunden haben. Aber die CO2-Bilanz hat den enorm hohen Bedarf von grünem Strom als Pferdefuss.

Die ganze Studie kann hier heruntergeladen werden.