Synthetische Kraftstoffe aus biogenen Abfallstoffen können fossile Energieträger ersetzen und ermöglichen dadurch kurzfristig eine siginifikante CO2-Reduktion im Verkehr.
Was sind synthetische Biokraftstoffe der neuesten Generation?
Im Rahmen verschiedener Projekte entwickelt Fraunhofer UMSICHT Verfahren (Biomass-to-Liquid, BtL-Verfahren) für die Herstellung »Synthetischer Kraftstoffe« der neuesten Generation aus heute verfügbaren Roh- und Reststoffquellen.
Im Gegensatz zu Biokraftstoffen der ersten und zweiten Generation ("Biodiesel") stehen fortschrittliche synthetische Kraftstoffe nicht im Konflikt mit der Nahrungsmittelerzeugung. Die Qualität der synthetischen Kraftstoffe aus biogenen Reststoffen kann die von Normkraftstoffen erreichen.
Bedarf an flüssigen synthetischen Kraftstoffen
Der Bedarf an flüssigen Energieträgern mit hoher Energiedichte wird auch zukünftig vorhanden sein. Insbesondere weil Verbrennungsmotoren trotz ihrer Emissionen auf absehbare Zeit auch weiterhin Verbreitung im Mobilitätssektor haben werden.
Auch wenn es gelingt, den Personenkraftfahrzeugverkehr in Deutschland weitgehend auf Elektromotoren umzustellen, verbleiben große Bereiche des Verkehrssektors, in denen ein rein batterieelektrischer Antrieb schwierig, wenn nicht gar unmöglich ist. Zu diesen Bereichen gehören der Flugverkehr, die Schifffahrt, landwirtschaftliche Transportmittel, ggf. auch Land- und Baumaschinen und der Schwerlastverkehr.
CO2-Reduktion mit Verbrennungsmotoren
Weiter ist zu klären, wie die verbleibenden Verbrennungsmotoren in ein Konzept zur CO2-Reduktion eingebunden werden, um die gesetzten Klimaschutzziele zu erreichen. Prognosen für 2030 gehen davon aus, dass – bei einem Bestand von dann 10 bis 13 Mio. Elektroautos – weiterhin über 70 Prozent der Fahrzeuge mit Verbrennungsmotoren ausgestattet sein werden.
Um in den genannten Bereichen eine signifikante Reduzierung der CO2-Emissionen zu erreichen, müssen Flüssigkraftstoffe mit hoher Energiedichte und mit niedrigem CO2-Footprint nachhaltig erzeugt werden, d.h. im Falle von synthetischen Biokraftstoffen darf die Produktion nicht in Konkurrenz mit der Nutzung landwirtschaftlicher Nutzfläche und damit der Erzeugung von Lebensmitteln stehen.
Dafür sollten kurz- und mittelfristig bevorzugt "reife" Technologien und vorhandene, nachhaltige Rohstoffe (z.B. biogene Rest- und Abfallstoffe oder CO2) zur Anwendung kommen.
Von Seiten des Gesetzgebers besteht in Hinblick auf die Neufassung der Erneuerbare-Energien-Richtlinie (RED II) zusätzlich Handlungsdruck, da eine Quote von fortschrittlichen synthetischen Kraftstoffen (Biokraftstoffe der nächsten Generation) von 3,5 Prozent bis 2030 angestrebt wird. Marktreife, kurzfristige Lösungen mit einem relevanten Einfluss auf THG-Emissionen sind heute allein mit synthetischen Kraftstoffen zu realisieren.
Verfahrensübersicht für die Herstellung von synthetischen Kraftstoffen
Synthetische Kraftstoffe, die in Verbrennungsmotoren eingesetzt werden können, lassen sich aus kohlenstoffhaltigen Rohstoffen synthetisieren. Als Rohstoffquelle eignet sich daher grundsätzlich auch CO2, z.B. aus Industrieabgasen, aber auch Biomassen mit einem Kohlenstoffanteil.
Im Falle der direkten Nutzung von CO2 wird Wasserstoff als Reaktionspartner benötigt, um daraus z.B. Methanol zu synthetisieren. Um Wasserstoff aus regenerativen Quellen zu erzeugen wird regenerative Energie benötigt, z.B. Strom aus Wind- oder PV-Anlagen. Man spricht in diesem Zusammenhang deshalb auch von E-Fuels (eFuels).
Bei der Herstellung von Kraftstoffen aus Biomasse können u. a. Vergärungs-, Vergasungs- oder Pyrolyseverfahren eingesetzt werden.
Bei Pyrolyseverfahren wird aus Biomasse durch Erhitzen unter weitgehendem Sauerstoffausschluss eine energiereiche Flüssigkeit gewonnen, je nach Verfahren ähnlich eines fossilen Rohöls, die zu Kraftstoffen verarbeitet werden kann.
Vergasungsverfahren liefern als Produkt zunächst ein sogenanntes »Synthesegas«, das mithilfe von Katalysatoren zu Biokraftstoffen umgesetzt werden kann. Mit sogenannten »Fischer-Tropsch-Verfahren« können Kraftstoffe aus Synthesegasen (u.a. aus der Biomassevergasung) hergestellt werden.
Eine weitere Möglichkeit besteht darin, Synthesegas biotechnologisch durch Enzyme oder Mikroorganismen zu Kohlenwasserstoffen umzusetzen.
Technische Verfahren zur Herstellung von Kraftstoffen aus Biomasse oder CO2 sind relativ weit entwickelt. Ihrer Umsetzung stehen oft weniger technische als wirtschaftliche, regulatorische, logistische oder ökologische Hemmnisse im Weg.
Verfügbarkeit von Biomasse für synthetische Kraftstoffe
Sowohl Biomasse aus Rest- und Abfallstoffen als auch die erschließbaren Potenziale regenerativen Stroms sind grundsätzlich begrenzt.
Allein in Deutschland gibt es allerdings ein technisches Potzenial von über 20 Millionen Tonnen ungenutzer biogener Rest- und Abfallstoffe, die sich prinzipiell für die Herstellung von synthetischen Kraftstoffen nutzen ließen.
TCR-Verfahren für die Herstellung von synthetischen Biokraftstoffen
Ein normgerechter synthetischer Kraftstoff aus Biomasse wird am Fraunhofer UMSICHT mittels thermo-chemischer Konversion nach dem patentierten TCR®-Verfahren (Thermo-Katalytisches-Reforming mittels intermediärer Pyrolyse) aus Reststoffen, wie beispielsweise aus Klärschlamm oder aus organischen Abfällen hergestellt.
Beim »thermo-katalytischen Reforming« (weitere Informationen: TCR-Verfahren) wird Rest- und Abfall-Biomasse in einem mehrstufigen Verfahren (u.a. mit einem intermediären Pyrolyseschritt) in hochwertiges Produktöl und Synthesegas umgewandelt.
Im Vergleich zu Pyrolyseölen aus anderen Verfahren ist das TCR-Öl thermisch stabil, mischbar mit fossilen Rohölen und somit als direkter Drop-In in der Raffinerie einsetzbar.
TCR-Biokraftstoffe können fossile Kraftstoffe 1:1 ersetzen
Synthetische Kraftstoffe aus dem TCR-Verfahren entsprechen in ihrer chemischen Zusammensetzung laut unabhängiger Laboranalysen den Spezifikationen nach EN590 (Diesel) bzw. EN228 (Benzin). Die Qualität wurde durch präzise Emissions- und Leistungsvermessungen auf Motorentestständen geprüft und von mehreren Automobilherstellern bestätigt. Der Kraftstoff kann somit ohne weitere Motorumbauten in Fahrzeugen genutzt werden.
Bei der Messung von Rohmotoremissionen wurde der Kraftstoff mit fossilem Diesel verglichen, um den Einfluss auf die Verbrennung, bei unveränderten Motorbetriebsparametern zu analysieren. Dabei wurde gezeigt, dass die Performance analog den fossilen Kraftstoffen ist und lediglich bei den Abgasemissionen leichte Unterschiede festzustellen sind. Bei NOx ist eine leichte Erhöhung; bei CO, CH und CO2 sind bereits bei dem genutzten 25 % Blend, eine Verbesserung, also ein Rückgang der Emissionen, erkennbar.
Im Gegensatz zu Alternativen wie Ethanol oder Biodiesel können die synthetischen Biokraftstoffe aus dem TCR-Verfahren unbegrenzt fossilem Kraftstoff beigemischt werden, es gibt hier keine Blend-Grenze. Er kann darüber hinaus als Drop-In-Kraftstoff, Heizölzusatz und Gerätebenzin in den Markt gebracht werden.
TCR-Biokraftstoffe sind CO2-neutral
Für den TCR®-Prozess wurde die Bilanzierung der THG-Emissionen auf Basis der „Methode zur Berechnung der durch die Verwendung von Biokraftstoffen erzielten Treibhausgasminderung anhand tatsächlicher Werte“ durchgeführt („Verordnung über Anforderungen an eine nachhaltige Herstellung von Biokraftstoffen“ (Biokraft-NachV), § 8 Abs. 2).
Die Kraftstoffe aus dem TCR®-Verfahren als Substitut für fossile Kraftstoffe können bei der Nutzung von Abfällen – im Berechnungsbeispiel für Klärschlamm – und der teilweisen Sequestrierung des Kohlenstoffs, der bei dem Verfahren in Form von Kohle entsteht, CO2-neutral hergestellt werden.
Wirtschaftlichkeit synthetischer Kraftstoffe
Nach ersten Wirtschaftlichkeitsberechnungen könnte der synthetische Kraftstoff (grüner Diesel und grünes Benzin) zu 75 Cent pro Liter (vor Steuern) hergestellt werden.
Eine weitere Kostensenkung durch die Hochskalierung der Technologien ist perspektivisch absehbar. Damit liegt der Preis zwar etwas oberhalb der Kosten von Ethanol und Biodiesel, aber dennoch deutlich unterhalb der Kosten für andere hochwertige synthetische Kraftstoffe bspw. aus PtX-Verfahren (2-5 €/l).
TCR-Technologie: Entwicklungsstand
Die aktuelle Anlagengeneration der TCR-Technologie am Fraunhofer Institut in Sulzbach-Rosenberg kann 300kg / Stunde an Einsatzstoff verarbeiten und damit ca. 30 Liter Kraftstoff pro Stunde erzeugen. Die nächste großtechnische Demonstrationsanlage befindet sich im Aufbau. (vgl. Projekt To-Syn-Fuel)
Wesentliche Forschungsarbeiten für das TCR®-Verfahren erfolgten im Rahmen des Centrums für Energiespeicherung, das vom Bayerischen Wirtschaftsministerium an den Fraunhofer-Standorten Sulzbach-Rosenberg und Straubing mit über 16 Mio. € gefördert wurde.
Testfahrzeug für synthetische Kraftstoffe »VW XL1«
Die bei Fraunhofer UMSICHT erzeugten Kraftstoffe werden auf Motorentestständen und in realen Testfahrzeugen auf Ihre PRaxistauglichkeit hin untersucht.
Das Leichtbaufahrzeug XL1 wurde in einer Kleinserie von 250 Exemplaren in den Jahren 2014 bis 2016 von VW entwickelt und gebaut.
Der hochmoderne Dieselmotor zeichnet sich durch den geringen Spritverbrauch (ca. 1,5 Liter / 100km).
