Synthetische Brennstoffe von Morgen: Pack die Zukunft in den Tank!

Wie werden wir in Zukunft heizen? Eine Antwort aus der Wissenschaft: mit E-Fuels, also synthetisch hergestellten, flüssigen Brennstoffen. Sie sichern die Versorgung langfristig – und zwar klimaneutral. Einblicke in ein faszinierendes Forschungsfeld.

Der Klimaschutz gehört zu den wichtigsten gesellschaftlichen Aufgaben der kommenden Jahre. Deutschland hat engagierte Klimaziele und will seine Emissionen an Treibhausgasen (THG) drastisch senken. Damit ein hoch industrialisiertes Land wie die Bundesrepublik dieses selbst gesetzte Klimaziel erreichen kann, braucht es viel Hirnschmalz, Kreativität und Erfindergeist. Denn – und da sind sich die Experten weitgehend einig – durch die eine große Lösung wird sich die Energiewende nicht gestalten lassen.

Vielmehr wird die Zukunft der Energieversorgung auf absehbare Zeit aus einem intelligenten Mix verschiedener Technologien bestehen. Neben regenerativen Energien aus Wasser, Wind und Sonne werden wir zusätzlich auch auf flüssige Kraft- und Brennstoffe angewiesen sein. In der Forschung gibt es deshalb schon seit Jahren einen packenden Wettbewerb um die besten Lösungen für die sauberste Energiegewinnung von Morgen.

Was sind synthetische Brennstoffe?

Einen wichtigen Beitrag dazu leisten synthetisch hergestellte flüssige Kraft- und Brennstoffe. Sie haben die gleichen Eigenschaften wie ihre herkömmlichen Vorgänger: Deshalb können sie auch mit der heutigen Technik gespeichert, transportiert und in Energie umwandelt werden. Unter Klimagesichtspunkten lassen sie ihre Ahnen wie Erdöl, Erdgas oder Kohle jedoch alt aussehen: denn synthetische Brennstoffe sind weitgehend klimaneutral. Bei ihrer Herstellung wird der Umwelt genauso viel CO2 entnommen wie bei der Verbrennung anschließend wieder freigesetzt wird.

Synthetische Kraft- und Brennstoffe können durch drei verschiedene Verfahren erzeugt werden:

  • Power-to-Liquid (PtL): Der Grundstoff dieser Technologie ist Strom. Das Prinzip dahinter dürfte selbst technisch weniger versierten Laien noch aus der Schule geläufig sein: die Elektrolyse. Bei der Produktion von Kraft- und Brennstoffen nach der Power-to-Liquid-Methode wird Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff aufgespalten und anschließend mit Kohlenstoff gebunden. Energetisch sinnvoll ist dieses Verfahren natürlich nur dann, wenn der Strom, aus dem die flüssigen Kraft- und Brennstoffe gewonnen werden, aus erneuerbaren Energien stammt.
  • Biomass-to-Liquid (BtL): Bei dieser Technologie wird Biomasse, das sind natürliche Rohstoffe, vergast und anschließend in weiteren Schritten in einen flüssigen Kraft- oder Brennstoff umgewandelt. Erste Verfahren zur Biomasseverflüssigung gab es bereits in den 1940er Jahren. In den 1990ern erlebte die Technologie mit der Entwicklung von Biokraftstoffen eine große Renaissance. Heute werden zur Gewinnung synthetischer Brennstoffe beispielsweise Reststoffe aus der Land- und Forstwirtschaft, Altfette oder auch Algen eingesetzt.
  • Waste-to-Liquid (WtL): Bei dieser Methode werden synthetische Kraftstoffe aus Abfallprodukten gewonnen, die in unserem Alltag sowieso anfallen. Dazu zählen bestimmte Abfälle der aus Haushalten oder Industrie, zum Beispiel ausgedienter Kunststoff. Anstatt sie verrotten zu lassen oder einfach zu verbrennen, werden diese kohlenstoffhaltigen Verbindungen in ausgeklügelten chemischen Verfahren in hochwertige Brennstoffe transformiert.

So forscht die Wissenschaft nach Alternativen zum Erdöl

Grau ist alle Theorie. Die stetig steigende Bedeutung synthetischer Brennstoffe wird erst bei einem Blick auf die reichhaltige Forschungslandschaft zu dieser innovativen Umwelttechnik so richtig verständlich. An deutschen Universitäten erforschen zahlreiche renommierte Wissenschaftler und Institute seit Jahren das Potenzial sogenannter X-to-Liquid-Verfahren zur Gewinnung flüssiger Kraft- und Brennstoffe. „Und Deutschland ist da technisch ganz weit vorne“, sagt der Energieexperte Professor Michael Sterner von der OTH Regensburg.

Forschung zu synthetischen Kraftstoffen findet momentan in vielen Laboren statt

Zu einem der größten Forschungsvorhaben zählt das Kopernikus-Projekt „Power-to-X“. Allein seine Größe zeigt, welche Bedeutung synthetische E-Fuels bei der Erforschung alternativer Energieträger haben: Hinter dem Projekt steht ein Konsortium aus 18 Forschungseinrichtungen, 27 Industrieunternehmen und drei zivilgesellschaftlichen Organisationen. Gemeinsam spüren sie der Frage nach, wie wir erneuerbaren Strom in Zukunft speichern können.

Damit sollen zwei große Probleme alternativer Energien umgangen werden: Zum einen wird Strom, zum Beispiel bei Windenergie von Offshore-Parks in der Nordsee, nicht unbedingt dort verbraucht, wo er erzeugt wird. Zum anderen wird Strom nicht zwangsläufig zu dem Zeitpunkt gebraucht, zu dem er produziert wird – etwa, wenn die Sonne scheint oder der Wind weht. Im Rahmen des Kopernikus-Programms suchen die Forscher nach verschiedenen Lösungen, wie wir den erneuerbaren Strom flexibler nutzen können. Dabei bilden stoffliche Flüssigspeicher, die durch Power-to-Liquid-Verfahren gewonnen werden, eine entscheidende Rolle.

Synthetisches Kerosin, Diesel oder Heizöl – zu bezahlbaren Preisen

Ein praktisches Anwendungsbeispiel dafür, wie so eine Power-to-Liquid-Anlage aussehen kann, ist das „Sun to Liquid“-Projekt im Bayerischen Taufkirchen. Die dort tätigen Forscher haben eine Anlage entwickelt, die mit Hilfe von 169 Spiegeln Sonnenlicht in synthetisches Kerosin für die Luftfahrt umwandelt. Das von der EU geförderte Forschungsprojekt demonstriert, wie ein sinnvoller Lösungsansatz für eine umweltfreundliche Mobilitätstechnik der Zukunft aussehen könnte. Dabei eignen sich E-Fuels nicht nur als Kraftstoffe, sondern können auch als synthetische Brennstoffe eingesetzt werden. Schon vor 15 Jahren zeigten Forscher im sächsischen Freiberg wie Biomasse über eine sogenannte Fischer-Tropsch-Synthese in DIN-gerechte Dieselkraftstoffe und Heizöl umgewandelt werden kann.

Wie sich synthetische Kraftstoffe im großen Maßstab klimaneutral nach der Waste-to-Liquid-Methode gewinnen lassen, erforscht der Öl-Konzern BP in Zusammenarbeit mit dem Unternehmen Fulcrum BioEnergy. Das in seiner Umsetzung bisher einzigartige Projekt recycelt Hausmüll und wandelt ihn mit Hilfe spezieller Verfahren in synthetisches Kerosin um. Flugzeuge sparen auf diese Weise 20 Prozent ihrer CO2-Emissionen ein. BP und Fulcrum haben sich dazu ein ehrgeiziges Ziel gesetzt: Über einen Zeitraum von zehn Jahren will das Energieunternehmen jedes Jahr die gigantische Menge von 190 Millionen Litern des synthetischen Kraftstoffs von dem Pionierunternehmen im Bereich der Biokraftstoffe beziehen.

Die Kraft der Algen

Zu den kuriosesten Vorhaben bei der Erforschung synthetischer Brennstoffe zählt ohne Zweifel das AlgenFlugKraft-Projekt der TU München. Das Forscher-Team unter der Leitung von Professor Thomas Brück sucht eine innovative Lösung zur industriellen Produktion nachhaltiger Biokraftstoffe nach dem Biomass-to-Liquid-Verfahren. Dabei plädieren die Münchner Wissenschaftler dafür, anstatt auf wertvolle Nutzpflanzen zu setzen, lieber einen auf den ersten Blick etwas unkonventionellen Weg zu beschreiten: Algen.

Algen sind eine ideale Basis zur industriellen Produktion nachhaltiger

„Algen wachsen sehr viel schneller als Soja oder Mais. Sie brauchen keine fruchtbaren Böden, keine Pestizide und könnten pro Hektar und Jahr einen zehn Mal höheren Ertrag bringen“, beschreibt der Forscher seinen Ansatz im Bayrischen Fernsehen. Unter dem Aspekt des Klimaschutzes haben die Wasserlebewesen noch einen weiteren Vorteil: Sie sind aktive Verwerter des Klimaschädlichen Gases CO2. In dem Projekt wird daran geforscht, wie synthetische Kraftstoffe auf der Basis von Algen dezentral in verschiedenen Regionen auf der Welt produziert werden können.

Welchen Stellenwert können synthetische Brennstoffe in der Praxis haben?

Dieser kurze Blick auf die Forschungslandschaft verdeutlicht, wie synthetische Kraft- und Brennstoffe bei der Erzeugung von Energie Windräder, Solaranlagen und Wasserkraftwerke sinnvoll unterstützen können. Denn regenerative Energien stellen uns in ihrer Reinform vor ein Problem: Sie stehen uns nur als Strom zur Verfügung, der verteilt, gespeichert und mit speziellen Anlagen genutzt werden muss – zum Beispiel bei der Erzeugung von Wärme im Haus.

Der Vorteil flüssiger synthetischer Brennstoffe bei der Umsetzung der Energiewende liegt im Vergleich dazu auf der Hand. Wir verfügen bereits über eine umfangreiche Infrastruktur, um sie in Energie umzusetzen: Sowohl die Heiztechnik als auch die Lieferlogistik sind vorhanden. Das gilt genauso für unseren Straßenverkehr, schließlich fahren noch immer die allermeisten LKW und PKW mit Verbrennungsmotoren, wie auch für den Wohnbereich, wo konventionelle Heizungssysteme noch immer dominieren. So sind allein in Deutschland rund 5,6 Millionen Ölheizungen in Betrieb, die mit den neuen Fuels allesamt eine klimaneutrale Zukunft hätten. Und das ohne, dass die Hausbesitzer umrüsten müssten. Denn die neuen Brennstoffe können ohne Probleme mit der heutigen Heiztechnik eingesetzt werden.
Das Beispiel Wohnen zeigt auch, wie gut synthetische Brennstoffe mit alternativen Energien zusammen funktionieren können. Zwischen Flensburg und München gibt es bereits etwa eine Million Ölheizungen, die in Kombination mit einer Solarthermieanlage betrieben werden. Eine repräsentative Umfrage unter 800 Handwerksbetrieben aus dem Jahr 2016 ergab, dass beim Einbau einer neuen Ölheizung schon heute mehr als jedes vierte neuinstallierte Brennwertgerät gleich mit einer Solaranlage kombiniert wird. Das bedeutet: Sehr viele Haushalte sind schon heute mit einem intelligenten Energie-Mix bereit für die Energiewende.

Heizen mit Altspeisefett im Tank: Ein Beispiel aus der Praxis

Wie zum Beispiel die Familie Georgiadis. Das Ehepaar hat ein Eifamilienhaus in der rheinlandpfälzischen Kleinstadt Baumholder geerbt und umfangreich energetisch modernisiert. Neben baulichen Maßnahmen wurde dabei auch der alte Ölkessel durch ein zeitgemäßes Öl-Brennwertgerät ersetzt und um eine Solaranlage ergänzt. Durch diesen intelligenten Energiemix versorgen die neuen auf 3.000 Liter Volumen verkleinerten Heizöltanks die Familie zwei Jahre lang mit warmem Wasser zum Heizen und Waschen.

Dass es noch umweltfreundlicher geht, zeigt ein Pilotprojekt des Instituts für Wärme und Oeltechnik (IWO), an dem die Georgiadis teilnehmen. Dabei nutzen sie einen Brennstoff, der zur Hälfte aus synthetisch hergestellten E-Fuels besteht. Das Gemisch aus biogenen Reststoffen wie Altspeisefetten und Wasserstoff hilft dabei, die Energiebilanz der Familie noch weiter zu verbessern: Nach der Modernisierung konnten sie ihren Ausstoß des klimaschädlichen Treibhausgases Kohlenstoffdioxid um ganze 90 Prozent reduzieren.

 

Kurz & knapp:

Der Klimawandel stellt uns alle vor große Herausforderungen. Treibhausgasreduzierte, synthetische Brennstoffe können dabei schon in naher Zukunft einen großen Beitrag leisten. Dass zeigt ein Blick auf die umfangreiche Forschung, die dazu betrieben wird.

Fotos: alswart – stock.adobe.com; cassis – stock.adobe.com

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