Mit alternativen Kraftstoffen zur CO2-neutralen Mobilität

Verbrennungsmotoren lassen sich mittelfristig mit synthetischen Kraftstoffen fast CO₂-neutral betreiben. Als kurzfristiger Hebel zur CO₂-Reduktion könnte Erdgas dienen.

In den vergangenen Jahren sind motorseitig erhebliche Anstrengungen unternommen worden, um den Kraftstoffverbrauch zu reduzieren. Jetzt geraten die Kraftstoffe stärker ins Blickfeld. Die Auswirkungen des Klimawandels und die geringe Verbreitung von batterieelektrischen Fahrzeugen zwingen Industrie und Politik zu neuen Lösungen bei der Reduzierung der CO₂-Emissionen.

"Einen Ausweg aus diesem Dilemma bietet der Betrieb von Verbrennungsmotoren mit alternativen Energieträgern aus regenerativen Quellen, die gänzlich CO₂-neutral sein könnten und den Kraftstoffsektor revolutionieren sollen", schreibt Richard Backhaus in seinem Report Alternative Kraftstoffe – CO₂-neutral in die Zukunft aus der MTZ 6/2017. Als Zwischenschritt könnte Erdgas den lange erwarteten Durchbruch schaffen, so Backhaus. 

Erdgas als Zwischenschritt

Der Einsatz von Erdgas (Compressed Natural Gas, CNG) statt Benzin ist nicht neu, wenn es um die kraftstoffseitige CO₂-Reduzierung geht, doch kurzfristig im großen Stil umsetzbar. Gerade weht hier ein starker Rückenwind: Neue Modellankündigungen – etwa der Ausbau der Audi-G-tron-Modelle – , das Bekenntnis des Volkswagen-Konzerns zur Erdgasmobilität sowie die beschlossene Steuervergünstigung für Erdgas als Kraftstoff bis 2026 könnten dem Markt für Erdgasmobilität neuen Aufschwung geben.

Wird Erdgas als Kraftstoff in Ottomotoren genutzt, dann liegen die Vorteile klar auf der Hand: "Durch das günstige Kohlenstoff-Wasserstoff-Verhältnis von Methan – vier Wasserstoff-Atome sind jeweils an nur ein Kohlenstoff-Atom gebunden (4:1) – ist der CO₂-Ausstoß im Vergleich zu Benzin (2,25:1) um bis zu 30 Prozent geringer", schreiben Martin Westerhoff und Dr. Gerhard Holtmeier in ihrem Artikel Erdgas – Die greifbare Chance aus der MTZ 2/2016. Außerdem würden die Emissionsvorteile bei CO, NO_x und höheren Kohlenwasserstoffen bis zu 80 Prozent unter denen von Flüssigkraftstoffen liegen.

Allerdings fristen CNG-Fahrzeuge mit rund 100.000 Einheiten bislang ein ausgesprochenes Nischendasein, wie Backhaus in seinem Report erklärt. Ein wichtiger Schritt zu größerer Kundenakzeptanz und damit höherer Verbreitung im Pkw-Segment wären monovalente CNG-Ottomotoren. Denn erst so lasse sich das Potenzial, das CNG als Kraftstoff bietet, umfänglich ausschöpfen. Dies bestätigen beispielsweise Arbeiten bei Mahle, wie im Artikel Monovalenter Erdgasbetrieb und Downsizing für niedrigste CO2-Emissionen aus der MTZ 7-8-2016 beschrieben wird.

Kraftstoffe auf Strombasis

Langfristig biete CNG aber keine tragbare Lösung, denn bei der Verbrennung werde nach wie vor CO₂ freigesetzt – wenn auch weit weniger als bei Benzin, so Backhaus. Stattdessen böten sich synthetische, flüssige Kraftstoffe an. Im Herstellungsprozess der Kraftstoffe wird aus Wasser mithilfe elektrischer Energie Wasserstoff gewonnen, der dann zu den eigentlichen Kraftstoffen weiterverarbeitet wird. Bei diesem Ansatz wird das CO₂ in einem geschlossenen Kreislauf geführt, sodass keine neuen Treibhausgasemissionen entstehen. Wirklich CO₂-neutral wird das Konzept der Kraftstoffproduktion aber nur, wenn die elektrische Energie für den Produktionsprozess aus regenerativen Quellen wie Wind oder Sonne stammt.

Die einfachste Stufe dieser Kraftstoffe ist Methanol, das sich aufgrund seiner chemischen Eigenschaften nicht wirklich gut für die Nutzung in mobilen Anwendungen eignet. Daher wird aus Methanol in einem Syntheseprozess Oxymethylenether (OME) erzeugt. In der Forschung werden derzeit alle OME-Strukturen mit ihren unterschiedlichen Eigenschaften auf ihr Potenzial als Ersatz für Dieselkraftstoff getestet. Oxymethylenether als potenziell CO2-neutraler Kraftstoff für saubere Dieselmotoren haben zum Beispiel Eberhard Jacob und Wolfgang Maus untersucht. Ihr Artikel aus der MTZ 3-2017 beschreibt die Kriterien, die OME3-6 dabei erfüllen muss, um als potenziell nachhaltiger Dieselkraftstoff der Zukunft zu dienen. 

Aktuell wird zudem an Kraftstoff-Alternativen geforscht, die in Ottomotoren eingesetzt werden können. Die C1-Oxygenatkraftstoffe Dimethylcarbonat und Methylformiat zeigen als synthetische Kraftstoffe deutliche Emissionsvorteile gegenüber Ottokraftstoff. Im Motorenversuch an einem Otto-DI-Einzylinder mit Dreiwegekatalysator konnte dies an der Technischen Universität München nachgewiesen werden, wie aus dem Artikel Potenziell CO2-neutrale Kraftstoffe für saubere Ottomotoren aus der MTZ 7-8-2017 hervorgeht.

Strombasierte Kraftstoffe im Großmaßstab herstellen

Doch wie sieht es mit der Herstellung von strombasierten Kraftstoffen aus? "Anlagen zur Erzeugung von Methanol aus regenerativen Quellen sind theoretisch im größeren Maßstab verfügbar, aktuell allerdings noch nicht verbreitet", sagt Backhaus. Auch seien CO₂-freie Kraftstoffe mit Literpreisen zwischen 1,0 und 1,5 Euro im Vergleich zu fossilen Kraftstoffen mit 0,5 Euro (ohne Steuern) wirtschaftlich grundsätzlich machbar. Das CO₂ für die Methanol-Erzeugung könnte aus industriellen Prozessen entnommen werden, bei denen es als unerwünschtes Nebenprodukt entsteht. Alternativ böte sich die Filterung von CO₂ aus der Atmosphäre an.

Und wann könnte eine solche Großanlage in Betrieb gehen? Torsten Buddenberg, Head of Product Development bei Mitsubishi Hitachi Power Systems Europe, hat darauf eine Antwort: 

Wir rechnen damit, dass der Baubeginn einer ersten Großanlage innerhalb der nächsten zwei Jahre (vielleicht auch schon früher) beschlossen wird und wir in die Umsetzung gehen. Diese wird dann eine Produktion von 100.000 bis 300.000 Tonnen pro Jahr haben. Ein Bau einer solchen Anlage ist mit circa drei Jahren anzusetzen. Also wäre eine Inbetriebsetzung dieser ersten Anlage in vier bis sechs Jahren zu erwarten", zitiert Backhaus Buddenberg im Report. 

Würde man in den nächsten zehn Jahren pro Jahr ein bis zwei solcher Anlagen bauen, könnte die Produktion nach zwölf Jahren bei circa 15 Millionen Tonnen pro Jahr liegen, so Buddenberg. Allerdings gibt es hierfür noch diverse Hürden. "Der Hauptgrund ist aber sicherlich die politische Unsicherheit, denn nur in einem Marktumfeld, welches stabil ist, werden Investoren auch Gelder mobilisieren".