Verschiedene Technologien für Power-to-Liquid-Kraftstoffe

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Kraftstoffe mithilfe von Strom und Elektrolyse aus Wasser und Kohlenstoffdioxid herzustellen ist eine mögliche Option für die Verkehrs- und Wärmewende. "PtL steht für „Power-to-Liquids" und gehört zur Gruppe der strombasierten Syntheseprodukte […]. Die grundlegenden Energien und Rohstoffe zur Herstellung von PtL sind erneuerbarer Strom, CO₂ und Wasser. Zwei wesentliche Pfade zur Herstellung von PtL-Benzin/–Diesel/–Kerosin werden unterschieden, nämlich via Fischer-Tropsch (FT) Synthese zu Roh-PtL mit anschließender Aufbereitung […] sowie via Methanol (MeOH) Synthese mit anschließender, mehrstufiger Konversion", beschreiben die Springer Vieweg-Autoren Ulrich Bünger, Jan Michalski, Patrick Schmidt und Werner Weindorf auf Seite 347 ihres Buchkapitels Wasserstoff – Schlüsselelement von Power-to-X die technologischen Wege. 

Für die Methanolsynthese kann Kohlendioxid verwendet werden. Die Fischer-Tropsch-Synthese hingegen benötigt Kohlenmonoxid. Dieses kann ebenfalls mittels Elektrolyse hergestellt werden. Bei allen Elektrolyseformen entsteht Abwärme, die wiederum für den Produktionsprozess genutzt wird. Das erhöht die Effizienz der Verfahren um bis zu 15 Prozent.

Abwärme erhöht Effizient

Grundsätzlich kommen zwei Verfahren zum Einsatz. Zum einen ist das die Niedertemperatur-Elektrolyse, auch PEM (für Polymer Electrolyte Membrane) genannt, die schon sehr lange angewendet wird und weitgehend als technisch ausgereift gilt. Mit gut 50 Jahren noch recht jung ist die Hochtemperatur-Elektrolyse, auch als SOEL (für Solid Oxide Electrolysis) bezeichnet. Letztere ist zwar weniger flexibel, dafür kann sie auf Wirkungsgrade von 90 Prozent – bezogen auf den eingesetzten Brennwert der Ausgangsstoffe – kommen, da sie durch die hohen Temperaturen von bis zu 900 Grad Celsius eine sehr gute Nutzung der Abwärme und damit einen geringeren Energieverbrauch ermöglicht. Aktuelle Forschungsvorhaben wollen die Arbeitstemperaturen auf 600 Grad Celsius herabsetzen und damit die energetische Bilanz weiter verbessern.

Unabhängig vom Verfahren entsteht ein Produktmix, der dem der mittleren Fraktionen in einer Raffinerie ähnelt, also Benzinen und Mitteldestillaten, zu denen Diesel, das ihm chemisch und physikalisch identische Heizöl oder Kerosin gehören. Ähnlich wie bei Mineralölraffinerien sind Verschiebungen hin zu einem Produkt in geringem Maße möglich. Der Produktmix selbst ist aber grundsätzlich gegeben.

Die entstehenden Kraftstoffe sind hochrein, komplett schwefelfrei und sowohl im Verkehr als auch im Wärmemarkt gut einsetzbar. Das haben zahlreiche Tests ergeben. PEM-Elektrolysen kommen aktuell vor allem bei Power-to-Gas (PtG) zum Einsatz. Eine Verwertung in Form flüssiger Kraftstoffe gibt es noch nicht im industriellen Maßstab. SOEF hingegen wird schon von Sunfire in Dresden im vorindustriellen Maßstab benutzt. Daraus entsteht ein Ausgangsstoff, Blue Crude, der wiederum als Grundlage für ein synthetisches Mitteldestillat dient. Dabei handelt es sich um einen Kraftstoff, der schon in Flugzeugen und im Lastverkehr erfolgreich getestet wurde, aber auch in Ölheizungen einsetzbar wäre. Für den Luftverkehr sind bereits Beimischungen von 50 Prozent zugelassen.

Auch Biomasse nutzbar

Einen Schritt weiter geht die Power-and-Biomass-to-Liquid-Technologie (PBtL). Sie kombiniert die Verfahren Biomass-to-Liquid (BtL) und Power-to-Liquid, indem sie CO₂ statt aus fossilen Verbrennungsprozessen oder der Luft aus regenerativer Biomasse entnimmt. Die Ausnutzung des Kohlenstoffanteils ist dabei deutlich höher als bei einem reinen BtL-Verfahren.

Dennoch kann dies nicht darüber hinwegtäuschen, dass eine positive Umweltbilanz für PTL nur dann gegeben ist, wenn der eingesetzte Strommix regenerativ erzeugt wurde. In Deutschland ist das aktuell fraglich und nur bei den schon erwähnten PtG-Anlagen mit PEM-Elektrolyse der Fall. Und dieser regenerativ erzeugte Strom müsste ausreichend zur Verfügung stehen, was in Deutschland derzeit und wohl auch in Zukunft nicht der Fall sein wird.

"Als Alternative könnte wiedergewonnenes CO₂ als Kohlenstoffquelle und Wasserstoff aus erneuerbarem Strom als Energiequelle für die Synthese genutzt werden. Ebenso müssen klimaneutrale Treibstoffe hergestellt werden. Neben der direkten Wasserstoffnutzung für Brennstoffzellenantriebe kann das auch über Syntheseprozesse zu "Power-to-Liquids"-Kraftstoffen geschehen. Insbesondere die Kopplung großer Solarstromanlagen im Sonnengürtel mit der Produktion von Flüssigkraftstoffen für den Weltmarkt ist hier eine valide Option", beschreiben die Springer Vieweg-Autoren Christoph Stiller und Markus C. Weikl auf Seite 204 ihres Buchkapitels Industrielle Produktion und Nutzung von konventionellem, CO₂-armem und grünem Wasserstoff die Regionen, in denen PtL in Zukunft sowohl wirtschaftlich als auch zu 100 Prozent aus regenerativem Strom erzeugt werden könnten.