Synthetische Kraftstoffe sind der Hoffnungsträger für Verbrennungsmotoren. Sie könnten Benziner und Diesel sauberer machen. Dahinter stecken Power-to-X-Techniken, die wir kompakt erklären.
Power-to-X (PtX) Begriffstaxonomie und Schlüsselverfahren. Abb. 16.1 aus: Wasserstoff – Schlüsselelement von Power-to-X, Springer 2017.
Springer Berlin Heidelberg
Power-to-X (PtX) "beschreibt die Wandlung von Strom als Primärenergie und Rohstoff in einen Energieträger, also in Wärme, Kälte, Produkt, Kraft- oder Rohstoff. Es ist ein Sammelbegriff für Power-to-Gas, Power-to-Liquid, Power-to-Fuel, Power-to-Chemicals, Power-to-Product und auch Power-to-Heat", erklären die Springer-Autoren im Kapitel Speicherbedarf im Verkehrs- und Chemiesektor aus dem Buch Energiespeicher – Bedarf, Technologien, Integration.
Für den Verkehrssektor ist Power-to-Fuel, also die Produktion synthetischer Kraftstoffe, sogenannter E-Fuels, relevant. Power-to-Fuel ist wiederum "ein Sammelbegriff für Power-to-Gas und Power-to-Liquid und beschreibt die Herstellung von gasförmigen oder flüssigen Treibstoffen wie synthetisches Erdgas (SNG), Methanol, Benzin aus Elektrolyse-Wasserstoff durch Synthese mit Kohlendioxid", erklärt Springer-Autor Günther Brauner im Kapitel Effizienz durch Sektorenkopplung aus dem Buch Systemeffizienz bei regenerativer Stromerzeugung. Durch die Power-to-Liquid- und Power-to-Gas-Verfahren besteht damit "die Möglichkeit, klimaschädliches CO2 unter Nutzung regenerativer Energien als Kohlenstoffkomponente in die Produkte einzubringen und damit das CO2 im Kreislauf zu führen anstatt zusätzliches CO2 aus fossilbasierten Kraftstoffen zu emittieren", wie Forscher im Artikel Systematik im Power-to-X-Ansatz – Identifikation, Charakterisierung und Clusterung der Power-to-X-Technologien der Zeitschrift für Energiewirtschaft 3/2020 erklären.
Power-to-Gas und Power-to-Liquid
Insbesondere umfasst Power‐to‐Gas die Umwandlung von elektrischer Energie mittels Wasserelektrolyse in die energiereichen Gase (chemische Energie) Wasserstoff (H2) und – nach optional anschließender Methanisierung – Methan (CH4). Der Wasserstoff und das Methan können zum Antrieb von Brennstoffzellen- beziehungsweise Erdgasfahrzeugen genutzt werden.
Mit Power-to-Liquid (PtL) können flüssige Energieträger mithilfe von elektrischer Energie erzeugt werden. Es gibt zwei wesentliche Pfade zur Herstellung von PtL-Benzin/–Diesel/–Kerosin: "[V]ia Fischer-Tropsch (FT) Synthese zu Roh-PtL mit anschließender Aufbereitung […] sowie via Methanol (MeOH) Synthese mit anschließender, mehrstufiger Konversion", beschreiben die Springer-Autoren im Buchkapitel Wasserstoff – Schlüsselelement von Power-to-X aus dem Buch Wasserstoff und Brennstoffzelle die technologischen Wege.
PtX-Konzepte im Vergleich
Was ergibt sich aus einem Vergleich der verschiedenen PtX-Konzepte? Laut Springer-Autor Günther Brauner hat PtH2 den höchsten Gesamtwirkungsgrad beim Einsatz in Straßenfahrzeugen und weist damit geringste Produktionskosten pro Fahrzeug-Kilometer auf. Gleichzeitig sei "diese Anwendung auch durch die höchste Stromlastflexibilität bei einer relativ hohen Speicherdichte charakterisiert und ermöglicht im Gegensatz zu PtCH4 und PtL lokal emissionsfreien Verkehr", so der Autor. Daher stelle die direkte Nutzung von Wasserstoff als universeller Energieträger in zahlreichen Anwendungen die beste Option für die Sektorenkopplung und die Integration der erneuerbaren Stromerzeugung in das Energiesystem dar. PtCH4 und PtL seien hingegen für ausgewählte Einzelanwendungen besser geeignet, bei denen die Einführung effizienterer Kraftstoff-/Antriebs-Optionen kaum möglich ist.
Eine Untersuchung des Öko-Instituts zeigt zudem: "Erst wenn der Strom zu mindestens 75 Prozent aus erneuerbaren Quellen stammt, ist es aus Klimaschutzsicht vorteilhaft, Strom in PtX-Stoffe umzuwandeln und diese zu nutzen", so das Institut in einer Mitteilung. Ansonsten seien die Treibhausgasemissionen von PtX-Stoffen höher als beim Einsatz der heutigen fossilen Rohstoffe, also Kohle, Erdgas oder Erdöl. Die Menge der benötigten erneuerbaren Energien zur Herstellung von PtX-Stoffen müsse unabhängig vom Standort der Produktion durch den Ausbau regenerativer Energien in Deutschland und im Ausland gedeckt werden. Auch seien ein erheblicher Ressourcenaufwand und ein hoher Bedarf an Flächen für die Erzeugung erneuerbarer Energien notwendig.