Wie werden E-Fuels hergestellt?

Der Strom wird für die Elektrolyse von Wasser verwendet, wodurch dann Wasserstoff entsteht. Dieser Wasserstoff wird mit CO₂ aus verschiedenen Quellen kombiniert und in synthetische Kohlenwasserstoffe umgewandelt, die fossile Kohlenwasserstoffe wie Diesel, Kerosin oder Benzin ersetzen könnten.

Bei Prozess der Elektrolyseprozess wird Wasser in seine Kernbestandteile Wasserstoff und Sauerstoff zerlegt. Für die nachfolgenden Produktionsschritte wird viel grüner Strom benötigt.

Prozessverbesserung.

Der Wasserstoffsyntheseprozess wird durch Methoden wie die Fischer-Tropsch-Synthese in eine komplexere Phase überführt.

CO2-Fusion.

In dieser Phase wird Wasserstoff mit CO2 kombiniert, das direkt aus der Atmosphäre gewonnen wurde.

Hochdruckbindung.

Unter bestimmten Bedingungen von hohem Druck und mit Hilfe bestimmter Katalysatoren bildet Wasserstoff eine Bindung mit CO2.

Power-to-Liquid-Umwandlung.

Dieser gesamte Prozess führt zur Power-to-Liquid-Methode, bei der Elektrizität effektiv in eine synthetische flüssige Form umgewandelt wird.

Entstehung von Energieträgern.

Nach der Raffinierungsphase verwandelt sich diese synthetische Flüssigkeit in verschiedene Formen von Energieträgern wie eGasoline, eDiesel, eHeizöl, eKerosin und eGas.

Drop-in-Fähigkeit.

E-Fuels zeichnen sich durch eine vielseitige Drop-in-Fähigkeit aus, sodass sie problemlos mit herkömmlichen Kraftstoffen gemischt werden können.

Grüner Wasserstoff.

Grüner Wasserstoff ist heute nicht konkurrenzfähig mit grauem oder braunem Wasserstoff. Der Anteil von grünem Wasserstoff, der ausschliesslich mit grünem Strom hergestellt wird, ist heute noch verschwindend klein und deshalb unbedeutend.

E-Fuels dürfen jedoch nur mit grünem Wasserstoff hergestellt werden, um einigermassen CO2 neutral zu sein. Der grüne Wasserstoff wird durch einen Prozess namens Elektrolyse hergestellt. Um die stabilen Wassermoleküle in Wasserstoff und Sauerstoff zu spalten, wird sehr viel Strom benötigt.

Der Wasserstoff kann dann zur Synthese von Kohlenwasserstoff-Brennstoffen verwendet werden, indem Kohlenstoff aus CO₂ hinzugefügt wird. Die daraus resultierenden Elektro- oder E-Brennstoffe sind leichter zu lagern und zu transportieren als Strom oder reiner Wasserstoff.

Die Verfügbarkeit von grünem Strom aus erneuerbaren Quellen, welcher die Herstellung von E-Fuels sicherstellt, ist derzeit noch sehr begrenzt. Um in größerem Maßstab zu produzieren, wird sehr viel erneuerbarer Strom benötigt. Und deshalb wird dies auch bei zunehmender Elektrifizierung der gesamten Wirtschaft und des Verkehrs so bleiben.

Für die Produktion wird CO2 benötigt. Die Abscheidung und Nutzung von Kohlendioxid im Produktionsprozess führt zur Reduzierung der Treibhausgasemissionen und zur Eindämmung des Klimawandels. Sie ist aber selbst nicht Energieneutral – und bei der Verbrennung wird das gebundene CO2 wieder freigesetzt. Bei der Herstellung wird erneuerbare Elektrizität verwendet, um Wasser durch Elektrolyse in Wasserstoff und Sauerstoff zu spalten. Der Wasserstoff wird dann mit aufgefangenem Kohlendioxid und anderen Chemikalien wie Methan oder Methanol in einem Verfahren namens Power-to-Liquid (PtL) kombiniert, um synthetische Kraftstoffe herzustellen, die fossile Brennstoffe ersetzen können.

Power-to-Gas.

Förderung von Innovation und Investitionen.

Der Aufstieg von E-Fuels fördert Innovationen und Investitionen in Technologien für erneuerbare Energien. Regierungen, Industrie und Forschungseinrichtungen investieren zunehmend in Forschung und Entwicklung, um die Produktion und Vermarktung von E-Fuels zu steigern und neue Möglichkeiten für einen nachhaltigen Transport zu erschließen.

E-Fuels sind – auf den ersten Blick zumindest – äußerst vielversprechend für die Umgestaltung des Verkehrs für eine nachhaltige Zukunft. Mit zunehmender Reife der Technologie und zunehmender Verbreitung haben E-Fuels möglicherweise das Potenzial, eine Rolle bei der Reduzierung der CO2-Emissionen und der Eindämmung der Auswirkungen des Klimawandels zu spielen. Aber mit Sicherheit nur bei ganz speziellen Anwendungen und man darf sich nicht von falschen Erwartungen treiben lassen.

Nutzung bestehender Infrastruktur sowie Benzin- und Dieselmotoren.

Die Versorgung mit sicherer, nachhaltiger und bezahlbarer Energie ist eine große Herausforderung für die EU. Die Reserven an fossilen Energieträgern konzentrieren sich größtenteils auf wenige Regionen der Welt, was die Abhängigkeit von einzelnen Staaten erhöht. Das Potenzial erneuerbarer Energien ist dagegen wesentlich diverser verteilt. Die Speicherung mittels E-Fuels würde diese Potenziale nutzbar und verteilbar machen. E-Fuels könnten somit zu einem nachhaltigen und vielfältigen Energiesystem beitragen.

Einer der Hauptvorteile von E-Fuels liegt in ihrer Kompatibilität mit der bestehenden Infrastruktur und Verbrennungsmotoren. Im Gegensatz zu anderen erneuerbaren Energiequellen, die umfangreiche Infrastruktur-Upgrades erfordern, könnten E-Fuels nahtlos in das aktuelle Transportökosystem integriert werden und würden eine praktische Lösung für die Dekarbonisierung bieten.

Verbrennung von E-Fuels.

E-Fuels bieten Vorteile für die Umwelt. Da sie aus erneuerbaren Energiequellen hergestellt werden, gelten sie als (fast) kohlenstoffneutral. Bei ihrer Verbrennung wird kein zusätzliches Kohlendioxid in die Atmosphäre freigesetzt.

E-Fuels - schädlich oder sinnvoll?
Die 6 größten E-Fuel-Irrtümer.

Alexander Bloch, 2022

Kosten CO2 Reduzierung mit E-Fuels.

Die Kosten für die Reduzierung von Treibhausgasen durch E-Fuels liegen heute bei etwa 1000 Euro pro Tonne CO₂. Selbst bei einem angenommenen Anteil von 100 % erneuerbarer Elektrizität würden die Kosten für die Vermeidung einer Tonne CO₂-Emissionen durch die Verwendung von wasserstoffbasierten E-Fuels derzeit 800 Euro für flüssige und 1200 Euro für gasförmige Kraftstoffe betragen.

Dies ist viel höher als die derzeitigen CO₂-Preise, die bei etwa 80 Euro pro Tonne liegen. Bis 2050 könnten diese Vermeidungskosten jedoch auf etwa 20 Euro für flüssige und 270 Euro für gasförmige E-Kraftstoffe sinken, was auf technologische Fortschritte sowie Subventionen und Investitionen in Wasserstoff und verwandte Industrien zurückzuführen ist.

Daher könnten wasserstoffbasierte Kraftstoffe mit steigenden CO₂-Preisen bis 2040 wettbewerbsfähig werden. Für Sektoren, in denen es Alternativen zur direkten Elektrifizierung gibt, ist dies jedoch angesichts der Dringlichkeit der Reduzierung von Treibhausgasemissionen zur Stabilisierung unseres Klimas zu spät.

Eine CO2-Bepreisung ist erforderlich, um E-Fuels wettbewerbsfähig zu machen.

Trotz der Ungewissheit über die zukünftigen Kosten haben E-Fuels das Potenzial, um 2040-50 zu einer Backstop-Technologie für den Ersatz aller verbleibenden fossilen Brennstoffe zu werden. Die Umsetzung hängt jedoch von einer umfassenden politischen Unterstützung und Subventionen in großem Maßstab über einen Zeitraum von etwa zwei Jahrzehnten ab, bevor Geschäftsmodelle allein durch eine Erhöhung der CO2-Preise gesichert werden könnten.

Eine sinnvolle Politik sollte auf zwei Säulen ruhen: Erstens auf einer breiten technologischen Unterstützung zur Förderung von Innovationen und einer anfänglichen Skalierung, einschließlich der direkten Elektrifizierung. Zweitens auf einer substanziellen CO2-Bepreisung, um gleiche Wettbewerbsbedingungen für alle Technologien zu schaffen und somit ein optimales Gleichgewicht zwischen direkter und indirekter Elektrifizierung zu erreichen.

Kosten der Herstellung und des Vertriebs von E-Fuels.

E-Fuels nutzen in der gesamten Lieferkette dieselbe Infrastruktur wie fossile Kraftstoffe, was sie zu einer sofortigen und leicht umsetzbaren Lösung für die Dekarbonisierung macht. Obwohl die Preisgestaltung noch diskutiert wird, beschleunigt sich die Umsetzung in der Produktion. Obwohl die Produktion von E-Kraftstoffen derzeit 2,5- bis 4-mal teurer ist als die von fossilen Kraftstoffen, schätzt die TEI, dass die Kosten aufgrund unterstützender Maßnahmen und einer erhöhten weltweiten Produktion erheblich sinken können.

E-Fuels können nicht in Europa produziert werden. Zum einen sind die Kosten zu hoch. Zum anderen aber gibt es Länder auf dieser Welt, in denen Sonneneinstrahlung viel höher ist und damit verbunden auch die Winde stärker und stabiler sind. Weltweit gibt es ein ausreichendes Potenzial an erneuerbaren Energien für die Produktion von E-Fuels. Aber nicht nur die Produktionskosten sind ein Faktor, sondern auch die Kosten für deren Transport, Lagerung, Verteilung bis zum Endkonsumenten.

Es ist noch viel zu früh, um einen Preis für E-Kraftstoffe an Tankstellen festzulegen. Trotz ihrer potenziellen Vorteile sind E-Fuels derzeit in der Herstellung wesentlich teurer als fossile Brennstoffe. Ihre Skalierbarkeit und Wettbewerbsfähigkeit hängen von der Verfügbarkeit kostengünstiger erneuerbarer Elektrizität sowie von Technologien zur Kohlenstoffabscheidung ab. Beide Themen sind heute noch nicht wirklich einschätzbar. Die Kosten für erneuerbare Energien werden jedoch weiter sinken. Doch braucht es zusätzliche Anreize in Form von Subventionen für die Einführung kohlenstoffarmer Brennstoffe.

Anwendungen und globaler Einsatz von E-Fuels.

Bestehende Verkehrsmittel und Heizungen können durch den Einsatz von E-Fuels umweltfreundlich umgerüstet werden. So können Verkehrsmittel wie LKW oder Flugzeuge sowie Baumaschinen und Ölheizungen, für die es als Antriebsmittel noch keine sinnvolle technische Alternative gibt, klimaneutral betrieben werden. E-Fuels können auch im Offroad-Bereich oder in der Industrie eingesetzt werden.Die IEA schreibt den E-Fuels einen wichtigen Nachhaltigkeitsfaktor für den Luft- und Seeverkehr zu. Diese Branchen sind stark auf kraftstoffbasierte Lösungen angewiesen. Der Einsatz von E-Fuels als synthetische Kraftstoffe wird sich bei Luft- und Seeverkehr von denen des Straßenverkehrs unterscheiden. Die IEA sieht E-Fuels weniger bei leichten als auch bei schweren Nutzfahrzeugen, die mit anderen Alternativen konkurrieren.

Freiheit mit E-Fuels?
Synthetische Kraftstoffe wissenschaftliche analysiert.

Harald Lesch, 2024

Das Potenzial von E-Fuels zur Dekarbonisierung von Schiffen und Flugzeugen.

Das Potenzial neuartiger Kraftstoffe zur Dekarbonisierung der Luft- und Seefahrt ist gross. Kraftstoffe wie Wasserstoff, Ammoniak und synthetische Kohlenwasserstoffe können aus erneuerbaren Quellen hergestellt werden. Sie könnten auch einfacher einzusetzen sein als andere aufkommende kohlenstoffarme und kohlenstofffreie Technologien. Dennoch bestehen viele Unsicherheiten hinsichtlich der Ausweitung ihrer Nutzung. Dazu gehören Kosten, Infrastrukturbedarf, betriebliche Anforderungen und gesundheitliche Auswirkungen. Aus heutiger Sicht ist die Herstellung und Nutzung neuartiger Kraftstoffe im Schiffs- und Luftfahrtsektor sinnvoll und machbar. Doch braucht es auch hier besondere, politische Anstrengungen für eine beschleunigte Einführung.

Wasserstoffbasierte E-Fuels sollten in erster Linie in Sektoren wie der Luftfahrt oder bei industriellen Prozessen eingesetzt werden, die nicht direkt elektrifiziert werden können und bei denen E-Fuels bisher die einzige Möglichkeit sind, die CO₂-Emissionen zu reduzieren. Um diese Sektoren zu bedienen, lohnen sich die Erforschung und Produktion von synthetischem Flugkerosin. 

Die Alternative: Solar-Fuels

Solar-Fuels hingegen sind Kraftstoffe, die direkt aus Sonnenenergie gewonnen werden. Der Prozess der Herstellung von Solar-Fuels nutzt die Sonnenstrahlung, um chemische Reaktionen zu initiieren, die zur Erzeugung von Wasserstoff oder anderen energiedichten Molekülen führen. 

Synhelion

Solartreibstoffe, DAWN, weltweit erste synthetische Industrie-Solaranlage im grossen Masstab.

Synhelion - Schweizer Startup.

Priorisierung von Anwendungen wie Luftfahrt und Stahlproduktion.

Die Potenziale für die Erzeugung erneuerbarer Elektrizität sind begrenzt – daher ist es wichtig, diese effizient zu nutzen. Auch die wertvollen wasserstoffbasierten E-Fuels in sollten Anwendungen eingesetzt werden, für die sie unverzichtbar sind: Langstreckenluftfahrt, Ausgangsmaterial in der chemischen Produktion, Stahlproduktion und möglicherweise einige industrielle Hochtemperaturprozesse. Dies sind Sektoren und Anwendungen, die sich kaum direkt elektrifizieren lassen.

E-Fuels für den Strassenverkehr.

Dank ihrer chemischen Äquivalenz zu den Kraftstoffen, mit denen Fahrzeuge derzeit weltweit betrieben werden, könnten E-Fuels in bestehenden Motoren ohne jegliche Modifikationen eingesetzt werden. Aber die Herstellung dieser Kraftstoffe als breiter Ersatz von fossile Brennstoffen für Autos oder zum Heizen von Häusern, ist zu ineffizient, kostspielig und ihre Verfügbarkeit zu ungewiss.

Für die meisten Sektoren ist die direkte Nutzung von Elektrizität, beispielsweise in batteriebetriebenen Elektroautos oder Wärmepumpen, sinnvoller. Dies sowohl aus wirtschaftlicher als auch aus ökologischer Sicht.

Ein Auto mit E-Brennstoffen benötigt fünfmal mehr Strom als ein batteriebetriebenes Elektroauto. Eine totale Ineffizienz, men man so direkt vergleicht – und das muss man. E-Fuels benötigen im Vergleich zur direkten Elektrifizierung je nach Anwendung und den jeweiligen Technologien zwei- bis vierzehnmal mehr Strom. Energieverluste treten sowohl auf der Angebotsseite, d. h. im Produktionsprozess der wasserstoffbasierten Kraftstoffe, als auch auf der Nachfrageseite auf – ein Verbrennungsmotor verschwendet viel mehr Energie als ein elektrischer.

Aktueller Stand des E-Fuel-Marktes.

Marktüberblick.

Derzeit befindet sich der Markt für E-Fuel-Autos in der Anfangsphase, und es ist nur eine begrenzte Anzahl von Modellen verfügbar. Unternehmen experimentieren mit dieser Technologie und investieren in sie, doch die Akzeptanz ist noch gering.

Akzeptanz.

Viele Automobilhersteller setzen auf eine Verlagerung hin zu Elektrofahrzeugen anstelle von E-Kraftstoffen. Allerdings gibt es insbesondere in der EU anhaltende Diskussionen und Debatten über die Integration von E-Kraftstoffen in den Automobilsektor.

Zukunftsperspektiven.

Trotz der langsamen Akzeptanz besteht ein Wachstumspotenzial auf dem Markt für E-Fuel-Fahrzeuge, das durch Investitionen in die Forschung und den Bau kommerzieller E-Fuel-Anlagen unterstützt wird.

Technologische Fortschritte.

Kontinuierliche Forschung und Innovationen sind entscheidend, um die derzeitigen Einschränkungen bei der E-Fuel-Produktion zu überwinden und sie zu einer tragfähigen Alternative zu herkömmlichen Kraftstoffen und Elektrofahrzeugen zu machen.

Aktuelle Herausforderungen.

Die Produktion von E-Kraftstoffen ist energieintensiv und kostspielig. Auch die Technologie zur CO2-Abscheidung muss noch erheblich verbessert werden.

Lösungen und Verbesserungen.

Die Steigerung des Produktionsumfangs, Investitionen in die Forschung für effizientere Produktionsmethoden und die Verbesserung der CO2-Abscheidungstechnologie sind potenzielle Bereiche für Verbesserungen.

Umweltvorteile.

E-Fuels sind zwar theoretisch CO2-neutral, doch ihre Herstellung und Verbrennung sind mit Umweltauswirkungen verbunden, die angegangen werden müssen.

Nachhaltigkeit und Klimawandel.

Die langfristige Nachhaltigkeit von E-Fuels und ihre Auswirkungen auf den Klimawandel hängen von Fortschritten bei der Produktionseffizienz und der Umstellung auf erneuerbare Energiequellen für die Wasserstoffproduktion ab.

Faktoren für die Akzeptanz durch die Verbraucher.

Die hohen Kosten von E-Kraftstoffen und den dazugehörigen Fahrzeugen sowie die Verfügbarkeit und Bequemlichkeit von Alternativen sind wichtige Faktoren, die die Akzeptanz durch die Verbraucher beeinflussen.

Markttrends.

Die Automobilindustrie befindet sich im Wandel, wobei unterschiedliche Signale und regulatorische Rahmenbedingungen die zukünftigen Markttrends von E-Kraftstoffen und Elektrofahrzeugen beeinflussen.

Deutschland und E-Fuels.

Deutschland hat eine leichte Lockerung des EU-Verbots für neue Fahrzeuge mit Verbrennungsmotor nach 2035 erreicht, insbesondere für E-Fuels. Dies dürfte jedoch in erster Linie Luxus-Supersportwagen zugutekommen, da E-Fuels nach wie vor teuer und kommerziell unrentabel sind. Die Investmentbank UBS prognostiziert, dass batteriebetriebene Elektrofahrzeuge (BEVs) bis 2035 die kostengünstigste Technologie sein werden. E-Kraftstoffe könnten in schwer zu elektrifizierenden Sektoren wie der Schifffahrt oder der Luftfahrt geeignetere Anwendungen finden. Der Vorstoß der deutschen Regierung für E-Kraftstoffe ist teilweise von Bedenken hinsichtlich des Erhalts von Arbeitsplätzen beeinflusst, aber Umweltgruppen argumentieren, dass E-Kraftstoffe weniger umweltfreundlich sind als Elektrofahrzeuge.

Kritik an E-Fuels.

Wasserstoffbasierte E-Fuels könnten ein großartiger, sauberer Energieträger sein – sie sind jedoch im aktuellen politischen Diskurs definitiv ein falsches Versprechen. E-Fuels sind zwar sehr vielseitig, aber es darf nicht erwartet werden, dass sie fossile Brennstoffe weitgehend ersetzen.

Wasserstoffbasierte E-Kraftstoffe werden wahrscheinlich noch sehr lange ein knappes Gut sein und noch mindestens ein Jahrzehnt lang, wenn nicht noch länger, nicht wettbewerbsfähig sein. Staatliche Subventionen im grösseren Ausmass würden den Wettbewerb und den Markt verfälschen.

Wenn man auf ihren großflächigen Einsatz setzt, würde dies wahrscheinlich die Abhängigkeit von fossilen Brennstoffen verlängern. Das Festhalten an Verbrennungstechnologien und die Hoffnung, diese mit wasserstoffbasierten E-Kraftstoffen zu betreiben, könnte dazu führen, dass weiterhin Öl und Gas verbrannt und Treibhausgase ausgestoßen werden, wenn sich E-Kraftstoffe als zu kostspielig und knapp erweisen. Dies gefährdet kurz- und langfristige Klimaziele.

Insgesamt führen niedrige Energieeffizienzen zu einer fragilen Klimawirksamkeit. Wenn E-Fuels mit den derzeitigen Strommixen hergestellt würden, würden sie in den meisten Ländern heute die Treibhausgasemissionen erhöhen – nicht senken. Im Gegensatz dazu verursachen beispielsweise Elektroautos oder -lastwagen Treibhausgasemissionen, die mit denen von Diesel- oder Benzinfahrzeugen vergleichbar sind oder niedriger sind, wenn man den heutigen Strommix in den meisten Ländern zugrunde legt. Daher können E-Fuels nur dann zu einem wirksamen Mittel des Klimaschutzes werden, wenn die Stromversorgung eine sehr geringe Kohlenstoffintensität aufweist.

Umweltorganisationen kritisierten den Vorstoß für E-Kraftstoffe. Die Debatte wurde in der Europäischen Union (EU) wiederholt, da ihre Klimapolitik einen geplanten Ausstieg aus Fahrzeugen mit Verbrennungsmotor bis 2035 vorsieht. Mehrere EU-Mitgliedstaaten äußerten diesbezüglich Bedenken, und es wird weiterhin über mögliche Ausnahmen oder Änderungen diskutiert, um E-Kraftstoffe zu berücksichtigen.

Obwohl der Anteil erneuerbarer Energien an der weltweiten Stromerzeugung stetig wächst, lag er 2019 erst bei 23,2 %. Wenn die länderspezifischen Bedarfe für grünen Strom analysiert werden, gibt es für den weiteren Ausbau der Stromerzeugung viele andere Bereiche, die prioritär zu behandeln sind und im Vergleich zur Produktion von E-Fuels eine weit höhere Energie-Effizienz der Nutzung aufweisen.

Eine breite Nutzung von wasserstoffbasierten E-Kraftstoffen und die Beibehaltung von Verbrennungstechnologien drohen zu einer weiteren Abhängigkeit von fossilen Brennstoffen und zu Treibhausgasemissionen zu führen.

Fazit E-Fuels.

Die meisten E-Fuels-Technologien befinden sich jedoch heute auf einem niedrigen technologischen und kommerziellen Entwicklungsstand. Zu den größten Herausforderungen gehören die mit den Produktionsprozessen verbundenen technischen Risiken, die hohen Kosten und die begrenzte politische Unterstützung zur Überbrückung der Kostenlücke zu fossilen Brennstoffen.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die langfristige Vision wasserstoffbasierter E-Fuels grundsätzlich vielversprechend sein könnte. Grundvoraussetzung wäre, dass durch die Nutzung des enormen Wind- und Solarenergiepotenzials der globalen Sonnengürtel nebst der Grundversorgung für den viel höheren Stromverbrauch für die Elektrifizierung allgemein noch genügend Mengen an grünem Strom für die Produktion von E-Fuels zur Verfügung ständen.

Nur so könnten E-Fuels weltweit marktpreisgerecht hergestellt und gehandelt werden und so Engpässe bei erneuerbaren Energien in dicht besiedelten Regionen wie Europa oder Japan beheben. Da die internationalen und nationalen Klimaziele jedoch eine sofortige Emissionsreduzierung erfordern, muss die direkte Elektrifizierung an erster Stelle stehen, um eine sichere Zukunft für alle zu gewährleisten.

Disclaimer / Abgrenzung

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