Mobilität: Alternative Kraftstoffe im Realitätscheck

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Wie lässt sich Mobilität klimaverträglicher gestalten, ohne die
technischen und wirtschaftlichen Realitäten aus dem Blick zu verlieren?
Dr.-Ing. Andreas Menne, Abteilungsleiter Carbon Utilization and Synfuels
bei Fraunhofer UMSICHT, spricht über die Potenziale und Grenzen
alternativer Kraftstoffe, den Stellenwert von grünem Wasserstoff und die
Frage, in welchen Anwendungen flüssige Energieträger weiterhin gebraucht
werden.

Elektromobilität ist ein zentraler Baustein der Energiewende. Welche Rolle
spielen künftig noch flüssige Kraftstoffe?

Andreas Menne: Flüssige Kraftstoffe werden auch in den kommenden Jahren
eine große Rolle spielen, vor allem in der Schifffahrt und im Luftverkehr.
Auch im Schwerlastverkehr, in der Landwirtschaft und teilweise in der
Logistik werden weiterhin Kraftstoffe mit hoher Energiedichte benötigt.

Es gibt verschiedene Arten von Flüssigkraftstoffen. Was bedeutet in diesem
Zusammenhang fossil, biogen und synthetisch?

Andreas Menne: Wir tanken heute hauptsächlich fossile Kraftstoffe, die aus
Erdöl gewonnen werden. Biogene Kraftstoffe wie Ethanol oder Biogas
basieren auf nachwachsenden Rohstoffen. Synthetische Kraftstoffe lassen
sich nicht immer trennscharf definieren. Grundsätzlich entstehen sie in
chemischen Prozessen, etwa durch Umwandlung von Wasserstoff und CO2 zu
Methanol oder mittels Fischer-Tropsch-Synthese. Die Rohstoffquellen können
hierbei, müssen aber nicht vollständig nachhaltig sein.

Welche Herausforderungen gibt es bei der Verfügbarkeit von grünem
Wasserstoff?

Andreas Menne: Grüner Wasserstoff ist im Prinzip in unbegrenzten Mengen
verfügbar, da zu seiner Erzeugung lediglich Wasser und Strom nötig sind.
In der Praxis stellen jedoch vor allem die Speicherbarkeit und die
aufwendige Logistik große Hürden dar. Sie treiben die bereits hohen Kosten
weiter in die Höhe. Wettbewerbsfähig lässt sich grüner Wasserstoff daher
vor allem in Regionen produzieren, in denen erneuerbarer Strom günstig und
kontinuierlich verfügbar ist. Es ist zudem sinnvoll, an diesen Standorten
auch gleich Wasserstoffderivate, also wasserstoffbasierte Energieträger
wie zum Beispiel synthetische Kraftstoffe oder Ammoniak, herzustellen, die
eine Langzeitspeicherung und somit den Transport über weite Strecken
ermöglichen. Allerdings benötigen auch die Umwandlungsprozesse selbst viel
Energie und erfordern hohe Investitionen.

Sind eher Biokraftstoffe die Lösung?

Andreas Menne: Biokraftstoffe können einen wichtigen Beitrag leisten, sind
aber keine alleinige Lösung. Die verfügbaren Mengen im Vergleich zum
gesamten Kraftstoffbedarf sind begrenzt. Besonders nachhaltige Rohstoffe
auf Basis von Reststoffen, die nicht mit der Nahrungsmittelproduktion
konkurrieren, sind bei Weitem nicht in ausreichender Menge verfügbar. Um
einen größeren Teil der vorhandenen biogenen Ressourcen auszuschöpfen,
kann es sinnvoll sein, die Verarbeitungsverfahren mit grünem Wasserstoff
zu kombinieren. Dadurch lassen sich bestimmte Prozesse effizienter
gestalten und Kosten senken.

Blicken wir auf den Markt: Wie viel Öl importiert Deutschland aus dem
Nahen Osten und welche Auswirkungen hat der Austritt der VAE aus der OPEC?

Andreas Menne:  Was die Importmengen betrifft, ist Deutschland direkt nur
in geringem Umfang vom Nahen Osten abhängig: Der Anteil liegt bei unter 10
Prozent. Die Folgen des OPEC-Austritts lassen sich derzeit noch nicht
seriös beziffern. Da Öl jedoch auf dem globalen Markt gehandelt wird,
wirken sich Preissteigerungen dort trotzdem auch hierzulande aus.

Ist abzusehen, ab wann fossile Kraftstoffe nicht mehr benötigt werden?

Andreas Menne: Fossile Kraftstoffe werden wir voraussichtlich noch über
einen sehr langen Zeitraum benötigen. In Deutschland werden pro Jahr rund
50 Millionen Tonnen Diesel, Benzin und Kerosin aus fossilen Quellen
verbraucht. Würde man diese Mengen vollständig durch nachhaltige
synthetische Kraftstoffe ersetzen, wären dafür etwa 180 Millionen Tonnen
CO2, 25 Millionen Tonnen Wasserstoff und für dessen Erzeugung 1500 TWh
erneuerbarer Strom erforderlich. Zum Vergleich: Deutschland erzeugt
derzeit jährlich nur etwa 20 Prozent dieser Strommenge. Daraus lassen sich
für die kommenden Jahre drei zentrale Punkte ableiten:

1. Die benötigten Kraftstoffmengen müssen deutlich sinken. Schon eine
Reduzierung um 50 Prozent hätte erhebliche Auswirkungen. Der größte Hebel
liegt dabei in der direkten Nutzung von Strom, weil sie mit einem
Wirkungsgrad von rund 80 Prozent wesentlich effizienter ist als die
Herstellung und anschließende Verbrennung synthetischer Kraftstoffe. Eine
Halbierung des Dieselverbrauchs und eine Reduzierung des Benzinverbrauchs
um 80 Prozent wären ein großer Schritt und durch eine konsequente,
zugleich realistische Elektrifizierung grundsätzlich erreichbar.

2. Die verfügbaren alternativen Kraftstoffe – biogene und synthetische –
müssen gezielt dort eingesetzt werden, wo eine Elektrifizierung nicht
möglich ist. Wenn sich der Bedarf an fossilen Kraftstoffen halbiert,
verdoppelt sich der Anteil der bereits heute genutzten Biokraftstoffe
rechnerisch von 5 auf 10 Prozent. Werden zusätzlich weitere nachhaltige
Quellen erschlossen, ist eine Steigerung des Anteils auf bis 20 Prozent
möglich.

3. Alle denkbaren Pfade setzen einen Ausbau erneuerbarer Energien und
einen hohen Anteil von Importen aus Ländern mit günstigem erneuerbarem
Strom voraus. Um die entsprechenden Kapazitäten zu realisieren, werden
größere Investitionen im Ausland unvermeidlich sein. Darüber hinaus
sollten auch bislang ungenutzte biogene Rohstoffe und Reststoffe
einbezogen werden, sofern ihre Bereitstellung nachhaltig und
wirtschaftlich umsetzbar ist. Für Deutschland erscheint dabei wie erwähnt
der Einsatz von Wasserstoff in der Herstellung biogener Kraftstoffe
sinnvoll, um Kosten zu reduzieren und begrenzte Potenziale bestmöglich zu
nutzen.

Die jeweilige Region ist also entscheidend für den Ausbau alternativer
Kraftstoffe.

Andreas Menne: Da alternative Kraftstoffe deutlich mehr kosten als fossile
Kraftstoffe und immense Investitionen notwendig sind, werden große
Industrienationen deutlich schneller umstellen können. Für Entwicklungs-
und Schwellenländer bietet die Umstellung große Chancen, ihre Energie zu
exportieren und Investitionen ins Land zu holen.

Welche politischen und wirtschaftlichen Rahmenbedingungen sind notwendig?

Andreas Menne: Politik und Ökonomie sind hier eng miteinander verknüpft.
Wenn Unternehmen in nachhaltige Kraftstoffe investieren sollen, brauchen
sie die Sicherheit, dass diese auch tatsächlich Absatz finden – trotz
ihrer deutlich höheren Kosten gegenüber fossilen Varianten. Das kann zum
Beispiel über Quotenregelungen geschehen, wie sie bereits bei
Biokraftstoffen angewendet werden. Ein weiterer Hebel wären Subventionen
für nachhaltige Kraftstoffe und höhere Preise für fossile Kraftstoffe –
was aber Stand heute wohl keine gute Lösung wäre. Ein Markteinstieg kann
auch über Nischenmärkte funktionieren, die im Kraftstoffsektor schon
substanziell groß sein können.

Was wäre denn ein solcher Nischenmarkt?

Andreas Menne: Ein Beispiel ist Methanol für die Biodieselproduktion – in
Deutschland werden etwa 200 000 Tonnen jährlich benötigt. Derzeit wird
dieses Methanol auf fossiler Basis bereitgestellt. Es wäre relativ
einfach, die Menge nachhaltig herzustellen: Eine Produktionsanlage mit
einer Kapazität von 300 000 Tonnen pro Jahr könnte wirtschaftlich
betrieben werden, wenn die Abnahme gesichert ist. Etwa 70 000 Tonnen
grüner Wasserstoff wären notwendig, was einem Strombedarf von 4 TWh
entspricht. Dieser Wert liegt unter der Menge an erneuerbarem Strom, der
durch die phasenweise Abschaltung entsprechender Anlagen nicht erzeugt
wird. Die Umsetzung ist auf dem Papier also durchaus realistisch. Aus
technologischer Sicht stellen die hierfür notwendigen Prozesse keine große
Herausforderung dar. Unterm Strich stünden bei dem beschriebenen Szenario
450 000 Tonnen eingespartes CO2, was den Emissionen von über 1500 Flügen
auf der Strecke Frankfurt - New York entspricht.

Mit wie viel Mehrkosten müssten Endverbraucher*innen in diesem Fall für
Biodiesel rechnen?

Andreas Menne: Die Kosten für nachhaltiges in Deutschland hergestelltes
Methanol liegen beim 4- bis 5-fachen im Vergleich zu fossilem Methanol.
Bezogen auf den Dieselpreis an der Zapfsäule wären es je nach
Mischverhältnis etwa 1 bis 2 Cent pro Liter mehr. Der CO2-Ausstoß pro
Liter Diesel würde geringfügig (<0,5 Prozent) sinken.

Ist es realistisch, dass synthetische und nachhaltige Kraftstoffe
mittelfristig auch außerhalb von Nischenmärkten preislich mit fossilen
Kraftstoffen konkurrieren?

Andreas Menne: Nein, das ist nicht realistisch und wird mit einem
Vergleich deutlich: Stellen Sie sich vor, Sie ernähren sich ausschließlich
aus einer stets vollen Vorratskammer mit Mikrowellengerichten. Sie müssen
das Essen nur herausnehmen und aufwärmen. Doch irgendwann merken Sie, dass
diese Ernährung auf Dauer krank macht und die Vorratskammer nicht
unendlich gefüllt bleibt. Also müssen Sie anfangen, Nahrungs- und
Futtermittel selbst anzubauen, was Personal, Wasser und Dünger erfordert.
Für Viehzucht, Ernte, Logistik und die Zubereitung der Nahrung werden
weitere Menschen und jede Menge Energie benötigt. Am Ende ist das selbst
hergestellte Essen um ein Vielfaches teurer als die fertigen
Mikrowellengerichte aus der Vorratskammer.

Ähnlich verhält es sich mit fossilen Rohstoffen. Momentan basiert unser
System darauf, dass wir Energieträger wie Öl oder Gas aus der Erde holen,
in denen Energie über Millionen Jahre eingespeichert wurde. Bei
erneuerbaren Energieträgern müssen wir den Herstellungsprozess auf wenige
Minuten verkürzen, um aus Wasser und CO2 mithilfe erneuerbarer Energie
dorthin zu kommen. Das kostet. Preislich konkurrenzfähig wären nachhaltige
Kraftstoffe erst, wenn wir Rohölpreise jenseits der 200 Dollar pro Barrel
oder eine CO2-Abgabe von über 300 Euro pro Tonne hätten.

Nochmal zur Politik: Sind die aktuellen Gesetze ausreichend, um einen
entsprechenden Markt für nachhaltige Kraftstoffe zu schaffen?

Andreas Menne: Die derzeitigen Zielvorgaben für CO2-Einsparung und
zulässige Rohstoffquellen schränken ein größeres Ausrollen nachhaltiger
Kraftstoffe und Investitionen in entsprechende Produktionsverfahren ein.
Die Gesetze basieren auf der Annahme, dass wir in nicht einmal 20 Jahren
eine weitestgehend CO2-neutrale Mobilität haben. Das schließt Verfahren
und Rohstoffe aus, die beispielsweise »nur« 50 Prozent CO2-Emissionen
reduzieren – was immer noch besser als eine 10-prozentige oder gar keine
Reduzierung wäre. Betrachten wir die Größe des Marktes und bedenken, dass
viele Fahrzeuge noch die nächsten 20 Jahre fahren werden, dann helfen in
naher Zukunft auch Verfahren, die vielleicht nicht 100 Prozent CO2
einsparen. Dafür aber wirtschaftlicher sind als nahezu perfekte Verfahren.

Gerade im Luftverkehr sind die Alternativen sehr begrenzt. Welche Rolle
spielen Sustainable Aviation Fuels?

Andreas Menne: Der Luftverkehr kann mittel- bis langfristig – vielleicht
auch nie – elektrifiziert werden. Eventuell gelingt es, in 20 oder 30
Jahren mit Wasserstoff zu fliegen. Aber bis dahin muss noch viel
Entwicklungsarbeit geleistet werden. Also benötigen wir hier noch
mindestens 50 Jahre flüssige Kraftstoffe mit hoher Energiedichte. SAF sind
aktuell die einzige Möglichkeit, die kurz- bis mittelfristig zur Verfügung
steht.

Wie unterscheiden sich SAF von klassischem Kerosin?

Andreas Menne: Die Kraftstoffe werden so designt, dass sie dem fossilen
Pendant möglichst nahekommen. Bei entsprechender Qualität können sie
grundsätzlich in bestehenden Triebwerken sowie in der heutigen Lager- und
Logistikinfrastruktur genutzt werden. Bevor SAF im Flugzeug eingesetzt
werden, müssen sie daher umfangreiche Tests bestehen und zertifiziert
sein. Derzeit sind sie in der Regel nur als Beimischung zu fossilem
Kerosin zugelassen, meist bis zu einem Anteil von maximal 50 Prozent. Zu
den zentralen Herausforderungen zählen neben der Qualität vor allem eine
wirtschaftliche Herstellung und die Nutzung von Nebenprodukten aus der
Produktion.

Aus welchen Rohstoffen und mit welchen Verfahren werden SAF hergestellt?

Andreas Menne: Die Rohstoffe sind ähnlich oder gleich wie bei anderen
erneuerbaren Kraftstoffen. Aktuell werden vor allem pflanzliche Fette und
Öle für SAF genutzt. Diese werden mit Wasserstoff umgesetzt und zu
sogenannten HEFA-Kraftstoffen (Hydroprocessed Esters and Fatty Acids) oder
HVO (Hydrotreated Vegetable Oils) verarbeitet. Nach weiteren
Veredelungsschritten entsteht daraus ein Gemisch, das dem herkömmlichen
Flugkraftstoff beigemischt werden kann.

Ein anderes Verfahren basiert auf dem Fischer-Tropsch-Prozess. Dabei wird
Synthesegas in längerkettige Kohlenwasserstoffe umgewandelt, die als
Flugkraftstoff genutzt werden können. Daneben gibt es Ansätze, bei denen
Alkohole wie Methanol, Ethanol oder Butanol zunächst in Olefine und
anschließend in turbinentaugliche Kohlenwasserstoffe weiterverarbeitet
werden.

Bei Fraunhofer UMSICHT forschen wir genau daran. Dabei erzeugen wir
meistens nicht nur SAF, sondern auch andere Kraftstoffe wie Diesel und
Benzin oder Komponenten, die SAF beigemischt werden können, zum Beispiel
spezielle aromatische Verbindungen. Unser Ziel ist es, dass möglichst viel
des anfangs eingesetzten Kohlenstoffs auch im SAF landet.

Gibt es bei der Produktion Konkurrenz zu Nahrungsmitteln, Wald- oder
Biodiversitätsdruck?

Andreas Menne: Bei den aktuell geringen Mengen nicht. Auch ist die Nutzung
von Nahrungsmitteln nicht erlaubt. Sollten bestimmte Prozesse, die auf
biogenen Stoffen basieren, hochskaliert werden, kann natürlich Konkurrenz
entstehen. Deswegen werden biobasierte Flugkraftstoffe allein nicht
ausreichen, sie können aber einen Beitrag leisten.

Was ist Ihr Fazit zum künftigen Umgang mit nachhaltigen Kraftstoffen?

Andreas Menne: Oft wird so diskutiert, als ließen sich fossile Kraftstoffe
kurzfristig vollständig ersetzen. Das ist nicht der Fall. Ich möchte daher
nochmal betonen, dass es realistischer ist, den Kraftstoffbedarf deutlich
zu senken, die direkte Nutzung von Strom konsequent auszubauen und
alternative Kraftstoffe gezielt in den Bereichen einzusetzen, die sich auf
absehbare Zeit nur schwer elektrifizieren lassen.