E-Fuels: Wie werden E-Fuels hergestellt und was sind die Vor- und Nachteile dieser Kraftstoffe?

• E-Fuels werden als klimafreundliche Alternative zu herkömmlichen Kraftstoffen diskutiert.
• Ihr Einsatz könnte CO2-Emissionen reduzieren und elektrische Antriebe ergänzen.
• Allerdings benötigt die Herstellung von E-Fuels sehr viel Ernergie. Über die Vor- und Nachteile von E-Fuels.

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E-Fuels können möglicherweise langfristig eine Ergänzung zur Elektromobilität darstellen - allerdings wohl nur dann, wenn ihre Effizienz deutlich verbessert werden kann. Daran wird derzeit intensiv geforscht. In der EU dürfen ab 2035 nur noch Elektrofahrzeuge neu zugelassen werden. Ob Neuwagen mit Verbrennermotor weiterhin erlaubt werden, wenn diese mit E-Fuels betankt werden, soll nach Beschlüssen der EU-Länder geprüft werden.

Was sind E-Fuels?

Als E-Fuels bezeichnet man synthetisch erzeugte, flüssige Kraftstoffe, die mit Strom, sowie Wasser und CO₂ hergestellt werden. Sie können klimaneutral produziert werden, wenn bei der Herstellung neben CO₂ aus der Atmosphäre ausschließlich erneuerbare Energie eingesetzt werden. E-Fuels könnten somit heutige konventionelle Kraftstoffe langfristig ersetzen, den klimaschädlichen CO₂-Ausstoß reduzieren und so einen wichtigen Beitrag zum Klimaschutz leisten - allerdings nur, wenn die eingesetzte erneuerbare Energie nicht gleichzeitig an anderer Stelle fehlt.

"Unter E-Fuels, manchmal auch electro-fuels, versteht man synthetische Kohlenwasserstoffe oder auch Alkohole wie etwa Methanol, die mithilfe von elektrischer Energie aus Kohlendioxid und Wasser hergestellt werden. Da elektrische Energie, also vereinfacht "Strom", angewandt wird, um aus den energiearmen Ausgangsstoffen Kohlendioxid und Wasser energiereiche Kraftstoffe zu machen, nennt man E-Fuels auch strombasierte Kraftstoffe“, sagt Roland Dittmeyer, Leiter des Instituts für Mikroverfahrenstechnik am Karlsruher Institut für Technologie.

Wie werden E-Fuels hergestellt?

"Bei der Herstellung von E-Fuels wird im Prinzip im ersten Schritt flüssiges Wasser durch Elektrolyse in Wasserstoff und Sauerstoff gespalten. Wasserstoff ist ein energiereiches Molekül, das im Anschluss mit Kohlendioxid in einen synthetischen Kraftstoff umgewandelt werden kann. Je nachdem, welchen E-Fuel man herstellen möchte, gibt es Unterschiede im Verfahren. Methanol zum Beispiel kann man an einem geeigneten Katalysator direkt aus Wasserstoff und Kohlendioxid herstellen. Man bekommt eine Mischung aus Methanol und Wasser, aus der man durch Destillation das reine Methanol gewinnen kann. Kerosin, Diesel oder Benzin kann man dann in weiteren Schritten entweder über die sogenannte Fischer-Tropsch-Synthese oder aus Methanol herstellen,“ so Dittmeyer.

Für diese Elektrolyse wird Strom benötigt, er kann aus Wasserkraftanlagen und von Wind- oder Solaranlagen gewonnen werden. Idealerweise kommt dabei überschüssiger, regenerativer Strom zum Einsatz, der sonst nicht vom Netz aufgenommen werden könnte.

Wofür können sie eingesetzt werden?

E-Fuels können in Form von Gas, Benzin, Diesel oder Kerosin für den Antrieb von Fahrzeugen, Schiffen und Flugzeugen verwendet werden. Vor allem in Bereichen, in denen Elektromotoren aus Gründen des Gewichts oder einer noch zu geringen Reichweite keine Alternative darstellen, haben sie große Bedeutung. E-Fuels können herkömmlichen Kraftstoffen zunächst beigemischt werden, um die anfänglich höheren Produktionskosten abzuschwächen und ersetzen diese mit der Zeit dann vollständig.

Auch PKW können mit E-Fuels angetrieben werden. Der aktuelle Fahrzeugbestand mit Verbrennungsmotoren müsste somit nicht vernichtet werden, sondern könnte mit den synthetischen Kraftstoffen umweltbewusster weiter fahren.

"E-Fuels sind vor allem für die Luftfahrt, die Schifffahrt und für den Schwerlastverkehr von Interesse, da es für diese Anwendungen wegen der geforderten hohen Energiedichte zumindest kurz und mittelfristig keine Alternative zu flüssigen Kraftstoffen gibt. E-Fuels können aber auch in PKW eingesetzt werden, wobei hier je nach Motor Diesel- oder Ottokraftstoffe benötigt werden. Diese können grundsätzlich nach den beschriebenen Verfahren hergestellt und im Allgemeinen auch in Bestandsfahrzeugen eingesetzt werden. Bei Oldtimern können bei Bedarf Additive verwendet werden, um die geforderten Spezifikationen zu erfüllen,“ erklärt der Chemieingenieur gegenüber der Redaktion.

Auch Heizungsanlage, die mit flüssigen Brennstoffen betrieben werden, können ohne Umbaumaßnahmen auf E-Fuels umgestellt werden und die Umwelt durch ihren Einsatz schonen.

Was sind Vor- und Nachteile von E-Fuels?

Was für E-Fuels spricht:

• E-Fuels können klimaneutral hergestellt werden und besitzen dabei die gleichen Eigenschaften wie Benzin, Diesel oder Kerosin.
• Sie können ohne Umrüstung für Bestandsfahrzeuge genutzt werden und flächendeckend über das bestehende Tankstellennetz abgegeben werden.
• E-Fuels können mit Sonnen- und Windenergie produziert werden.
• Für den Flug-, Schiff- und Schwerlastverkehr sind sie aktuell die einzige technisch sinnvolle Alternative zu herkömmlichen Kraftstoffen.

Was gegen E-Fuels spricht:

• Bei der Umwandlung von Strom in synthetischen Kraftstoff geht viel Energie verloren. Der Wirkungsgrad von E-Fuels liegt nur bei etwa 10 bis 15 Prozent. Elektroautos können 80 bis 90 Prozent der Ausgangsenergie umsetzen.
• Die Erzeugung von regenerativem Strom schwankt und wird in Deutschland vermutlich nicht zur Deckung des Bedarfs ausreichen. Man wäre also auf regenerativen Strom aus anderen Ländern angewiesen.
• Aktuell ist die Herstellung von E-Fuels teuer und eine realistische Preisangabe pro Liter synthetischer Kraftstoff nicht wirklich möglich. Prognosen rechnen mit einem Preis von 1,45 bis 2,24 Euro für einen Liter E-Benzin inklusive Steuern im Jahr 2050.

"Vorteile der E-Fuels sind die hohe Energiedichte und die Möglichkeit, bestehende Infrastrukturen zur Lagerung und Verteilung sowie existierende Fahrzeuge, Schiffe und Flugzeuge weiter verwenden zu können. Insbesondere bei Flugzeugen, Schiffen, Lastkraftwagen und schweren Arbeitsmaschinen liegen teilweise sehr lange Nutzungszeiträume vor, die einem raschen Umstieg, sofern dieser überhaupt technisch möglich ist, entgegen stehen.

Der Nachteil der E-Fuels liegt in den Umwandlungsverlusten, einerseits bei der Herstellung der Kraftstoffe und andererseits auch bei der Anwendung im Motor oder in der Turbine. Diese bringen gegenüber einer rein elektrischen Lösung einen erhöhten Strombedarf mit sich, der allerdings dann nicht oder weniger ins Gewicht fällt, wenn am Standort der Herstellung kostengünstiger, nicht anderweitig verwertbarer Strom zur Verfügung steht oder gestellt werden kann,“ erläutert Dittmeyer.

Wie ist der Stand der Forschung?

Die Forschung und Entwicklung der klimaneutralen Kraftstoffe ist bereits auf dem Stand, diese im industriellen Maß herstellen zu können, dennoch müssen die synthetischen Kraftstoffe noch effizienter werden, um ausreichend davon für verschiedene Bereiche zur Verfügung zu haben. Daran forscht unter anderem das Karlsruher Institut für Technologie, es geht davon aus, dass ein Wirkungsgrad von bis zu 60 Prozent möglich ist.

Mit entsprechenden politischen Entscheidungen könnte der Einsatz und die Produktion von E-Fuels im großen Stil vorangetrieben werden. Aktuell fehlten aber die entsprechenden Rahmenbedingungen sowie Förderungen und Anreize für weitere Investitionen.

"Die Verfahren zur Herstellung von E-Fuels sind im Grundsatz bekannt und zumindest in Teilen auch bereits großtechnisch erprobt. Die Forschung arbeitet vor allem an neuen Katalysatoren und Reaktortechnologien, die einen flexibleren Betrieb, eine kompaktere Bauweise, erhöhte Ausbeute, Selektivität und Langzeitstabilität sowie einen einfacheren Verfahrensaufbau ermöglichen. Man forscht unter anderem noch an der Wärmeintegration der einzelnen Stufen der Prozessketten zur Herstellung der E-Fuels, um die energetischen Verluste zu minimieren, sowie an flexibleren Anlagenkonzepten auf Basis modularer standardisierter Komponenten, die eine verteilte Herstellung von E-Fuels wirtschaftlich ermöglichen sollen.

Ein weiterer Fokus liegt auf der Weiterentwicklung der Kraftstoffe hinsichtlich der Schadstoffemissionen bei der Verbrennung. Eine Herausforderung bei diesen Verfahren sind auch die Kosten und die großen benötigten Mengen an erneuerbarer elektrischer Energie. Durch Erhöhung der Energieeffizienz sowie der Lastflexibilität der Prozessketten lassen sich diese Kosten reduzieren“, sagt der Experte.

Können E-Fuels eine Alternative zu Elektroautos sein oder diese ergänzen?

Im Verkehrssektor können verschiedene Antriebsarten einen Beitrag zum Klimaschutz leisten, je nach Betrachtungsweise haben sie unterschiedliche Vor- und Nachteile. Eine universelle, ideale Technologie für alle Sektoren gibt es noch nicht. Hinsichtlich des Erreichens der Klimaziele sind die Senkung der CO2-Emission und der vermehrte Einsatz regenerativer Energien ausschlaggebend.

Den Einsatz von E-Fuels in naher Zukunft schätzt Dittmeyer wie folgt ein: "Technisch wäre es möglich, bis zum Ende dieses Jahrzehnts signifikante Mengen an E-Fuels auf den Markt zu bringen, gleichwohl sicher nicht die Mengen an Kraftstoffen, die heute im PKW-Bereich eingesetzt werden. Aufgrund des hohen Strombedarfs befürchtet man aber, dass dann nicht genügend Ökostrom für andere Anwendungen, etwa in der Industrie, zur Verfügung steht. Da die Herstellung von E-Fuels für Flugzeuge, Schiffe, den Schwerlastverkehr auf der Straße und für schwere Arbeitsmaschinen unstrittig ist und bei der Herstellung auch andere Fraktionen entstehen, die im PKW genutzt werden könnten, wäre die Zulassung und Anrechnung von E-Fuels als nachhaltige Kraftstoffe grundsätzlich auch im PKW sinnvoll.

Auch dann, wenn in zehn Jahren oder schon früher keine neuen Verbrennungsmotoren für PKW mehr zugelassen werden, gibt es auch für längere Zeit danach noch eine erhebliche Bestandsflotte, deren Kohlendioxidemissionen auf diesem Wege reduziert werden könnten. Angesichts der Klimakrise wäre ich für jeden Beitrag zur Reduktion der Kohlendioxidemissionen dankbar.“

Welche Meinung hat die Politik dazu?

Die Politik diskutiert aktuell, wie die vereinbarten Klimaziele am schnellsten und besten erreicht werden können. Vorschläge unter anderem: Fahrzeuge mit Verbrennungsmotor sollen durch Elektroautos ersetzt, der Luftverkehr und die Schifffahrt sollen in den nächsten Jahren klimaneutral werden.

Am 28. Juni 2022 haben die EU-Länder nun entschieden, dass Neuwagen in der EU ab 2035 emissionsfrei sein müssen. Diesem Entschluss muss das EU-Parlament im Herbst noch zustimmen, bevor er in Kraft tritt.

Innerhalb der Bundesregierung hatte bezüglich dieser Entscheidung Uneinigkeit geherrscht. Erst während der Verhandlungen fand sie intern einen Kompromiss. Wirtschaftsminister Robert Habeck und Umweltministerin Steffi Lemke, beide von den Grünen, plädierten für das Aus von Verbrennungsmotoren, die FDP und Finanzminister Christian Lindner lehnten ein komplettes Verbot von Neuwagen mit Verbrennungsmotor ab und forderten dagegen, Fahrzeuge mit Verbrennungsmotor auch nach 2035 neu zulassen zu können, wenn diese ausschließlich mit klimafreundlichen E-Fuels betankbar seien. Auch Italiens Umweltminister setzte sich bei den Verhandlungen der EU für diese Art von Ausnahme ein.

Die EU-Länder einigten sich deshalb nun auf einen Kompromiss: Die EU-Kommission soll prüfen, ob es Ausnahmen für Verbrennerfahrzeuge mit E-Fuels geben kann.

Verwendete Quellen:

• Interview mit Professor Dr. Roland Dittmeyer
• UNITI Bundesverband mittelständischer Mineralölunternehmen e.V.: E-Fuels. Die Lösung für den klimaneutralen Verkehr von morgen
• tagesschau.de: Neuwagen sollen ab 2035 emissionsfrei sein, 29. Juni 2022

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