© Arno Evers, Sunny Houses Samal Island
Der deutsche Transportsektor verbraucht laut Umweltweltbundesamt heute etwa 700 Terawattstunden (TWh) an fossilen Kraftstoffen, die komplett importiert werden müssen. Der Anteil einheimischer Erzeugung von Sonnen- und Windstrom am deutschen Primärenergieverbrauch von knapp 3.000 TWh liegt heute bei gerade einmal bei sieben Prozent.
Das ist deshalb wichtig, weil nur Sonnen- und Windenergie die für die Energiewende erforderliche Skalierung ermöglichen. Bei Wasserkraft und Biomasse ist ein weiterer Ausbau nur sehr begrenzt möglich. Vor diesem Hintergrund scheint es mehr als fraglich, wie grüner Strom für die künftige E-Mobilität in ausreichender Menge und zu jeder Tages- und Jahreszeit verfügbar gemacht werden soll – und das auch noch bezahlbar.
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Energiebedarf im Verkehr erfordert neue Perspektiven
Deshalb möchte ich hier einmal beschreiben, welche Rolle Wasserstoff und seine Derivate (E-Fuels) bei der Verkehrswende spielen könnten. Laut aktueller Berichterstattung gehören E-Fuels eher in die Kategorie „Teufelszeug“: zu teuer und ineffizient in der Herstellung. Nur Flugverkehr und Handelsschifffahrt werden als unausweichliche Ausnahmen akzeptiert. Dabei muss das Energiesystem der Zukunft inklusive des Straßenverkehrs ganzheitlich betrachtet werden. Das findet allerdings kaum statt, ebenso wenig wie eine zeitlich aufgelöste Analyse.
Eine ganzheitliche Betrachtung hat zum Beispiel das Deutsche Institut für Wirtschaftsforschung (DIW) 2021 durchgeführt: In einem Energiesystem, das zu 100 Prozent auf erneuerbaren Energien basiert, bräuchte Deutschland etwa 80 Gigawatt (GW) an Elektrolyseuren zur Produktion von Wasserstoff und 100 GW an flexiblen Wasserstoff-Gasturbinen für die Stromerzeugung, unter anderem zum Laden der E-Fahrzeuge. Zum Vergleich: Heute sind etwa 30 GW an flexiblen Erdgaskraftwerken installiert.
Import von H2-Derivaten verringert Netzausbau
Das DIW untersuchte dabei auch, wie eine autarke Versorgung Deutschlands mit erneuerbaren Energien aussehen könnte: Würde man grüne Energie in Form von Wasserstoff oder E-Fuels aus sonnen- und windreichen Regionen importieren, ließe sich zum Beispiel der Netzausbau drastisch reduzieren.
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E-Fuels aus der Wüste: Produktion und Potenziale
Klimaneutrale Kraftstoffe werden aus CO2, Wasser und Sonnenlicht hergestellt. Ihre Herstellung findet künftig immer mehr in den Wüstenregionen der Erde statt. Billiger Strom aus Sonne und Wind kann in diesen weitgehend menschenleeren Regionen (Abb.1) nicht direkt genutzt werden. Somit gibt es auch keine Konkurrenz zu anderen Anwendungen.
Mit diesem Strom wird Wasserstoff per Elektrolyse erzeugt und aus ihm plus CO2 erhält man über katalytische Prozesse schließlich Methanol (Abb.2). Dieses kann wiederum in E-Benzin oder E-Kerosin (SAF) umgewandelt und direkt in heutigen Motoren oder Turbinen verwendet werden (Drop-In-Kraftstoffe).
Wasserstoff und E-Methanol können auch direkt in dafür angepassten Motoren eingesetzt werden. Das für die Herstellung notwendige CO2 stammt heute meist aus Biomasse (z.B. aus der Biogas- oder Ethanol-Erzeugung). Auch industrielle CO2-Quellen etwa aus der Zementherstellung oder Müllverbrennung eignen sich gut für die Produktion von E-Fuels.
Das mengenmäßig größte Potential liegt in der Adsorption von CO2 aus der Atmosphäre (Direct-Air-Capture, DAC). Die zweite Generation an DAC-Technologien mit deutlich reduziertem Energiebedarf ist weltweit in der Entwicklung; vor allem in den USA und China. Einige Unternehmen holen dabei außer Kohlendioxid auch das Wasser zur Erzeugung von Wasserstoff aus der Luft. Im deutschsprachigen Raum machen das z. B. Phlair und Obrist. Bei allen anderen Technologien wie der Wasserelektrolyse, der Methanol-Synthese oder der Methanol-to-Olefin-Technologie zur Erzeugung von E-Benzin oder E-Kerosin handelt es sich um industriell etablierte Prozesse.
In den letzten Jahren haben sich die Aktivitäten zur Herstellung von E-Fuels sehr dynamisch entwickelt. Die internationale Handelsschifffahrt ist zum größten Abnehmer für E-Methanol geworden. Neue Schiffe werden mit Dual-Fuel-Motoren ausgerüstet. Diese können zunächst mit relativ sauberem Schiffsdiesel betrieben werden und dann – sobald verfügbar oder gefordert – auf E-Methanol umstellen.
Weltweit entstehen derzeit viele Produktionsanlagen für grüne Methanol.
Eine wichtige Rolle spielen neben chinesischen Unternehmen die dänischen Firmen Maersk und European Energy. Auch die arabische Halbinsel entwickelt sich zum Hotspot für die Produktion von H2-Derivaten wie E-Methanol und E-Ammoniak.
Die größte Anlage mit 1,4 Millionen Tonnen Kapazität baut derzeit allerdings das in Peking ansässige Unternehmen Goldwing in der Inneren Mongolei auf. In China fahren heute etwa 50.000 Pkw mit Methanol. Besonders interessant wird die Nutzung der synthetischen Kraftstoffe in Elektrofahrzeugen mit Range-Extender (Extended Range Electric Vehicle, EREV). Im Jahr 2024 wurden in China eine Million dieser effizienten, noch mit fossilen Kraftstoffen betriebenen Fahrzeuge zugelassen. VW will in diesem Jahr seinen ersten E-SUV mit Range-Extender auf den chinesischen Markt bringen – und damit auch die 1000-Kilometer-Marke bei der Reichweite knacken.
In diesem Jahr stellt die Formel1 auf klimaneutrale Kraftstoffe wie E-Benzin um. Die gleichzeitig geforderte Hybridisierung dieser Antriebe reduziert den Spritverbrauch um 25 Prozent. Das E-Benzin wird von Saudi Aramco hergestellt. Bei einer großtechnischen Produktion rechnen sowohl Saudi Aramco als auch einige Studienautoren mit Herstellkosten von 80 Cent pro Liter.
Unser heutiges Energiesystem basiert zu etwa 80 Prozent auf Öl, Kohle und Erdgas.
In Deutschland, wie auch weltweit. Sie verursachen die immer noch steigenden CO2-Emissionen von rund 40 Milliarden Tonnen pro Jahr (Statista). Die für fossile Energien notwendige Infrastruktur, von der Pipeline bis zur Tankstelle, wurde über Jahrzehnte aufgebaut und optimiert – und ist bis heute voll funktionsfähig. Öl, Kohle und Erdgas sind der weltweit bedeutendste Wirtschaftsfaktor mit einem Umsatz von mehr als sechs Milliarden Dollar pro Tag nur für Rohöl. Mit der Veredelung des Rohöls zu den alltäglich genutzten Kraftstoffen verdreifacht sich der Umsatz.
Nachdem 96 Prozent aller Pkw und mehr als 99 Prozent aller Nutzfahrzeuge heute mit fossilen Kraftstoffen auf Deutschlands Straßen unterwegs sind, erfordert die komplette Umstellung auf klimaneutrale Energieträger (Strom, Wasserstoff, E-Fuel) eine gut durchdachte und langfristige Strategie.
Wenn trotz ihres enormen Wachstums in den vergangenen Jahren Solar- und Windenergieur heute nur sieben Prozent des deutschen Primärenergiebedarfs ausmachen, ist offen, wie sie künftig die dominierende Rolle bei der Energieversorgung übernehmen sollen. Außerdem bleibt ihre volatile Erzeugung eine große Herausforderung. So gibt es hierzulande laut Deutschem Wetterdienst nur etwa 1.800 Sonnenscheinstunden im Jahr oder etwa 130 Tage mit Sonnenschein. In den Wüsten gibt es dagegen 360 Sonnentage (Abb.1).
In den restlichen rund 7.000 Stunden (fast 80 Prozent der Zeit) steht bei uns auch künftig kein Sonnenstrom zur Verfügung. Wind ist ebenfalls nur begrenzt verfügabr, denn bei Hochdruckwetterlagen gibt es für viele Tage, manchmal Wochen, nur wenig Strom aus Windkraftanlagen. Batterien eignen sich nur als Kurzzeitspeicher und Puffer des temporär hohen Leistungsbedarfs beim Schnellladen. Auch bedarf es regelmäßig ausreichend grünen Stroms zum Wiederaufladen der Batteriespeicher. Die meiste Zeit über müssen Kraftwerke den Strombedarf decken, die bislang fossil und künftig mit Wasserstoff betrieben werden – für unseren heutigen Stromverbrauch und in Zukunft zusätzlich für das Laden der batterie-elektrischen Fahrzeuge (Abb. 3).
Die aktuell installierten 200 GW an Photovoltaik und Windenergie führen andererseits temporär zu hohen Überschüssen an Strom, die trotz der dann sehr niedrigen, oft negativen Preise, keinen Abnehmer finden und abgeregelt werden müssen. Diesen überschüssigen Strom in Form von Wasserstoff zu speichern, wird ein essentieller Baustein des künftigen Energiesystems, so wie es das DIW berechnet hat.
(Quelle der Zahlen: Umweltbundesamt) © NEONBOLD
Was bedeutet das für die Energieversorgung des Verkehrs von morgen?
Das auf der Erde verfügbare Potential an Sonnen- und Windenergie übersteigt den heutigen Energiebedarf der Welt um ein Vielfaches. Die Wüsten im Sonnengürtel und die langen, windreichen Meeresküsten ermöglichen die Erzeugung riesiger Mengen Grünstrom (Abb.1). In diesen meist menschenleeren Regionen kann er kaum genutzt werden, außer man würde dort flüssige Kraftstoffe erzeugen. Per Schiff, Bahn und Lkw können sie dann zum Verbraucher in den dicht besiedelten Gebieten der Erde transportiert werden.
E-Methanol ist dafür einer der attraktivsten Energieträger. Er kann direkt in leicht angepassten Motoren genutzt oder zu den etablierten Kraftstoffen wie Benzin oder Kerosin weiter veredelt werden (Abb.2). Wenn in den sonnenreichen Regionen mit einem Solarmodul zwei bis dreimal so viel Strom wie in Deutschland produziert, aber lokal nicht genutzt werden kann, macht auch die so beliebte Diskussion um Wirkungsgrade keinen Sinn mehr (Abb.4). Entscheidend sind die Kosten für Herstellung und Transport des Kraftstoffes. Und nicht vergessen: die Speicherfrage ist bei diesen Energieträgern gelöst.
Die Vielzahl effizienter E-Antriebe
In der öffentlichen Kommunikation wird der Begriff „E-Fahrzeug“ automatisch mit batterie-elektrischen Antrieben gleichgesetzt. Dabei gibt es viele Varianten an elektrischen Antrieben. Rein batterie-elektrische Fahrzeuge (Battery Electric Vehicle, BEV) speichern die notwendige Energie in Batterien, die beim Pkw bis zu 800 Kilogramm und bei Lkw und Bussen oft mehr als 5.000 Kilogramm wiegen. Bei Brennstoffzellen-Antrieben (Fuel Cell Electric Vehicle, FCEV) wird der Strom zum Fahren an Bord aus Wasserstoff erzeugt. In Kombination mit einer deutlich kleineren Batterie, welche die Rückgewinnung vom Bremsenergie ermöglicht, wird ein effizienter, emissionsfreier Antrieb möglich, der vor allem für Fahrzeuge mit hohem Energieverbrauch und hoher Fahrleistung vorteilhaft ist (kurze Betankungszeiten und geringeres Gesamtgewicht).
© Fraunhofer ISE, Energy-Charts / NEONBOLD
Range-Extender als Brückentechnologie
Bei E-Fahrzeugen mit einem Range Extender (Extended Range Electric Vehicle, EREV) wird eine kleine Batterie (bei Pkw etwa 20 kWh) von einem Stromgenerator auf Basis eines Verbrennungsmotors bei Bedarf an Bord nachgeladen. Der Motor des Stromgenerators wird in dem Betriebspunkt (Drehzahl und Leistung) mit einem hohen Wirkungsgrad von mehr als 40 Prozent und minimalen Schadstoffemissionen betrieben.
Das Tanken von flüssigen Kraftstoffen (E-Fuels) funktioniert wie bei den konventionellen Fahrzeugen. In der omnipräsenten Diskussion zu Wirkungsgraden wird entweder nur die Effizienz des Fahrzeugs (vom Tank bis zum Rad) betrachtet oder angenommen, dass immer ausreichend grüner Strom direkt zum Laden zur Verfügung steht (Abb.4, Pfad oben). Dies ist aber relativ selten der Fall, z. B. an den sonnigen Sommertagen zur Mittagszeit oder bei stürmischem Wetter.
Auch eine Zwischenspeicherung über Batterien ist nur begrenzt möglich. Die meiste Zeit kommt der zusätzlich zum Laden der Fahrzeuge notwendige Strom aus einem thermischen Kraftwerk mit einem Wirkungsgrad von maximal 40 Prozent. Damit reduziert sich der Gesamtwirkungsgrad von der Stromerzeugung bis zum Rad unter das Niveau von Verbrennungsmotoren.
Doch diese Betrachtung findet so gut wie nie statt. Die direkte Nutzung von Wasserstoff in Brennstoffzellen-Antrieben ist dann sogar effizienter als ein BEV, dessen Strom aus dem Kraftwerk kommt. Im Sonnengürtel der Erde wird Solarstrom inzwischen für einen Cent pro Kilowattstunde erzeugt. Daraus kann dann sehr kostengünstig Wasserstoff hergestellt und zu E-Fuels weiterverarbeitet werden (Abb.2).
In einer ganzheitlichen Betrachtung ist dies sogar relativ effizient und vor allem aufgrund der sehr niedrigen Stromkosten auch preislich attraktiv. Für E-Fuels werden bei großtechnischer Produktion Kosten von acht Cent pro kWh erwartet. Das ist etwa doppelt so viel wie fossiles Benzin heute kostet. Durch den effizienten Range Extender würde sich der Verbrauch halbieren und die Kosten pro Kilometer blieben gleich. Im Vergleich zu einem Strompreis von 80 Cent pro Kilowattstunde an einer Schnellladesäule ist das sehr günstig, auch umgerechnet auf den Verbrauch pro Kilometer. Heute sind E-Fuels erst begrenzt verfügbar, weshalb es noch keine Marktpreise geben kann. Diese entwickeln sich allerdings in einem etablierten Gesamtsystem.
Fazit
Bei einer ganzheitlichen Betrachtung sind E-Fuels eine attraktive Option, vor allem für effiziente Range Extender E-Antriebe. Die vorhandene Infrastruktur für die flüssigen Kraftstoffe spart Investitionen und erfreut sich einer hohen Akzeptanz bei den Nutzern. Der extrem teure Ausbau der Ladeinfrastruktur und des Stromnetzes, wie auch die Investitionen in Spitzenlastkraftwerke für die bedarfsgerechte Erzeugung von Strom, könnten dann entfallen. Brennstoffzellen, Elektrolyseure und Range Extender bieten ein hohes Potential für heimische Wertschöpfung. Sie könnten ein zentraler Baustein für die Energiewende sein, die nur mit technologischer Vielfalt erfolgreich umgesetzt werden kann.
