353x353px|mini|Beschreibung der Power-to-Liquid-Teilprozesse als Beispiel
Unter dem Begriff Power to Liquid (PtL) (deutsch etwa: „Elektrische Energie zu Flüssigkeit“) versteht man die Herstellung von Flüssigkraftstoff mithilfe elektrischen Stroms. Bei dem PtL-Prozess handelt es sich um eine Aneinanderreihung verschiedener Teilprozesse. Dieses Verfahren wurden bis 2025 noch kaum großtechnisch eingesetzt, ermöglicht aber potenziell die Kraftstoffversorgung aus regenerativ erzeugtem Strom für die Sektoren, die auf Flüssigkraftstoff nicht verzichten können (wie z. B. die Luftfahrt oder die Schifffahrt).
Der ebenfalls diskutierte Einsatz in der Kraftfahrzeug-Bestandsflotte sei laut Beiträgen beim Fraunhofer-Institut für System- und Innovationsforschung sowohl aus ökologischer wie auch aus wirtschaftlicher Sicht keine Alternative zum batterieelektrischen Antrieb.
Prozessbeschreibung Stromherstellung Grundsätzlich könnte jeder elektrischer Strom bei der Herstellung von PtL eingesetzt werden, doch wäre die Gewinnung von PtL aus fossilen Kraftstoffen aufgrund der vielen Umwandlungsschritte und -verluste weder ökonomisch noch ökologisch sinnvoll. Gleiches gilt auch für die Gewinnung von PtL aus der Verstromung von Biomasse. Ökologisch sinnvoll ist lediglich die Gewinnung aus erneuerbaren Energien (Wind, Solar, Wasser), also aus elektrisch erzeugtem grünem Wasserstoff. Eine Gewinnung von PtL auf Basis des aktuellen Strommixes der Bundesrepublik Deutschland wäre im Vergleich mit der Gewinnung der gleichen Kraftstoffmenge aus fossilem Rohöl nur mit einer geringen Reduzierung des CO2-Ausstoßes verbunden.
Elektrolyse Die für den PtL-Prozess typische Elektrolyse ist die Wasserelektrolyse, bei der Wasser (H2O) in seine Komponenten Wasserstoff (H2) und Sauerstoff (O2) aufgespalten wird.
Hierbei gibt es drei wesentliche Elektrolyseformen, dabei ist die PEM-Elektrolyse der alkalischen Elektrolyse dahingehend überlegen, als sie über eine große Teillastflexibilität verfügt, die theoretisch von 0 bis 100 % geht, wobei in der Praxis von einer unteren Grenze von ca. 5 % der nominalen Leistung aufgrund des Eigenverbrauchs der Peripheriekomponenten auszugehen ist. Die Startzeit bei einem Kaltstart beträgt rund zehn Minuten, die Zeit aus dem Stand-by bis zur Nennleistung nur zehn Sekunden. Bei der Hochtemperaturelektrolyse steht eine hohe Effizienz der erforderlichen Zuführung von thermischer Energie entgegen, die nicht durch Strom erzeugt werden sollte; dieses Verfahren arbeitet mit einem Temperaturniveau von 800 bis 1000 °C. Wenn die nachgelagerte Synthese am selben Standort wie die Elektrolyse erfolgt, kann die Abwärme des Syntheseprozesses als Wärmequelle verwendet werden, konkurriert dann allerdings im Falle einer CO2-Gewinnung aus der Umgebungsluft mit dem damit verbundenen Energiebedarf.
CO2-Bereitstellung Neben Energie und Wasser ist CO2 der dritte wesentliche Einsatzfaktor für den PtL-Prozess. CO2 ist praktisch überall in der Atmosphäre vorhanden, aber nur in einer sehr geringen Konzentration von 0,04 %. Deshalb erfordert eine direkte Gewinnung aus der Erdatmosphäre den Durchsatz sehr großer Mengen an Luft und ist daher entsprechend aufwändig. Eine grundsätzlich einfachere Art ist die Gewinnung aus den Abgasen stationärer Emitter, in denen das CO2 in ungleich größeren Anteilen enthalten ist.
Gewinnung von CO2 aus den Abgasen stationärer Emitter Die wichtigsten stationären Emitter sind für Deutschland in Tabelle 1 zusammengestellt. In der Schweiz wird die erste Power to Liquid Anlage bei einer Kehrichtverbrennungsanlage zu stehen kommen.Andrea Söldi: Hier wird mit Alkohol geheizt, Tages-Anzeiger, 28. Mai 2025, S. 15, Titel der Printausgabe
Tabelle 1: Stationäre CO2-Quellen in der Bundesrepublik Deutschland, 2016 IndustrieCO2-Menge im Jahr (Mio. Tonnen)AnmerkungenBraunkohlekraftwerke159Annähernd kontinuierlicher BetriebSteinkohlenkraftwerke96Diskontinuierlicher BetriebStahlindustrie57Mineralölraffinerien23Zementindustrie gesamt23Zementindustrie energiebedingt11Hoher Anteil alternativer BrennstoffeZementindustrie rohstoffbedingt12Kalkindustrie gesamt8Kalkindustrie energiebedingt5Kalkindustrie rohstoffbedingt3Ammoniakherstellung gesamt6Annähernd kontinuierlicher BetriebAmmoniakherstellung CO2-Prozessgas4Reinheitsgrad 99,5 %Ammoniakherstellung energiebedingt (Rauchgas)2Glasindustrie4Annähernd kontinuierlicher BetriebBiobasierte CO2-QuellenBiogasanlagen1Verteilt auf hunderte AnlagenBioabfallvergärung0,3Klärgasanlagen0,8Verteilt auf hunderte AnlagenBioethanolherstellung1 Der bei weitem größte Teil der industriellen CO2-Emissionen entsteht durch die Verbrennung zur Energiegewinnung, entweder zur Stromgewinnung im Kraftwerk oder zur Erzeugung von Prozesswärme (z. B. an Hochöfen oder bei der Glasherstellung). Diese Verbrennungsabgase haben unvermeidlich einen hohen Anteil von Verunreinigungen durch Ruß, Stickstoff oder andere Produkte unvollständiger Verbrennung. Bei Einsatz schwefelhaltiger fossiler Brennstoffe muss auch mit der Präsenz von Schwefel und Schwefelverbindungen im Abgas gerechnet werden. Das besondere Augenmerk richtet sich hierbei vor allem auf Kohlekraftwerke, da diese einerseits einen annähernd kontinuierlichen Betrieb haben und große CO2-Emissionen aufweisen. Es existieren unterschiedliche Verfahren diese CO2-Mengen abzutrennen, u. a. das Post-Combustion-Verfahren und das Oxyfuel-Verfahren, wobei die Integration einer Oxyfuel-Anlage deutlich komplexer ist als die einer nachgeschalteten Rauchgasbehandlung wie beim Post-Combustion-Verfahren. Beide Verfahren ermöglichen die Gewinnung von CO2 mit einem sehr hohen Reinheitsgrad. Beispielsweise konnte beim Pilotprojekt „Schwarze Pumpe“, wo ein Oxyfuel-Verfahren zum Einsatz kam, CO2 mit einer Reinheit von bis zu 99,7 % gewonnen werden. Auch wenn Punktquellen mit verbrennungsbedingten CO2-Emissionen erhebliche Vorteile wie zum Beispiel einen geringen Energieaufwand sowie geringere Kosten mit sich bringen, muss beachtet werden, dass das PtL nicht per se als CO2-neutral bezeichnet werden kann.
Nur ein relativ geringer Anteil der CO2-Emissionen ist rohstoffbedingter Natur und daher unvermeidlich. Die größte Menge derartiger CO2-Emissionen findet in der Zementindustrie mit etwa 12 Millionen Tonnen im Jahr statt. Der Reinheitsgrad derartiger CO2-Emissionen ist tendenziell deutlich höher. Am größten ist er in der Ammoniakherstellung, wo das CO2 prozessbedingt fast rein anfällt (99,5 %).
Als Produkt natürlicher biologischer Zersetzung fällt CO2 bei Biogasanlagen, der Bioabfallvergärung, Kläranlagen und bei der Bioethanolherstellung an. Auch dieses CO2 hat tendenziell einen sehr hohen Reinheitsgrad. Die absolut jährlich anfallende Menge ist allerdings mit insgesamt 3 Millionen Tonnen CO2 eher gering und entspricht stöchiometrisch nur etwa dem Kohlenstoffäquivalent einer Million Tonnen Kerosin. Darüber hinaus fällt dieses CO2 dezentral verteilt auf Hunderte von Anlagen an.
Insgesamt liegen die rohstoff- oder zersetzungsbedingten CO2-Emissionen bei rund 22 Millionen Tonnen im Jahr, was stöchiometrisch etwa 7 Millionen Tonnen Kerosin oder Dieselkraftstoff entspricht. Die verbrennungsbedingten CO2-Emissionen betragen mehr als das Zehnfache.
Gewinnung von CO2 aus der Atmosphäre Die Gewinnung von CO2 aus der Atmosphäre wurde bereits in den Neunziger Jahren im Rahmen eines Projektes des Landes Baden-Württemberg untersucht und gegenwärtig von verschiedenen Lehrstühlen und Startups verfolgt. Ein Beispiel ist die Schweizer Firma Climeworks, die in Hinwil bereits zwei entsprechende Anlagen betreibt. In diesen Anlagen wird die Luft durch Pumpen eingesaugt und durch einen Filter geleitet, in dem das CO2 chemisch gebunden wird. Ist der Filter voll, wird er auf etwa 100 °C aufgeheizt, wodurch das CO2 aus der chemischen Bindung gelöst wird und für die weiteren Prozessschritte zur Verfügung steht. Diese erste dieser Anlagen läuft seit Mai 2017 mit einer Kapazität zur Gewinnung von 900 Tonnen CO2 pro Jahr. Weitere auf diesem Gebiet arbeitende Unternehmen sind Carbon Engineering und Global Thermostat. Das Verfahren wird in einigen Demonstrations- sowie Pilotanlagen für die Produktion von synthetischem Flüssigkraftstoff wie E-Kerosin oder auch E-Ottokraftstoff verwendet. Beispielsweise wird es voraussichtlich ab 2024 an der Pilotanlage Haru Oni, Chile zum Einsatz kommen, um das benötigte CO2 für das Methanol-to-Gasoline-Verfahren bereitzustellen. Dabei sollen 600 Tonnen CO2 im Jahr der Atmosphäre entzogen werden. Durch den Einsatz von atmosphärischem CO2 können bilanziell CO2-neutrale Kraftstoffe hergestellt werden, sofern die benötigte Energie der Abtrennung von erneuerbaren Energieanlagen zur Verfügung gestellt wird.
Synthesegasherstellung Beim typischen PtL-Prozess wird zunächst Wasserstoff erzeugt und dann mit CO2 zusammengeführt. CO2 ist aber inert und muss für die anschließenden Syntheseschritte in CO umgewandelt werden. Dieser Prozessschritt wird als reverse water gas shift reaction bezeichnet. Das Resultat ist dann ein Synthesegas aus Wasserstoff und CO, idealerweise in einem stöchiometrischen Verhältnis von 2:1.
Abweichend hiervon erfolgen bei der Hochtemperaturelektrolyse sowie beim StL-Verfahren (Solar to Liquid) die Umwandlung von Wasser und CO2 in Wasserstoff und CO in einem einzigen Schritt. Im Falle der Hochtemperaturelektrolyse geschieht dies als Co-Elektrolyse unter Einsatz von Wasserdampf und beim StL-Verfahren direkt durch die solarthermische Erhitzung von Wasser und CO2. Vorteile bei diesem Ansatz sind die geringeren Konversionsverluste verglichen mit dem sequenziellen Vorgehen sowie der Umstand, dass die beiden Reaktionen (Elektrolyse und reverse water gas shift reaction) in einem Reaktor erfolgen, wodurch sich der apparative Aufwand reduziert.
Synthese und Aufarbeitung zu Flüssigkraftstoffen Für die Herstellung von Flüssigkraftstoffen aus Synthesegas sind drei alternative Ansätze bekannt.
Fischer-Tropsch-Synthese Der bekannteste und am weitesten verbreitete Ansatz ist die Fischer-Tropsch-Synthese. Dieses Verfahren wurde bereits im Jahr 1925 am Kaiser-Wilhelm-Institut für Kohleforschung als Verfahren zur Herstellung von Kraftstoffen aus Kohle entwickelt, und in darauffolgenden Jahrzehnten weiter entwickelt und in großem Maßstab eingesetzt. Von besonderer Bedeutung war es im Zweiten Weltkrieg, da ein Import von Rohöl zur Versorgung der deutschen Raffinerien kriegsbedingt nur begrenzt möglich war und die Treibstoffversorgung der deutschen Streitkräfte daher ein Ausweichen auf synthetische Kraftstoffe erforderte.
Mit der Verfügbarkeit von preisgünstigem Rohöl nach dem Ende des Zweiten Weltkriegs war die Raffination von Rohöl die kostengünstigere Alternative, so dass die Produktion synthetischer Kraftstoffe eingestellt wurde. Eine Ausnahme war Südafrika, wo beginnend in den 50er Jahren mit dem Aufbau einer Industrie begonnen wurde, die südafrikanische Kohle in flüssige Kraftstoffe umwandelte. Ein wesentlicher Faktor für den Ausbau dieser Industrie waren das weltweite Embargo gegen das südafrikanische Apartheidsregime und die damit verbundenen Probleme beim Import von Rohöl in den 80er Jahren. In den hierfür durch die südafrikanische Firma Sasol (Suid Afrikaanse Steenkool en Olie) errichteten Fischer-Tropsch-Anlagen wurde erstmals auch Kerosin aus Kohle hergestellt.