mini|Energieeffizienz bei der Herstellung verschiedener strombasierter Energieträger, u. a. E-Fuels. Verluste beim Verbrauch in Endanwendungen wie Kraftfahrzeugen u. ä. nicht berücksichtigt
Als E-Fuel (von electrofuel, auch als Synfuels oder strombasierte synthetische Kraftstoffe bezeichnetMario Ragwitz et al.: Szenarien für ein klimaneutrales Deutschland. Technologieumbau, Verbrauchsreduktion und Kohlenstoffmanagement. (Schriftenreihe Energiesysteme der Zukunft), München 2023, S. 11.) werden synthetische Kraftstoffe bezeichnet, die mittels elektrischer Energie aus Wasser und Kohlenstoffdioxid (CO2) hergestellt werden. Dieser Prozess wird als Power-to-Fuel bezeichnet.
Da bei der Herstellung und Nutzung von E-Fuels mehrere verlustintensive Umwandlungsstufen durchlaufen werden müssen, ist die Energiebilanz beim Einsatz von E-Fuels grundsätzlich schlechter als bei anderen Antriebsarten – insbesondere im Vergleich zur Elektromobilität. Die Klimaschutzwirkung hängt darüber hinaus stark vom für die Herstellung verwendeten Strommix ab. Wird der Strom zur Erzeugung der E-Fuels vollständig aus erneuerbaren Quellen oder Nuklearenergie gewonnen, und das zur Herstellung notwendige CO2 aus der Atmosphäre bzw. aus nachhaltig gewonnener Biomasse entnommen, können mittels E-Fuels Verbrennungsmotoren klimaneutral betrieben werden. Bereits geringe Anteile fossilen Stroms verschlechtern die Klimabilanz jedoch erheblich, bei größeren Anteilen fossilen Stroms übersteigen die Emissionen von E-Fuels diejenigen von fossilen Brennstoffen um ein Mehrfaches.
Bei der Verbrennung werden Stickoxide, Kohlenmonoxid und Kohlenwasserstoffe in nahezu identischen Mengen wie bei vergleichbaren Treibstoffen aus Erdöl oder Biomasse freigesetzt.
Aufgrund der hohen chemischen Reinheit der synthetischen Kraftstoffe erfolgt bei der Verbrennung eine geringere Rußfreisetzung. Sie können alternativ zur Verwendung in Wärmekraftmaschinen wie dem Verbrennungsmotor auch in Brennstoffzellen zu reinem Kohlenstoffdioxid und Wasser reagieren, so dass das freigegebene Kohlenstoffdioxid sich in einem Kreislauf befinden kann.
Definitionen
Der Begriff E-Fuels ist rechtlich nicht klar definiert. Häufig sind mit E-Fuels synthetische Kraftstoffe gemeint, welche mittels Strom aus Wasser und CO2 hergestellt werden. Jedoch können E-Fuels auch kohlenstofffrei sein, z. B. in Form von reinem Wasserstoff oder Ammoniak. Die Stromerzeugung wird manchmal noch enger gefasst, indem zur Herstellung nur Strom aus erneuerbaren Quellen verwendet werden soll. Den vorgenannten Ergänzungen entspricht der Vorschlag eines Teams mehrerer Institute, E-Fuels als „klimaneutrale Kraftstoffe, die durch die Speicherung elektrischer Energie aus erneuerbaren Quellen in den chemischen Bindungen flüssiger oder gasförmiger Kraftstoffe hergestellt werden“ zu definieren. Als nachhaltige Energiequelle kann auch Atomstrom Berücksichtigung finden. Teilweise soll für E-Fuels nur aus der Luft abgeschiedener Kohlenstoff verwendet werden.
Bezeichnungen E-Fuels werden in der Fachwelt häufig auch Synfuels oder strombasierte synthetische Kraftstoffe genannt. In der Öffentlichkeit wird teils auch der Begriff E-Sprit genutzt. Je nach erzeugtem Kraftstoff spricht man z. B. von E-Dieselkraftstoff, e-Methanol o. ä. Gasförmige Brennstoffe werden durch Power-to-Gas-Technik (Strom zu Gas) erzeugt, flüssige Brennstoffe durch Power-to-Liquid (Strom zu Flüssigkeit).
Generelle Charakteristika E-Fuels sind Kohlenwasserstoffe, die künstlich aus Wasserstoff und Kohlenstoffdioxid synthetisiert werden, wobei der Wasserstoff aus Elektrolyse von Wasser (Power-to-Gas-Prozess) und das Kohlenstoffdioxid durch Abscheidung mittels Carbon Capture and Utilization stammt. Für die Herstellung wird erst per Wind- oder Solarstrom mittels Elektrolyse Wasserstoff erzeugt und dieser anschließend in einem weiteren Schritt zu kohlenstoffhaltigen Verbindungen wie z. B. Methan oder flüssigen Kraftstoffen synthetisiert. Technisch kann dies auf zwei Wegen geschehen: Über Fischer-Tropsch-Synthese, wobei die dabei entstehenden Kohlenwasserstoffgemische anschließend in E-Benzin, E-Kerosin oder E-Diesel weiterverarbeitet werden, und über Methanolsynthese. Methanol kann direkt als Treibstoff verwendet werden, aber auch ebenfalls als Ausgangsprodukt für weitere Produkte wie Polyoxymethylendimethylether (OME) dienen.
E-Fuels sind somit keine Primärenergieträger, sondern Sekundärenergieträger. Sie ermöglichen es, mit Hilfe von elektrischer Energie Brennstoffe mit hoher Energiedichte, Speicher- und Transportfähigkeit sowie Verbrennungseigenschaften herzustellen, die aufgrund ihrer Eigenschaften und Vielseitigkeit diese theoretisch in allen möglichen Anwendungsgebieten ersetzen können. Zugleich werden die Schwierigkeiten im Umgang mit Wasserstoff vermieden.
Wirkungsgrad mini|Autoantriebe im Vergleich E-Fuels stellen eine Form der indirekten Elektrifizierung des Energiesystems dar und konkurrieren damit insbesondere mit der direkten Elektrifizierung von Endverbrauchern wie Elektroautos im Verkehrssektor oder Wärmepumpenheizungen im Wärmesektor. Da die Herstellung von E-Fuels im Gegensatz zur direkten Elektrifizierung von Endverbrauchern verlustintensiv ist, ist die Energieeffizienz von E-Fuels gering. Abhängig von der konkreten Anwendung werden nur etwa 10 bis 35 Prozent der eingesetzten elektrischen Energie in Nutzenergie gewandelt. Damit benötigt der Weg über E-Fuels wiederum abhängig vom jeweiligen Anwendungsgebiet zwischen zwei- und vierzehnmal so viel Strom wie bei einer direkten Elektrifizierung. Diese Verluste sind so hoch, dass sie sich auch nicht durch etwaige Effizienzgewinne kompensieren lassen, die sich durch E-Fuel-Importe aus Staaten mit besonders guten Bedingungen für die Ökostromerzeugung ergeben könnten.
Verbrennerfahrzeug Inklusive Gewinnung von Kohlenstoffdioxid aus der Luft gehen bei der Herstellung von E-Fuels etwa 60 Prozent der ursprünglich im Strom vorhandenen Energie verloren. Wird das E-Fuel anschließend in einem Verbrennungsmotor verbrannt, gehen wiederum etwa 70 Prozent der im E-Fuel gespeicherten Energie verloren. Bei Einsatz von E-Fuels in einem Auto mit Verbrennungsmotor werden also nur rund 10 Prozent der ursprünglich im Strom vorhandenen Energie für den Antrieb des Fahrzeuges genutzt. Damit benötigen mit E-Fuels betankte Autos pro Kilometer rund fünfmal so viel Energie wie ein batterieelektrisches E-Auto. Umgekehrt bedeutet dies, dass man im Elektroauto bei gleicher Energiemenge etwa fünfmal so weit kommt wie mit einem Verbrennerfahrzeug, das E-Fuels getankt hat. Dies hätte zur Folge, dass beim Einsatz von E-Fuels statt von E-Autos weitaus mehr Windkraftanlagen und Photovoltaikanlagen errichtet werden müssten, um den um ein Mehrfaches höheren Energiebedarf bei der E-Fuelherstellung decken zu können. mini|Sankey-Diagramm zur Veranschaulichung der unterschiedlichen Energieeffizienzen von E-Fuel-betriebenen Verbrenner-Pkw und batterieelektrischen Pkw mit und ohne saisonaler Zwischenspeicherung über synthetisches Methan Selbst wenn saisonale und räumliche Schwankungen der erneuerbaren Stromproduktion eine Zwischenspeicherung der Energie in Form synthetischer Kohlenwasserstoffe erforderlich machen, ist es wesentlich energieeffizienter, batterieelektrische Fahrzeuge wenn nötig mit Strom zu laden, der aus synthetischem Methan gewonnen wurde (Power-to-Gas-to-Power), als verbrennungsmotorbetriebene Fahrzeuge mit E-Fuels zu betanken.Österreichische Energieagentur im Auftrag des BMK: Kurzbericht gÖl.Mobil - Einsatz von grünen Treibstoffen in der Mobilität, abgerufen am 5. November 2024. Dies liegt sowohl am höheren elektrischen Wirkungsgrad von Gaskraftwerken verglichen mit Kfz-Verbrennungsmotoren, als auch daran, dass die Abwärme von Kraftwerken im Gegensatz zur Abwärme von Automotoren für Fernwärme genutzt werden kann. Die Umwandlungsverluste von elektrischem Strom über synthetisches Methan und neuerliche Stromerzeugung werden nur für jenen Teil des vom batterieelektrischen Fahrzeug verbrauchten Stroms wirksam, der nicht zu Zeiten aus dem Netz bezogen wird, in denen genügend Strom direkt aus erneuerbaren Quellen zur Verfügung steht. Beim mit E-Fuels betankten Verbrennungsmotorfahrzeug treten die Umwandlungsverluste von E-Fuel-Produktion und Verbrennungsmotor hingegen immer auf.
Brennstoffzelle 2021 betrug der elektrische Gesamtwirkungsgrad für die Herstellung von e-Methanol unter Einsatz von Strom inklusive der nachfolgenden Energiewandlung in Elektrizität durch eine Brennstoffzelle etwa 21 bis 34 Prozent für e-Methanol aus direkt verfügbarem Kohlenstoffdioxid und etwa 18 bis 30 Prozent für mit Direct Air Capture gewonnenes e-Methanol. Wird die Abwärme der Methanolsynthese und der Brennstoffzellenanwendung genutzt, so kann ein Gesamtwirkungsgrad von 70 bis 80 Prozent erreicht werden (zur Wirkungsgradbetrachtung von e-Methanol siehe Artikel Methanolwirtschaft).
Heizung Noch größer sind die Unterschiede im Heizungssektor. So braucht eine E-Fuel-Heizung zwischen sechs- und vierzehnmal so viel Energie wie eine Wärmepumpenheizung.
Umweltbilanz Klimaschutzwirkung mini|CO2-Emissionen von PtX-Brennstoffen (u. a. synthetischem Diesel), E-Autos und fossilen Energieträgern im Vergleich abhängig vom Anteil fossiler Energieträger am Strommix Ob E-Fuels einen Beitrag zum Klimaschutz liefern oder den Klimawandel weiter anheizen, hängt davon ab, wie CO2-intensiv der Strommix ist, der zur Herstellung von E-Fuels verwendet wird. Grundsätzlich können E-Fuels klimafreundliche Alternativen zu fossilen Brennstoffen darstellen; hierfür muss aber der Strom für ihre Herstellung nahezu ausschließlich aus erneuerbaren Energien stammen. Sollen E-Fuels z. B. im Transportsektor eingesetzt werden, dann muss der Ökostromanteil bei ihrer Herstellung bei mehr als 90 % liegen, um verglichen mit fossilen Treibstoffen eine Klimaschutzwirkung zu erzielen. Würde hingegen der deutsche Strommix des Jahres 2018 verwendet, der einen spezifischen Treibhausgasausstoß von 542 g CO2e/kWh aufwies, dann würden diese E-Fuels drei- bis viermal so viel Treibhausgasemissionen produzieren wie fossile Kraftstoffe, die sie ersetzen würden. Einen effektiven Beitrag zum Klimaschutz können E-Fuels damit erst dann leisten, wenn die Stromerzeugung nahezu vollständig auf erneuerbare Energien umgestellt ist. Nicht zuletzt deshalb gilt ein nennenswerter positiver Beitrag zum Klimaschutz vor 2030 als unwahrscheinlich.
Besonders negativ wäre die Verwendung von emissionsintensivem Braunkohlestrom für die Brennstoffherstellung. So hätte z. B. ein sparsames Auto mit Gasmotor, das 40 kWh pro 100 km benötigt (ca. 4 l auf 100 km), jedoch E-Methan aus 100 % Braunkohlestrom verbrennt, mit ca. 774 g/CO2 pro km etwa sechsmal so hohe Emissionen wie ein Auto, das herkömmlichen fossilen Diesel tankt.Michael Sterner, Ingo Stadler (Hrsg.): Energiespeicher. Bedarf, Technologien, Integration. 2. Auflage. Springer Verlag, Berlin / Heidelberg 2017, S. 465. Mit Stand 2023 ist es nicht möglich, mit E-Fuels eine Klimaneutralität zu erreichen. Unter der Annahme, dass bis 2035 die Emissionen von E-Fuel-Autos 70 % niedriger als die von fossil betriebenen Verbrennern lägen, würden E-Fuel-Autos mit 61 g CO2eq etwa fünf Mal so viele Treibhausgase freisetzen wie E-Autos mit 13 g CO2eq. Problematisch sind aus Klimaschutzsicht ebenfalls sog. Lock-in-Effekte. So birgt das Hoffen auf die massenhafte Verfügbarkeit von E-Fuels in der Zukunft das Risiko, dass die Produktion hinter den Erwartungen zurückbleibt, was wiederum die Rolle von fossilen Energien im Energiesystem längerfristig zementieren würde. Zudem stellen E-Fuels eine mögliche Ablenkung von dem ohnehin dringend benötigten Umbau des Endenergieverbrauchs in Richtung der günstigeren und effizienteren Elektrifizierung dar.