Mobilität

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Kraftstoffe und erneuerbare Energien

Themenfelder

NRW ist nicht nur ein bedeutendes Energieland, sondern mit den hier ansässigen Raffinerien auch ein bedeutendes Land für die (Weiter-) Entwicklung von Kraftstoffen. Während der heutige Kraftstoffmarkt von fossilen Kraftstoffen dominiert wird, ist aufgrund politisch-rechtlicher Weichenstellungen für die Zukunft eine weitere Diversifizierung innerhalb des Kraftstoff- und Antriebsmarkts zu erwarten. Bezugspunkte sind hier maßgeblich die Erneuerbare Energien-Richtlinie 2009/28/EG und die so genannte Kraftstoffqualitätsrichtlinie 2009/30/EG. Die Erneuerbare Energien-Richtlinie sieht vor, bis zum Jahr 2020 einen Anteil an Erneuerbaren Energien im Verkehr von zehn Prozent zu erreichen. Deren Umsetzung hat unmittelbar den Einsatz alternativer (Bio-)Kraftstoffe und die Entwicklung weiterer Kraftstoffoptionen zur Folge. Entsprechende Vorgaben für die Marktteilnehmer werden für Deutschland u.  a. im Bundesimmissionsschutzgesetz geregelt.

Die derzeitige Rechtslage sieht vor, dass Mineralölunternehmen die Menge der Treibhausgase, die bei der Verbrennung pro Kalenderjahr entstehen, schrittweise senken. Im Jahr 2015 betrug diese noch 3,5  Prozent, stieg im Jahr 2017 auf vier Prozent. Ab dem Jahr 2020 wird sie sechs Prozent betragen. Die Reduktion wird aktuell maßgeblich durch den Einsatz von Biodiesel als Ersatz für fossilen Diesel und Bioethanol als Ersatz für fossiles Benzin erbracht. Zusätzlich leistet Biomethan-Kraftstoff in Erdgasfahrzeugen einen Beitrag zur Treibhausgasreduktion. Elektro- und Brennstoffzellenfahrzeuge nehmen einen geringen, aber steigenden Anteil unter den alternativen Kraftstoffen ein. Ein zentraler Punkt bei der Bewertung alternativer Kraftstoffe ist die Wirtschaftlichkeit. Kraftstoffe müssen für die Kunden bezahlbar sein und zudem Umweltvorteile gegenüber den fossilen Referenzkraftstoffen Benzin und Diesel bieten. Gleichzeitig müssen die Technologien für die Produktion und die Verbreitung der Kraftstoffe zur Verfügung stehen. Grundsätzlich ist der Einsatz von Biokraftstoffen sowohl in Reinform (Biodiesel B100) bzw. hohen Konzentrationen (Bioethanol E85) als auch als Beimischung zu fossilen Kraftstoffen möglich. Aufgrund wirtschaftlich-rechtlicher Rahmenbedingungen sind Biokraftstoffe in Reinform in den vergangenen Jahren in den Hintergrund gerückt. Stattdessen werden Biokraftstoffe aktuell zu fossilen Kraftstoffen in unterschiedlichen Mengen beigemischt.

Verbraucher erhalten an Tankstellen Benzin mit einem Anteil von bis zu 10 Prozent Bioethanol und Diesel mit einem Biodieselanteil von bis zu sieben Prozent. Auch hydrierte Pflanzenöle (HVO) werden dem Diesel in geringen Mengen beigemischt, um Kraftstoffeigenschaften zugunsten eines emissionsarmen Verbrennungsvorgangs zu optimieren. Die verfügbaren Kraftstoffe werden von den ansässigen Raffinerien und Biokraftstoffherstellern in Nordrhein-Westfalen produziert. Die Raffineriekapazität in Deutschland beträgt 102,2 Mio. t/a. Die Kapazität in Nordrhein-Westfalen umfasst 29,4 Mio. t/a, davon entfallen 12,8 Mio. t/a auf die Ruhr Oel GmbH am Standort Gelsenkirchen, 9,3 Mio. t auf die „Rheinland Raffinerie – Werk Nord“ in Köln und 7,3 Mio. t auf die „Rheinland Raffinerie – Werk Süd“ am Standort Wesseling. Die Werke in Neuss, Lülsdorf, Borken, Lünen und Marl produzieren Biodiesel aus Rohstoffen wie z.B. Raps und Altspeisefetten mit einer Kapazität von 685.000 t. Bei der Produktion fallen Presskuchen als Futtermittel sowie z. B. das Nebenprodukt Glycerin an, das in der Lebensmittel- und Pharmaindustrie weiterverarbeitet wird.

Mobilität kombiniert mit erneuerbaren Energien

Durch die zunehmende Elektrifizierung des Antriebsstrangs kommt es mehr und mehr zu einem Zusammenspiel des Verkehrssektors mit den erneuerbaren Energien, welche im Zuge der Energiewende immer weiter ausgebaut werden. Durch eine Verknüpfung mit der Energiewende und dem daraus resultierenden wachsenden Anteil regenerativer Energien am Strommix in Deutschland wird die Elektromobilität als umweltschonende Antriebstechnologie wahrgenommen und ermöglicht einen lokal emissionsfreien, bei Nutzung von Strom aus erneuerbaren Energien weitestgehend emissionsfreien Verkehr (Luftschadstoffe, Feinstaub und Lärm).

Aber auch durch den Einsatz von (synthetischen) Kraftstoffen, welche mit Hilfe von „überschüssigem“ Strom aus erneuerbaren Energien hergestellt werden oder einen wachsenden Anteil von Biomethan im Erdgas/CNG (derzeit ca. 20 Prozent) kann die Mobilität der Zukunft klimafreundlich gestaltet werden.

Biokraftstoffe aus Rest- und Abfallstoffen

Während aktuell überwiegend Biokraftstoffe aus Anbaubiomasse eingesetzt werden, sollen zukünftig bevorzugt Biokraftstoffe aus Rest- und Abfallstoffen (wie z.B. aus Stroh/Lignozellulose) produziert werden, um mögliche Konflikte bei der Landnutzung zu vermeiden. In diesem Zusammenhang sollen komplexe Verfahren zur Herstellung von Kraftstoffen und unterschiedlicher biobasierter Produkte etabliert werden (Bioraffinerien). Dies beinhaltet eine kombinierte stoffliche und energetische Nutzung von Biomasse zur Produktion von biobasierten Werkstoffen, Schmierstoffen und Kraftstoffen mit entsprechenden Umweltvorteilen. Diese so genannten Nutzungskaskaden versprechen eine hohe Rohstoffeffizienz, Wertschöpfung und entsprechende Beschäftigungspotenziale. Zur wirtschaftlichen Bereitstellung solcher Produkte in großem Maßstab sind noch bedeutende Prozess- und Produktinnovationen erforderlich, für die die in Nordrhein-Westfalen ansässigen Unternehmen und Forschungseinrichtungen einen bedeutenden Beitrag leisten. Die Etablierung solcher Nutzungskaskaden von Biomasse wird im Konzept der Bioökonomie und der zirkulären Wirtschaft verfolgt.

In bestimmten Einsatzgebieten, wie bspw. der Landwirtschaft, bietet sich weiterhin der Einsatz von Bioreinkraftstoffen an. Auf landwirtschaftlichen Betrieben kann eine umweltfreundliche dezentrale Versorgung mit benötigten Kraftstoffen mit entsprechenden Nährstoffkreisläufen realisiert werden. Die Energiesteuerbefreiung für Biokraftstoffe, die in der Land- und Forstwirtschaft verbraucht werden, begünstigt deren Einsatz in entsprechend freigegebenen Landmaschinen.

Biomethan als Kraftstoff

Biomethan wird bundesweit in rund 200 Biogasanlagen hergestellt, die das Biogas aufbereiten und ins Erdgasnetz einspeisen. Momentan liegt der Anteil von Biomethan innerhalb des deutschen Erdgasnetzes bei 20 Prozent. Das für die Mobilität genutzte Biomethan wird von Bussen, Transportern und Pkw getankt.

Synthetische Kraftstoffe

Ein weiteres Handlungsfeld ist die Entwicklung und Anwendung synthetischer (Designer-)Kraftstoffe. Als synthetische Kraftstoffe werden bestimmte Kraftstoffe bezeichnet, die sich von konventionellen Kraftstoffen (Diesel, Benzin, Kerosin etc.) durch ein aufwändigeres Herstellungsverfahren unterscheiden. Zum einen werden neue Kraftstoffe entwickelt, die für eine emissionsarme Verbrennung optimiert werden (Designer-Kraftstoffe).

Darüber hinaus wird an Kraftstoffen bzw. Komponenten geforscht, die bestehenden fossilen Kraftstoffen beigemischt werden, um deren Verbrennungseigenschaft und Klimawirkung zu verbessern (Drop-in-Kraftstoffe). Zur Herstellung gibt es zahlreiche unterschiedliche Technologien.

Zu unterscheiden sind die Pfadgruppen:

  • Ressource X to Liquid (XtL): Beispiele sind Biomass to Liquid (BtL), Gas to Liquid (GtL) und Power to Liquid (PtL). Power to Liquid bezeichnet dabei Verfahren zur Umwandlung von CO2 in verschiedene synthetische Kraftstoffe wie etwa Benzin, Diesel, Kerosin und Methanol, wobei der benötigte Wasserstoff regenerativ aus Strom gewonnen wird.
  • Direktverflüssigung (z. B. mittels Flashpyrolyse von Biomasse)
  • Lipid-Pfade (z. B. Raffination von Altfetten/HVO-Prozess), Bioraffinerien (Hydrolyse + Fermentation) und Algen (z. B. Prozess der Firma Solazyme)

Synthetische Kraftstoffe haben damit eine breite Rohstoffbasis. Sie können aus den Rohstoffen Erdgas, Kohle oder Biomasse inkl. Abfällen hergestellt und hinsichtlich ihrer chemischen Zusammensetzung auf die motorischen Anforderungen angepasst werden. Somit kommen synthetische Kraftstoffe für die gleichen Anwendungsgebiete in Frage wie konventionelle Kraftstoffe. Sowohl auf fossiler Basis (GtL) als auch auf biogener Basis (HVO) gibt es bereits Produkte am Markt, die aus Erdgas oder begrenzt zur Verfügung stehender Biomasse hergestellt werden.

Die synthetischen Kraftstoffe haben u.a. folgende Vorteile:

  • XtL-Kraftstoffe können konventionellen Kraftstoffen beigemischt werden, ohne dass bestehende Motorenkonzepte angepasst werden müssen (Drop-in-Kraftstoffe). Damit können Bestandsflotten (Pkw, Schwerlastverkehr, Schiffe, Flugzeuge) mit klimafreundlichen Alternativen betrieben werden.
  • XtL-Kraftstoffe verfügen über eine hohe Energiedichte und lassen sich über lange Distanzen transportieren und stationär speichern. Sie tragen so zur Stabilität der Energieversorgung bei.
  • Die bestehende Betankungsinfrastruktur (Benzin/Diesel/Kerosin) kann ohne große Anpassungen weiter genutzt werden. Damit entfallen Kosten für die Einrichtung alternativer Infrastrukturen für den Einsatz dieser Kraftstoffe.
  • Die Langzeit-Stabilität im Falle der Beimischung zu konventionellen fossilen Kraftstoffen ist gewährleistet. Dies ist für Hybridfahrzeuge von Bedeutung, bei denen die mittlere Verweilzeit der Kraftstoffe im Tank ansteigt.
  • Anders als bei Biokraftstoffen gibt es bei synthetischen Kraftstoffen keine Belegung agrarischer Nutzfläche für die Produktion dieser Kraftstoffe.

XtL-Kraftstoffe bringen u.a. folgende Herausforderungen mit sich:

  • Die Energieeffizienz entlang der gesamten Bereitstellungskette der strombasierten Kraftstoffe ist geringer im Vergleich zu konventionellen Pfaden. Die Abscheidung von CO2 kann energieaufwändig sein.
  • Für die Kraftstoffsynthese werden bedeutende zusätzliche Mengen an Strom aus erneuerbaren Energien benötigt.

Weitere Herausforderungen:

  • Die Integration der fluktuierenden Mengen erneuerbaren Stroms (Wind und Photovoltaik), wie sie in hiesigen Gebieten im Vergleich zu anderen Regionen der Welt zu erwarten ist.
  • Eine hohe Effizienz des Elektrolyseprozesses muss vorausgesetzt werden.
  • Die Herstellungskosten der Produkte liegen deutlich über denjenigen etablierter fossiler Kraftstoffe (aktuell bei ca. 4,50 EUR/ Liter Dieseläquivalent vor Steuern). (Quelle: LBST 2016. Relevante Kostenpunkte sind die EE-Stromkosten und die Kosten für die H2-Synthese. Die Investitionskosten bei PEM-Elektrolyseuren betragen 2.000 bis 6.000 EUR/kW, vgl. dena 2013.) Es sind jedoch Effizienzsteigerungen zu erwarten (z. B. hinsichtlich des Betriebs der Peripheriekomponenten). Die „Studie Status und Perspektiven flüssiger Energieträger in der Energiewende (prognos, DBFZ, Fraunhofer UMSICHT 2017) geht davon aus, dass je nach Standortbedingungen und Verzinsung im Jahr 2050 Produktionskosten von 0,50 EUR bis 1,30 EUR pro Liter Rohöläquivalent zu erwarten sind. (Quelle: prognos 2017)
  • Zurzeit ist eine wirtschaftliche Nutzung von PtL-Anlagen in Deutschland nicht gegeben. Gründe dafür sind auch die geltenden Steuern und Umlagen. Als Letztverbraucher von Strom müssen Anschlusskosten, Netzentgelte und EEG-Umlage entrichtet werden, wenn es sich nicht um Eigenerzeuger/-verbraucher handelt.

In Nordrhein-Westfalen und dem übrigen Bundesgebiet arbeiten Partner aus Wissenschaft und Industrie intensiv an Demonstrationsprojekten zur Entwicklung und Anwendung synthetischer Kraftstoffe.

Für den Schwerlastverkehr, die Luftfahrt und die Schifffahrt besitzen XtL-Kraftstoffe ein großes Innovationspotential, da man hier davon ausgeht, dass mittel- bis langfristig nur flüssige Kraftstoffe als Kraftstoffe in Frage kommen. Insofern sind sie eine sinnvolle und notwendige Ergänzung zur Elektrifizierung von Antrieben. Für die zu erwartende steigende Zahl an Hybridfahrzeugen können synthetische Kraftstoffe ebenfalls eine klimafreundliche Alternativ zu den derzeit etablierten Diesel- und Ottokraftstoffen sein.

Herr Dr. Frank Köster
Leiter Themengebiet Mobilität
Leiter Netzwerk Kraftstoffe und Antriebe der Zukunft

EnergieAgentur.NRW
0209 1672811
koester@energieagentur.nrw

Herr Gerd Uwe Funk
Mobilität
Kommunikation

EnergieAgentur.NRW
0209 1672813
funk@energieagentur.nrw
XING

Herr Dipl.-Kfm. Christopher Olvis
Themengebiet Mobilität
Netze, Speicher

EnergieAgentur.NRW
0209 1672812
olvis@energieagentur.nrw

Herr Alexander Holle
Elektromobilität
EnergieAgentur.NRW
0209 1672830
0151 65531431
holle@energieagentur.nrw

Sie erreichen die EnergieAgentur.NRW außerdem werktags von 8 bis 18 Uhr über die Hotline unter 0211 - 8371930.