Aktueller Forschungsstand und Potenzial von synthetischen Kraftstoffen

Inhaltsverzeichnis

Vorwort

Zusammenfassung

Inhalt

Nomenklatur

1 Wandelinder Automobilindustrie

2 Einklang in der Dreifaltigkeit – Gesellschaft, Politik und Industrie

3 Fundamentum
3.1 Elektrolyse
3.2 Methanisierung
3.3 Fischer-Tropsch-Synthese
3.4 Pyrolyse

4 PowertoGas (PtG)
4.1 Regenerative erzeugter Wasserstoff
4.1.1 Erzeugung
4.1.2 Speicherung
4.2 Methan

5 PowertoLiquid (PtL)
5.1 Methanol
5.1.1 Herstellungsverfahren und Prozesswirkungsgrad
5.2 DME - Dimethylenether
5.3 OME - Oxymethylenether als Diesel-Alternative
5.3.1 Aufbau und Eigenschaften
5.3.2 Herstellung
5.3.3 Potenzial als Alternative
5.4 DMC - Dimethylcarbonat und DMC+ als Otto-Kraftstoff

6 Resümee über PtX-Technologien
6.1 Energetischer und technologischer Aufwand für die Speicherung
6.2 Möglichkeit zur Nutzung der vorhandenen Infrastruktur
6.3 Herstellungsaufwand
6.4 Emissionsverhalten des Prozesses und der Energierückgewinnung
6.5 Well-to-Tank Analyse
6.6 Well-to-Wheel Bilanz

7 OtX - Organics to X
7.1 Biokraftstoffe der zweiten Generation
7.2 Innovative regionale Gesamtlösung KSW-Verfahren®
7.3 OtX als Ergänzungstechnologie

8 Fischer-Tropsch-Kraftstoffe
8.1 Zusammensetzung des e-Crudes/Blue Crudes
8.2 Herstellung
8.3 Wirkungsgrade

9 Analyse von e-Fuels gegen ü ber der E-Mobilität

10 Nötiger Paradigmenwechsel in der Gesellschaft

11 Konklusion zu den synthetischen Kraftstoffen

Quellenverzeichnis

Anhang

Vorwort

Anmerkung:

Aus dieser Version der Masterthesis wurden einige Seite bzw. Inhalte für die Veröffentli-chung entfernt und entspricht daher nicht der originalen Formatierung zur Abgabe bei dem Prüfungsausschusses.

Titel der Masterthesis:

Aktueller Forschungsstand und Potenzial von synthetischen Kraftstoffen

Themenstellung:

In der Automobilindustrie ist momentan viel im Wandel. Es wird vehement nach Antriebs-und Mobilitätstechnologien geforscht, die eine umwelt- und klimaschonende Zukunft des Verkehrs- und Energiesektors ermöglichen. Neben der Vielzahl an Innovationen, die derzeit aufkeimen, ist unter anderem ein Themengebiet der Einsatz von synthetischen Kraftstoffen, auch als e-Fuels oder Biokraftstoffe bezeichnet.

Jedoch sind sie bis auf die Fachkreise, wenig als Alternative in den Medien und der Politik präsent. Deshalb soll hier ein Überblick über die verschiedenen Möglichkeiten zur Herstel-lung solcher Kraftstoffe und den dabei entstehenden Erzeugnissen gegeben werden. Neben dem allgemeinen Überblick über den Forschungsstand und Eigenschaften der jeweiligen Kraftstoffe, werden ebenfalls die Potenziale, aber auch mögliche Risiken und Herausforde-rungen analysiert.

Zusammenfassung

Um zukünftig die Emission in dem Verkehrs- und Energiesektor zu reduzieren und beson-ders in dem Automobilbereich die Gesetzesvorgaben für den Flottenverbauch zu erfüllen, wird energisch nach nicht fossilen Energiequellen geforscht bzw. diese zur Marktreife weiter-entwickelt. Derzeit steht die Elektromobilität im Vordergrund der Automobilindustrie und soll diese für das „Zero-Emission-Zeitalter“ bereitmachen. Jedoch ist es bei dem aktuellen technischen Entwicklungsstand nicht praktikabel, den Verbrennungsmotor bedingungslos in allen Verkehrssektoren zu ersetzen. Das wären z. B. der Nutz- und Schwerlastverkehr, aber auch gewisse Anwendungsfälle in der Pkw-Mobilität. Hier gilt es also andere Alternativen zu dem fossilen Verbrennungsmotor zu finden. Dabei muss nicht zwangsläufig der Verbren-nungsmotor substituiert werden. Das zeigt das Themenfeld der synthetischen Kraftstoffe. Zwar weisen die Motoren nach wie vor einen CO 2-Ausstoß auf, jedoch durch das Schaf-fen einer Kreislaufwirtschaft wird eine Akkumulation in der Atmosphäre vermieden, sodass faktisch ein CO 2-neutrales Verhalten entsteht.

Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit den im Forschungsstadium befindlichen synthe-tischen Kraftstoffen und die verschiedenen Verfahren zur Herstellung. Dabei ist immer die Intension, den Löwenanteil der Energie, die dem Prozess zugeführt wird, aus regenerativen Ressourcen zu gewinnen. Die Kraftstoffe werden hier in drei Verfahrenskategorien unter-teilt. Dabei wird zu jedem Verfahren und Erzeugnis ein kurzer Überblick zu den wichtigsten Eigenschaften gegeben und anschließend eine Betrachtung der Energiebilanzen angeführt. Abschließend werden mögliche Potenziale und Herausforderungen diskutiert. Als erstes werden die Verfahren rundum die PtX-Technologien vorgestellt. Dort werden mit-tels elektrisch zugeführter Energie, Wasserstoff und Kohlendioxid bzw. Kohlenmonoxid zu einem Kraftstoff synthetisiert. Je nach Aggregatzustand des Erzeugnis wird zwischen Power-to-Gas und Power-to-Liquid unterschieden. In der zweiten Kategorie sind die Verfahren, bei denen organische Stoffe als Edukt eingesetzt werden. Diese werden unter dem Begriff Organics-to-X zusammengefasst. Unter der letzten Kategorie wird das Fischer-Tropsch-Verfahren erläutert und analysiert. Dabei ist es an sich eigentlich keine eigene autarke Her-stellungsroute, da es als Edukt Synthesegas benötigt. Dies kann regenerativ, sowohl durch PtX-Prozesse, als auch durch OtX-Verfahren erzeugt werden und wird deswegen auch unter beiden Gesichtspunkten betrachtet und gegeneinander abgewogen.

Danach wird eine Gegenüberstellung der synthetischen Kraftstoffe zur Elektromobilität und eine Analyse zu gesellschaftlichen Voraussetzungen für eine umwelt- und klimafreundliche Mobilität angeführt. Zum Schluss erfolgt eine Konklusion zu den synthetischen Kraftstof-fen, in der nochmals die Potenziale und die Herausforderungen der einzelnen Verfahren und Erzeugnisse aufgezeigt werden und die Möglichkeit eine Alternative für die zukünftige Mobilität zu sein, kritisch hinterfragt wird.

Abbildungsverzeichnis

2.1 CO 2-Kreisläufe

4.1 Schematische Darstellung der Erzeugung von grünem Wasserstoff

4.2 Schematische Darstellung der Produktion von e-Methan

5.1 Strukturformel Methanol

5.2 Strukturformel Dimethylether

5.3 Strukturformel am Beispiel von OME

5.4 Herstellungsrouten von OME 22

5.5 Strukturformel Dimethylcarbonat (a) und Methylformiat (b)

7.1 Schematische Darstellung von OtX-Herstellungsrouten

8.1 Exemplarische Gewichtsanteile des e-Crudes aus Biomasse 10

Tabellenverzeichnis

2.1 Ökologische, ökonomische und soziale Verträglichkeit von alternativen Kraft-stoffen nach 15 S.157

4.1 Stoffeigenschaften von Wasserstoff

4.2 Elektrolyseverfahren 4

4.3 Stoffeigenschaften von Methan

5.1 Gravi.- und volumetrische Energiedichten von Kraftstoffen

5.2 Stoffeigenschaften von Methanol

5.3 Stoffeigenschaften von DME - Dimethylether

5.4 Eigenschaften von OMEn Kraftstoffen 15.

5.5 Stoffeigenschaften von DMC - Dimethylcarbonat

6.1 Überblick über PtX-Kraftstoffe

6.2 Gemittelte effiziente Wirkungsgrade (Tank-to-Wheel)

8.1 Wirkungsgradvergleich FT-Kraftstoffen zwischen OtX und PtX .

Nomenklatur

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

1 Wandel in der Automobilindustrie

Derzeit muss sich die Automobilindustrie, ihrer wohl größten Aufgabe seit Beginn der Bran-che stellen – die Digitalisierung der Konzerne und Transformation hin zu einem klimaneu-tralen Sektor. Epizentrum war das Dieselgate im Jahr 2016, welche den entscheidenden Stein ins Rollen brachte und bisweilen Nischentechnologien ins Scheinwerferlicht rückte. Antriebskonzepte, wie Battery Electric Vehicle (BEV) oder Hybrid Electric Vehicle (HEV), die bestenfalls als Kleinserie im Markt zu finden waren, sollen ad hoc aus dem Labor zur Großserienreife gebracht werden. Den damaligen hitzigen und emotionalen Diskurs über die Zukunft des Verkehrssektors, wurde zumeist ideologisch geführt. Das Zurückführen auf eine sachliche und fachliche Ebene durch Ingenieure und Wissenschaftler aus den Automobil-sektor, war aufgrund der eigenen Diskreditierung durch die Diesel-Thematik nur begrenzt möglich. Es mangelte an Gehör bei den verprellten Politikern und Bürgern. Schlussendlich kristallisierte sich das BEV als Schlüsseltechnologie für die avisierte Klimaneutralität des Automobilsektors heraus. In Fachkreisen wurde massiv gegen die Entscheidung opponiert, den Fokus nur auf die E-Mobilität zulegen. Zu viele Variablen wirken auf ein Fahrzeug ein und machen es unmöglich, dass eine Antriebstechnologie für alle Individualitäten das Op­timum darstellt. Deswegen wurde schon früh, nach einer technologisch offenen Forschungs-förderung verlangt. Gegenwärtig kommt die Debatte langsam in ruhigeres Fahrwasser und die Emotionen weichen der Sachlichkeit, sodass sich in der Politik und in der Breite der Bevölkerung die Erkenntnis durchdringt, dass die E-Mobilität nicht der alleinige Heilsbrin-ger ist, sondern die richtige Diversität. So werden BEV, HEV, Fuel Cell Electric Vehic­le (FCEV) und Combustion Engine Vehicle (CEV) gleichermaßen zu einem nachhaltigen Verkehrssektor beitragen. Welche Rolle dabei synthetische Kraftstoffe einnehmen können, ist Gegenstand der Thesis.

2 Einklang in der Dreifaltigkeit – Gesellschaft, Politik und Industrie

Ein fast omnipräsentes Schlagwort in derzeitigen Medienberichten und politischen Kaprio-len, ist die „Decarbonisierung“ des Verkehrs- und Energiesektors oder besser gesagt von allen Bereichen, die auf fossile Ressourcen zugreifen und Kohlendioxid emittieren. Der Paradigmenwechsel bzgl. Klima- und Umweltbewusstsein in der Gesellschaft, lässt das zunehmend politisch müde gewordene Deutschland in Aktivismus verfallen. So lässt sich mittlerweile bei einigen Repräsentanten (politisch und gesellschaftlich) ein starker Hang zum Populismus erkennen, wenn über die Klima- und Umweltpolitik schwadroniert wird. So tugendhaft dieses Streben auch sein mag, politische und gesellschaftliche Dogmen werden es allein nicht lösen können. Sie sind lediglich eine Unterstützung für die Industrie samt ihrer Unternehmen, welche eine grüne Zukunft erst möglich machen können und werden. Sofern wir nicht wie in der Steinzeit unter dem Sternenzelt schlafen und unseren Konsum auf die Lebenserhaltung reduzieren wollen, werden die angestrebten Ziele nur durch den Einklang von Gesellschaft, Politik und Industrie erreicht. Denn letzteres muss die Techno-logien entwickeln und produzieren. Das bedarf Zeit und monetäre Unterstützung. Beides lässt sich, in seinem Bedarf nur unzureichend genau kalkulieren. Daraus resultiert, dass feste Klimaziele nicht zu diesem Umstand passen und einen zu fixierten Horizont darstellen. Des-wegen würde die Festlegung auf Klima-Korridore, die Unwägbarkeiten (aktuell Ausbruch einer Epidemie) hin zu einer grünen Zukunft besser berücksichtigen und nicht sofort eine Gefährdung der beschlossen festen Klimaziele auslösen.

Des Weiteren ist unbedingt das Scheuklappen-Denken im Bezug auf die Technologien zur Energiewende abzulegen und die technologisch offene Förderung zu forcieren. Andernfalls verwert sich die Chance auf bahnbrechende Erfindungen, die bis dato noch in den Köp-fen von Menschen reifen. Ganz nach dem Credo: „Es ist solange unmöglich, bis es einer macht.“. Außerdem sollte im Zuge der offenen Förderung, der Begriff „Decarbonisierung“ aus dem Klimawortsatz, durch „Defossilierung“ substituiert werden. Nicht der Kohlenstoff ist das Problem bzw. die organische Chemie. Denn schließlich basieren alle Organismen, samt der Menschheit auf ihr. Es ist der Umstand, dass mehr fossile Kohlenstoffverbindun-gen freigesetzt werden, als durch natürliche Prozesse gebunden werden können. Denn auch Erdöl ist generell ein CO 2-neutrales Produkt aus einem natürlichen Kreislauf. Dieser wird jedoch nicht als solcher wahrgenommen, da die Zyklendauer ein Vielfaches der Dauer des menschlichen Daseins aufweist.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2.1: CO 2-Kreisläufe

Damit ist das eigentliche makroskopische Problem identifiziert. Durch den ungleichmäßigen Umsatz im Kreislauf, kommt es zwangsläufig zu einer Akkumulation. Diese findet im na-türlichen CO 2-Kreislauf in der Atmosphäre statt, weil die Flora nicht soviel Kohlendioxid binden kann wie ausgestoßen wird. Damit keine Anhäufung entsteht (Neutralität), müsste der Umsatz im Kreislauf überall gleich sein.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Ganz profan kann konstatiert werden, dass nur Abhilfe geschaffen wird, wenn weniger emit-tiert und mehr Kohlendioxid gebunden wird. Sodass wieder ein annäherndes Gleichgewicht eingestellt wird.

Ganz sicher kein Novum und Gegenstand aller derzeitigen Aktivitäten zum Klimaschutz. ABER – zukünftig wird es immer anspruchsvoller werden den Kohlendioxidausstoß wei-ter zu minimieren. Für höhere Bindungsmengen, wäre theoretisch eine stärkere Auffors-tung/Renaturierung ein probates Mittel, ist jedoch ambivalent zu dem Umstand der expo­nential wachsenden Menschheit und dem dafür expansiven Flächenbedarf. Deswegen gilt es nicht nur die Emissionen zu reduzieren, sondern viel weitreichender, diesen natürlichen Kreislauf technologisch zu unterstützen und zu approximieren. Hier können synthetische Kraftstoffe einen wichtigen Beitrag leisten:

- Schaffen eines anthropogenen, exorbitant verkürzten CO 2-Kreislauf
- Durch Überkapazität aktive Speicherung von Kohlendioxid und Reduktion des Atmos-phären- CO 2

Es gibt verschiedene Art und Weisen synthetischen Kraftstoff herzustellen. Beginnend bei PtX-Technologien über Fischer-Tropsch-Kraftstoffe bis hin zu Organics-to-X. Alle Varian-ten und deren Erzeugnisse werden in den Kapiteln ab Kap.4 erläutert und analysiert. Generell werden substanzielle Anforderungen an synthetische Kraftstoffe gestellt, die so-wohl ökologische, als auch ökonomische und soziale Aspekte beinhalten. Eine hierarchische Gliederung der Anforderungen an zukünftige alternative Kraftstoffe ist nach 15 in der Tab. 2.1 zusehen.

Zu erkennen ist, dass die ökologische Verträglichkeit im Vordergrund steht, gefolgt von öko-nomischen Aspekten und das die sozialen Kriterien bei der Bewertung hintergründig sind. In der Chemie gibt es mittlerweile mannigfaltige Weisen Brennstoffe synthetisch herzustellen. Klassifizieren lassen sich diese nach verwendeten Ausgangsstoffen, dem Herstellungsverfah-ren und dem entstehenden Brennstoff.

Tabelle 2.1: Ökologische, ökonomische und soziale Verträglichkeit von alternativen Kraft- stoffen nach 15 S.157

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Im Folgenden werden die Verfahren im Überblick dargestellt, die aktuell am stärksten er-forscht und entwickelt werden. Intension ist ein geschlossener Kreislauf auf der Basis von regenerativen Energien, bei dem möglichst keine schädlichen Abfallprodukte entstehen.

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Ziel der synthetischen Kraftstoffe ist es, die durch Gl. 1 beschriebene Reaktion und deren Produkte CO 2 und H 2 O, wieder in ihre Edukte CxHy und O 2 zurück zu wandeln, damit ein Kreislauf entsteht. Das funktioniert nur unter der Zufuhr von Energie und speziellen chemischen Prozessen.

3 Fundamentum

Im Folgenden werden einige substanzielle Verfahrensschritte für die Erzeugung von syn-thetische Gasen und Liquiden erläutert. Dabei ist es unerlässlich für eine nachhaltige und zukunftsfähige Energiewirtschaft, dass für die einzelnen Prozessschritte die Energie nicht aus fossilen, sondern aus regenerativen Energiequellen erzeugt wird. Andernfalls wäre die Intension hinter dem Substituieren von konventionellen, durch synthetische Kraftstoffe hin-fällig.

3.1 Elektrolyse

Bei der Elektrolyse von Wasser (destilliert) wird sich dem Umstand bedient, dass Was-ser in geringen Umfang mit sich selber reagiert (Autoprotolyse). Dabei gibt ein Wasser-Molekül ein Wasserstoff-Ion an ein Anderes ab, sodass infolge ein Oxoniumion H3O+ und ein Hydroxid-Ion OH~ entsteht.

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Wird mittels einer elektrischen Spannung, ein Potenzialunterschied an den Elektronen er­zeugt, wandern die Oxoniumionen zur Kathode. Dort nehmen sie ein Elektron auf und bilden dadurch H2O und H+. Die Hydroxid-Ionen wandern zur Anode und geben Elek­tronen ab, sodass O2 und H+ entstehen oder sie reagieren mit Wasserstoff-Ionen aus der erstgenannten Vorreaktion zu H2O. Werden alle partiellen Reaktionen zusammengeführt, ergibt sich die Gesamtreaktion dann zu:

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Die entstandenen Gase können dann an den jeweiligen Elektroden extrahiert werden. Die Elektrolyse verläuft endotherm (∆hr > 0). Die dafür nötige Energie wird von außen hin-zugeführt. Das hat zur Folge, dass die Wirkungsgrade von alkalischen Elektrolyse-Anlagen meistens < 70 % sind. Eine deutliche Effizienzsteigerung gelingt durch den Einsatz von Hochtemperatur-Elektrolyse-Anlagen, die im Bereich von 700 ° C — 1000 ° C mit einer Fest-stoffzelle arbeiten. Die benötigte Wärmeenergie wird dabei durch Solarthermik oder durch eine Kopplung mit exothermen Prozessen aufgebracht. Daraus resultiert die deutliche Stei-gerung des Wirkungsgrades¹.

3.2 Methanisierung

Wie der Begriff schon vermuten lässt, wird bei dem Prozess der Methanisierung das Gas Methan (CH4) erzeugt. Daraus ergibt sich, dass auf der Seite der Edukte Wasserstoff (H2) sowie eine Kohlenstoffverbindungen vonnöten ist. In Hinblick auf Nachhaltigkeit, kommen dafür grüner Wasserstoff und Kohlendioxid (CO2) oder Kohlenmonoxid (CO) infrage, so-dass, je nach verwendeten Edukten, sich zwei Reaktionsgleichungen ergeben. Für den Fall, dass Kohlendioxid benutzt wird, läuft die Reaktion wie folgt ab:

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Erfolgt eine Kopplung mit einem Industrieprozess, der Kohlenmonoxid als Abfallprodukt erzeugt oder wird Synthesegas aus Biomasse verwendet. Ändert sich die Reaktion zu Gl. 5. Vorteil ist, dass bei dieser Synthese weniger Wasser entsteht, was wiederum den Wirkungs-grad zugute kommt.

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Beide Reaktion sind exotherm ( ∆hr < 0) und generieren damit Prozesswärme, die mit einer Reduzierung des energetischen Wirkungsgrades einhergeht. Dieser kann erheblich gesteigert werden, wenn die Methanisierung mit der Elektrolyse (Kap. 3.1) des Wasserstoffes gekoppelt wird. Durch das Verwenden der Abwärme, wäre ein Wirkungsgrad von über 75% möglich 6. Zur Reaktionsbeschleunigung werden üblicherweise Nickelkatalysatoren eingesetzt und niedrige Temperaturen vermieden.

3.3 Fischer-Tropsch-Synthese

Die FT-Synthese wurde 1925 von Franz Fischer und Hans Tropsch entwickelt und dient dazu Synthesegas² in flüssige Kohlenwasserstoffverbindungen zu wandeln. Für die Reaktion bedarf es einer Temperatur von 200 ° C — 350 ° C und einem Druck von 20 bar — 40 bar. Die allgemeine Reaktionsgleichung ergibt sich zu:

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Bei der FT-Synthese entstehen durch Nebenreaktionen und dem Prozess an sich, Koh-lenstoffverbindungen in all seinen Facetten. Dadurch wird eine nachgeschaltete Separation, ähnlich eines Raffinerieprozesses, unabdinglich. Durch geeignete Katalysatoren, abgestimm-ter Temperierung und Hydrocracking³ können unerwünschte Verbindungen vermieden wer-den. Unter anderem lassen sich damit entstehende Wachse isolieren/transformieren, die keine weitere Verwendung für die Treibstoffproduktion haben.

Während vor einigen Jahren noch das Stigma der Unwirtschaftlichkeit, aufgrund des Wir-kungsgrades von ~ 30%, an der FT-Synthese haftete, sind mittlerweile deutlich gestei-gerte Wirkungsgrade Stand der Technik. Besonders durch eine Kopplung mit einer CO- Elektrolyse ist eine exorbitante Steigerung möglich. Eine genauere Erläuterung erfolgt in dem Kapitel 8.

3.4 Pyrolyse

Der Vorgang der Pyrolyse bezeichnet die thermisch-chemische Aufspaltung von Molekülen. Meistens erfolgt diese unter Ausschluss von Sauerstoff und demnach anaerob, damit eine Verbrennung unterbunden wird. Anwendung findet der Prozess in so gut wie jeder Herstel- lung von Kraftstoffen. Der bei der Erdöl-Raffinerie vorgenommene Schritt des Crackens, ist im engeren chemischen Sinne ein Pyrolyse. Bei der Kraftstofferzeugung aus Biomasse ist ebenfalls die Pyrolyse mit anschließender Destillation ein Teil des Herstellungsprozesses. Im Falle der Kohleverflüssigung (CtL - Coal to Liquid) erfolgt eine Pyrolyse der Kohle unter der Zugabe von Wasserstoff. Das entstehende Synthesegas wird dann mittels des Fischer- Tropsch-Verfahrens zu einem Rohöl-Äquivalent synthetisiert. Die Hochphase der Kohlever- flüssigung in Deutschland war die Zeit während und nach dem zweiten Weltkrieg, aber auch noch heute kommt es z.B. in China und afrikanischen Ländern vermehrt zum Einsatz. Generell werden die Erzeugnisse aus den CtL-Prozessen auch als synthetische Kraftstoffe bezeichnet. Diese haben jedoch für die nachfolgenden Überlegungen keine Relevanz, da auf ein Rohstoff zurückgegriffen wird, der wie Erdöl, eine zu lange Entstehungsdauer aufweist und es somit zu der aus dem Kap. 2 erläuterten Akkumulation in der Atmosphäre kommt. Der „Klassiker“ unter den Pyrolyse-Verfahren ist die Erzeugung von Kohle aus Holz unter Sauerstoffmangel. Die nötigen Temperaturen richten sich nach den jeweiligen Stoff und den anzuwendenden Pyrolyse-Verfahren, sind jedoch für die hier angestellten Betrachtungen nicht relevant. Für weitreichendere Information sei auf einschlägige Literatur verwiesen.

4 Power to Gas (PtG)

PtX-Verfahren klassifizieren sich durch die in erster Instanz erfolgende Elektrolyse zur Er-zeugung von H 2 oder CO. Für die jeweiligen Prozessschritte wird die benötigte Reaktions-energie in Form (regenerativer) elektrischer Energie zugeführt. Die PtG-Verfahren haben prinzipbedingt weniger Syntheseschritte, was dem Gesamtwikrungsgrad zugute kommt. Als Basis dient, wie erwähnt, die Erzeugung von „grünen“ Wasserstoff, welcher in einem wei-teren Prozessschritt zu Methan weiter umgewandelt werden kann. Der Vorteil, den alle PtG-Endprodukte mitbringen, ist, dass die vorhandene Gas-Infrastruktur genutzt werden kann, bzw. die erzeugten e-Gase mit dem momentanen Erdgas zu einen bestimmten Teil vermischt werden können. Allerdings ist im Fall von Wasserstoff dieser Anteil zu limitieren, wie im nachfolgenden Abschnitt erläutert wird.

4.1 Regenerative erzeugter Wasserstoff

Ein Kraftstoff definiert sich dadurch, dass bei einer Reaktion chemisch gebundene Ener-gie emittiert und technisch nutzbar gewandelt werden kann. Die trivialste Variante einen synthetischen Kraftstoff zu erzeugen, ist aus Wasser mittels Elektrolyse Wasserstoff zu ge-nerieren und diesen dann per Brennstoffzelle oder Verbrennung wieder zu Wasser reagieren zulassen.

In der aktuellen großindustriellen Wasserstoffproduktion wird die Erzeugung durch Dampfre-formierung von Erdgas umgesetzt. Die Variante Wasserstoff herzustellen hat für die weite-ren Überlegungen keine Relevanz, da bei diesem Prozess C 02 emittiert und das Erdgas aus fossilen Quellen gewonnen wird.

Wasserstoff ist das kleinste vorkommende Element und besteht1 lediglich aus einem Proton und Elektronen. Daraus resultiert das Wasserstoff das erste Element im Perioden-System 1 Wasserstoff-Isotrope wie Deuterium und Tritium nicht betrachtet der Elemente ist und die Ordnungszahl 1 trägt. Aufgrund des atomaren Aufbaus hat Was-serstoff im gasförmigen Aggregatzustand die geringste Dichte. Das stellt einige besondere Herausforderungen an die Speicherung in volumetrisch begrenzten Systemen (z. B. das Au-tomobil). Zudem dissoziiert Wasserstoff durch die atomaren Gitterstrukturen von Metallen, was wiederum scharfe Restriktionen an die Speichertechnologie stellt.

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Abbildung 4.1: Schematische Darstellung der Erzeugung von grünem Wasserstoff

Wasserstoff gehört zu den am häufigsten vorhandenen Elementen auf der Welt. Jedoch ist er, außer bei temporären geothermischen Anomalien, nicht in elementarer Form vorhanden, sondern zumeist als Wasser H20 vorliegend. Zudem ist es ein Basisbaustein für das gesamte Feld der organischen Chemie, womit Wasserstoff als eines der fundamentalen Elemente unseres Sein angesehen werden kann.

Tabelle 4.1: Stoffeigenschaften von Wasserstoff

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Wasser und damit auch Wasserstoff sind im Vergleich zu anderen Stoffen (Gold, Erdöl, seltene Erden) nahezu unerschöpflich verfügbar. Warum also hat er immer noch so ein Nischendasein? – Es gibt einige gravierende Hürden, die die Handhabung von Wasserstoff merklich erschweren. Dazu zählt die schon angesprochenen Herausforderungen bei der Spei-cherung, sowie die energieintensive Erzeugung von elementarem gr ü nen Wasserstoff (H 2).

Erschwerend kommt hinzu, dass der überwiegende Teil des auf der Welt verfügbaren Was-sers, Salzwasser ist und damit nicht ohne Entsalzung einem Elektrolyseur zugeführt werden kann.

4.1.1 Erzeugung

Durch den Hintergrund eines nachhaltigen Verkehrssektors mit einem nahezu CO 2-neutralen Emissionsbilanz, ist es unabdinglich, die Produktion von Wasserstoff ohne gesundheits-oder klimaschädliche Abfallprodukte zu gestalten. Dieser Prämisse werden die Elektrolyse-Verfahren nach T. 4.2 allesamt gerecht, wenn gleich seit Jahrzehnten das Stigma des gerin-gen energetischen Wirkungsgrades an den Verfahren haftet. Das war in der Vergangenheit immer das Wasser auf den Mühlen von den Verfechtern der direkten Stromnutzung, jedoch gerade die Perspektiven lassen hoffen.

Tabelle 4.2: Elektrolyseverfahren ⁴

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Denn es ist imminent wichtig in der Wasserstoff-Produktion die Effizienz zu sichern, weil alle weiteren Prozessschritte auf diese aufbauen. Aufgrund der multiplikativen Kohärenz von Wirkungsgraden in einer Prozesskette, kann der Gesamtwirkungsgrad nur kleiner gleich dem geringsten Einzelwirkungsgrad sein. Wenn auch gleich die Hochtemperatur-Elektrolyse noch in ihren Kinderschuhen steckt, wird ihr das größte Potenzial für die Zukunft zugespro-chen. Besonders in der Kopplung mit anderen Prozessen sind hohe Wirkungsgrade möglich. Die Produktionsstabilität und das Verhalten unter wechselnden Lastzuständen, stellt die Technik vor einige Herausforderungen, die noch Forschungsbedarf benötigen. Letzteres For-schungsfeld ist substantiell für den Einsatz als Technologie zum Speichern von Strompeaks durch erneuerbare Energien. Damit auf diese möglichst schnell reagiert werden kann.

4.1.2 Speicherung

Die Wasserstoffspeicherung, sowohl für den Einsatz im Auto, als auch für den Transport an sich, ist eine elementare Herausforderung. Dem Umstand geschuldet, dass Wasserstoff die geringste Dichte hat, bedarf einer geeigneten Variante für den jeweiligen Einsatzzweck, um den volumetrischen Energiegehalt zu erhöhen. Dafür kommen drei Möglichkeiten in Frage:

- Druckspeicherung
- Verflüssigung
- Festkörperspeicherung

Die Festkörperspeicherung2 verspricht zwar besonders hohe Speicherdichten, jedoch ist die Auslagerung noch ein besonderes Hindernis und energetisch aufwendig. Einsatzgebiet ist hier primär die Langzeitspeicherung. Die Verflüssigung von Wasserstoff bei Umgebung-stemperatur ist ebenfalls, aufgrund der Siedetemperatur bei -252 , 85 ◦ C (vgl. T. 4.1) sehr aufwendig, wenn gleich auch hier höhere Speicherdichten gegenüber der Druckspeicherung erreicht werden. Die Verflüssigung ist daher nur für eine längere Speicherdauer, wie den Transport sinnvoll, da 40% der im Wasserstoff gespeicherten Energie für die Verflüssigung aufgewendet werden muss. Damit bleibt für die Anwendung im Fahrzeug nur noch die Druckspeicherung als derzeitig sinnvolle Alternative.

Da die Brennstoffzellen-Technologie eine Art Elektro-Mobilität ohne batterie-elek-trische Speicherung ist, wird hier der Vergleich gegen die Energiemenge, die in heutigen Akkumulatoren gespeichert werden kann, gezogen. Wird eine Größe von 75 kWh angenom-men, bedeutet das:

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Dabei wird nicht der geringere Wirkungsgrad der Brennstoffzelle von - 60% berücksichtigt, jedoch relativiert sich dieser Nachteil durch das reduzierte Gewicht des gesamten Kraft-stoffspeichersystems gegenüber dem einer Batterie. Daraus resultiert ein niedrigerer Fahr-widerstand. Der oben errechnete Wert ist deswegen ein guter und repräsentativer Wert für die derzeit eingesetzte Tankvolumina (vgl. Toyota Mirai).

Die Speicherung von Wasserstoff unter Umgebungsbedingungen führt neben Problemen bei der Betankung, aufgrund des Fehlens eines Druckgefälles, dazu, dass eine Masse von 2 , 25 kg volumetrisch nicht in einem Fahrzeug untergebracht werden kann. Nach der idealen Gasgleichung würden 2 , 25 kg Wasserstoff ein Volumen von aufweisen. Das wäre ungefähr ein Tankvolumen von dem Auflieger eines Tanklastwagen. Daher ist alleine aufgrund des Tankvorganges eine Druckerhöhung unausweichlich. Derzeit sind Komposit-Druckbehälter aus CFK3, die den Wasserstoff unter 700 bar speichern, Stand der Technik. Das hat zur folge, dass sich das Tankvolumen auf 58 l 4 reduziert.

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Dieses Volumen entspricht dem eines im Package des Fahrzeugs zur Verfügung stehenden Raumes für die Energiespeicherung. Die theoretischen Werte aus der sehr plakativen Rech-nung, unterliegen in der Realität natürlich nicht unerheblichen Einflussfaktoren, wie die Abkühlung des Gases nach dem Tankvorgang im Behälter. Daraus resultiert eine nicht maximale Ausnutzung des Tankvolumens. Des Weiteren muss der Wasserstoff auf 900 bar verdichtet werden, damit ein Tankvorgang in einer überschaubaren Zeit überhaupt möglich ist. Daraus entsteht ein enormer energetischer Aufwand.

4.2 Methan

Die Schwierigkeiten bei der Speicherung und dem Transport von Wasserstoff sind seit Anbe-ginn primäre Herausforderungen und die hauptsächlichen Faktoren, die einen Durchbruch dieser Technologie vereiteln. Die Wirkungsgrade werden sich zwar noch steigern lassen, nichtsdestotrotz kann die Physik nicht überlistet werden. Die Energie für die Zustandsän-derung eines Gases wird immer gleich bleiben. Wie also höhere Speicherdichten erzielen bei einem energetisch niedrigerem Aufwand? Das ist durch die Synthese des nahezu reinen Wasserstoffes (99 , 98%) mit einem C-Atom zu Methan (CH 4) möglich. Allein bei Norm-bedingungen liegt die Dichte um das 8-fache höher als bei Wasserstoff (vgl. T. 4.3 & 4.1).

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Das ist eine vielversprechende Ausgangslage, für den volumetrischen Bedarf eines Tank-systems im Fahrzeug, bei dem zugleich eine ausreichende Reichweite möglich ist. Neben den Nachteilen die auch Methan mit sich bringt, wie die starke Flüchtigkeit bei Leckage und die Entzündlichkeit, hat es einen entscheidenden Vorteil. Methan ist gegenüber Was-serstoff unbegrenzt in das vorhandene Erdgasnetz einspeisbar. Das fundiert darauf, dass Erdgas zu ±95 %⁵ aus Methan besteht und es damit zu keiner merklichen Veränderung der Stoffeigenschaften kommt.

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Abbildung 4.2: Schematische Darstellung der Produktion von e-Methan

Damit wäre eine große Kostenpostion der Transport- und Tankinfrastruktur gegenüber des Aufbaues eine Wasserstoffnetzes oder die der Ladeinfrastruktur der E-Mobilität at acta gelegt. Die Produktion von e-Methan könnte allmählich hochgefahren werden und peu á peu das fossile Erdgas substituieren, ohne das eine Anpassung bei der verwendenden Technologie des Endverbrauchers notwendig wäre.

Tabelle 4.3: Stoffeigenschaften von Methan

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Ist es jedoch energetisch sinnvoll synthetisch Methan zu erzeugen, wenn gleich die Speiche-rung weniger Energie im Verhältnis zu Wasserstoff benötigt? - Derzeitige Methanisierungs-Verfahren⁶ haben einen Wirkungsgrad von 77 — 83 %. Wird die Endothermität der Me-thanisierung mit der exothermen Reaktion der Elektrolyse gekoppelt, sind perspektivisch Wirkungsgrade von 77 — 90 % möglich. Damit wäre zukünftig ein Gesamtwirkungsgrad der Produktion von 81 % möglich.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Jedoch muss besonders bei Gasen die Energie mit einbezogen werden, die für die Kompri-mierung aufzuwenden ist. In A.3 ist ein Diagramm des prozentualen Verhältnis zwischen unterem Heizwert und dem Energieaufwand für die Komprimierung zusehen. Damit kann die Energie, die für das Komprimieren benötigt wird, wie folgt beschrieben werden:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Die Basis auf der der Wert pk,% errechnet wurde, ist die Annahme des Verhalten eines idea-len Gases und einer adiabten Kompression. Demnach wird die real aufzubringende Kühlung bei dem Kompressionsvorgang nicht berücksichtigt. Wie in den oberen Kapiteln schon an-geführt, kann dieses Verhalten jedoch bei den erreichten Drücken nicht mehr angesetzt werden. Die Diskrepanz wird in der zugrundeliegenden Quelle 16 über den Wirkungsgrad ausgeglichen und ist für einen makroskopischen Vergleich der beiden Gase hinlänglich.

Die zugeführte Energie von der Produktion bis zur Speicherung, setzt sich demnach aus den beiden Summanden EP und Ek zusammen.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Der Anteil der Energie für die Produktion ergibt sich durch die Division des Heizwertes mit dem Prozesswirkungsgrad. Wird diese Beziehung und die Gl. 11 in die Gl. 12 eingesetzt, ergibt sich der Zusammenhang:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Der perspektivische Wirkungsgrade der Elektrolyse von Wasser (T. 4.2) für die reine Was-serstoffproduktion, ohne Sektorkopplung, liegt bei 86%. Sofern eine Kopplung mit der Me-thanisierung erfolgt, kann der Wirkungsgrad auf 90%, durch Nutzung der Abwärme (vgl. Gl. 10) gesteigert werden. Für pk,% wird ein Wert von 11 , 8% bei 900 bar für H2 und für Methan ein Wert von 2 , 5% bei 400 bar dem Diagramm (A.3) entnommen. Die höher an-genommenen Drücke, als die tatsächlichen Tankdrücke, ergeben sich, durch das für den Tankvorgang nötige Druckgefälle. Damit sind die Bereitstellungswirkungsgrade der beiden Stoffe:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Daraus kann konstatiert werden, dass die energetisch weniger intensive Speicherung von Methan, den zusätzlichen Prozessschritt der Methanisierung kompensiert und die Kopp­lung der beiden Prozesse, zu einer Zunahme der Einzel-Wirkungsgrade führt. Die Tatsache der Nutzung und der Einspeisung in das vorhandene Erdgas-Netz, sowie das endgültige Komprimieren auf die Betankungsdrücke, gibt der Methan-Synthese nochmals einen Vor-zug gegenüber der direkten Wasserstoffnutzung. Damit ist das e-Methan gegenüber grünem Wasserstoff bei der WtT-Bilanz vorteilhafter. In der TtW-Bilanz, die im Kap. 6 analysiert wird, ist eine deutliche Disparität zu erkennen. Zumal bei der Verbrennung von Methan, die altbekannten unerwünschten Abgasemissionen entstehen.

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¹ Der Wirkungsgrad hängt von vielen Einflüssen, wie Lastzustand des Elektrolyseurs, Temperatur und eventueller vorangehender Wasseraufbereitung (Entsalzung) ab.

² Gasgemisch aus H2 und CO Mittels Wasserstoff werden unter definierten Reaktionsparametern, Kohlenstoffketten „aufgebrochen“

³ Kohlefaserverstärker Kunststoff

⁴ Aufgrund der zu starken Abweichung von den Eigenschaften eines idealen Gases muss hier die Real-Gas-Gleichung angewendet werden

⁵ Abhängig von der jeweiligen Förderregion (USA=- 98% ; Nordsee=- 89%)

⁶ Daten nach Quelle