Als E-Fuel (von englisch electrofuel, umgangssprachlich teils auch E-Sprit genannt) werden synthetische Kraftstoffe bezeichnet, die mittels elektrischem Strom 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 oder anderen CO2-neutralen Quellen gespeist 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.
Die Verbrennung der E-Kraftstoffe erzeugt grundsätzlich ebenso viel umweltschädliche Abgase wie normale Kraftstoffe, jedoch ist eine geringere Rußfreisetzung möglich. Stickoxide, Kohlenmonoxid und Kohlenwasserstoffe werden jedoch bei Verbrennung in nahezu identischen Mengen wie bei vergleichbaren Treibstoffen aus Erdöl oder Biomasse freigesetzt, so dass sich nicht alle Reaktionsprodukte in einem Kreislauf befänden.
Aufgrund einer hohen chemischen Reinheit können sie alternativ zur Verwendung in Wärmekraftmaschinen wie dem Verbrennungsmotor auch in Brennstoffzellen zu reinem CO2 und Wasser reagieren, so dass das freigegebene CO2 sich in einem Kreislauf befinden kann.
Neben E-Fuels wird teils auch der Begriff E-Sprit genutzt.[1] 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 Benzin).
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 aus Carbon Capture and Utilization stammt.[2] 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.[2]
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.[2]
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.[2] 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.[1]
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.[3][4][5] 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).[6][7]
Noch größer sind die Unterschiede im Heizungssektor. So braucht eine E-Fuel-Heizung zwischen sechs- und vierzehnmal so viel Energie wie eine Wärmepumpenheizung.[2]
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.[2]
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.[8]
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.[2]
Werden e-Fuels in der Luftfahrt verwendet, tritt selbst bei komplett CO2-neutraler Herstellung des verwendeten Stroms ein klimaerwärmender Effekt auf, da etwa zwei Drittel des Klimaeffektes des Flugverkehrs nicht durch die Kohlenstoffdioxid-Freisetzung verursacht werden, sondern durch sekundäre Klimaeffekte. Daher reduziert auch die Umstellung auf E-Kerosin, das mit 100 % Ökostrom hergestellt wurde, die klimatischen Auswirkungen des Flugverkehrs nur um etwa ein Drittel.[2]
Da E-Fuels in ihren Eigenschaften nicht von konventionellen Kraftstoffen unterscheidbar seien, sei davon auszugehen, dass sie auch nicht zu einer Verbesserung der Luftqualität beitragen könnten, da bei der Verbrennung ebenfalls Luftschadstoffe freigesetzt würden, so die Bundesregierung.[9] Allerdings wäre zumindest bei Einsatz von OME eine praktisch rußfreie Verbrennung möglich.[10] Innermotorisch könnte man dadurch die Vermeidung von Stickoxiden regeln. Für Schiffe sieht die IMO (International Maritime Organization) einen sehr großen Anteil von Ammoniak (NH3) als Kraftstoff bis zum Jahr 2050 vor.[11]
E-Fuels konkurrieren sowohl mit fossilen Brennstoffen, die sie potentiell ersetzen sollen, als auch mit anderen Klimaschutztechniken, insbesondere mit Techniken zur direkten Elektrifizierung von Verbrauchsektoren. Grundsätzlich erlaubt es die Vielseitigkeit von E-Fuels, fossile Brennstoffe praktisch 1:1 zu ersetzen, ohne dass dafür auf der Verbraucherseite große Investitionen stattfinden müssen. Diesem Vorteil stehen aber sehr große Kosten gegenüber, nicht zuletzt ein sehr niedriger Gesamtwirkungsgrad eines auf E-Fuels basierenden Energiesystems und damit auch die Notwendigkeit, ein Mehrfaches an Windkraft- und Solaranlagen zu installieren als bei Einsatz effizienterer Techniken. Bei einer ganzheitlichen Betrachtungsweise spielen für die Sinnhaftigkeit eines Einsatzes zudem nicht nur die reinen Kosten eine Rolle, sondern auch, welche Techniken den besten Klimaschutzeffekt versprechen (zumeist die direkte Elektrifizierung) und welche Techniken knappe Ressourcen wie Wasserstoff oder E-Fuels am effizientesten nutzen.[2]
Nach einer Übersichtsarbeit von Ueckerdt et al. lassen sich im Hinblick auf die Sinnhaftigkeit des E-Fuel-Einsatzes vier verschiedene Endverbrauchssektoren unterscheiden[2]:
Als empfehlenswert sehen die Autoren die Nutzung von Wasserstoff bzw. E-Fuels nur in Gruppe 3 an, also in Sektoren, die kaum elektrifiziert werden können. Hingegen verweisen sie darauf, dass eine Priorisierung von leicht und günstig zu elektrifizierenden Sektoren (Gruppe 1) dazu führen könnte, dass sich nicht nur die Klimaschutzkosten insgesamt deutlich erhöhen würden, sondern gleichzeitig auch die Treibhausgasemissionen steigen würden statt zurückzugehen. Um diesen und ähnlichen Problemen vorzubeugen, schlagen die Autoren daher eine E-Fuel-Merit-Order vor.[2]
Auch andere Autoren kommen zu dem Schluss, dass ein hoher Anteil von Autos mit E-Fuels im Autoverkehr nicht erstrebenswert ist, um den Stromverbrauch nicht sehr stark ansteigen zu lassen, und stattdessen sinnvolle Einsatzbereiche vor allem der Luftverkehr, die Schifffahrt und der Schwerlastverkehr sowie schwere Baumaschinen sind, bei denen die Elektrifizierung nur schwer möglich ist.[12][13][14]
In seiner Arbeit „The Clean Hydrogen Ladder“ stuft Michael Liebreich die Nutzung von Wasserstoff für die Massenherstellung von E-Fuels als unwirtschaftlich ein, während er andere Nutzungen wie Oldtimerkraftstoffe oder Langstreckenflüge als vertretbar einstuft.[15]
Auch das Öko-Institut kam in einer vom Bundesministerium für Bildung und Forschung finanzierten Studie zum Ergebnis, dass strombasierte Energieträger langfristig wichtig würden, um die Pariser Klimaschutzziele zu erfüllen, ihre Nutzung aber erst dann sinnvoll sei, wenn ein Ökostromanteil von ca. 80 % im Jahresschnitt erreicht sei. Bis mindestens 2030 könnten strombasierte Energieträger keinen nennenswerten Klimaschutzbeitrag leisten, da die Herstellungskosten (auch im Vergleich zu anderen Klimaschutzmaßnahmen wie Effizienzsteigerungen und Elektrifizierung von Endanwendungen) zu hoch seien, manche Teilprozesse noch hochskaliert werden müssten und die Verfügbarkeit von ausreichend Ökostrom ein limitierender Faktor sei. Auch trügen strombasierte Energieträger nicht automatisch zur Minderung von Treibhausgasemissionen bei, sondern könnten die Emissionen verglichen mit fossilen Brennstoffen auch erhöhen, was der Fall wäre, wenn ihre Herstellung zu höherer Auslastung von fossilen Kraftwerken führte. Daher sollten Optionen zur Effizienzsteigerung und Verbrauchsreduktion sowie die Elektrifizierung mittels Wärmepumpenheizungen und Elektroautos Vorrang vor der Herstellung strombasierter Energieträger haben. Die Nutzung von strombasierten Stoffen sei zum Klimaschutz vor allem dann zweckmäßig, wenn sie „zusätzlich zur Nachfragevermeidung und zu Effizienzsteigerungen bzw. der Elektrifizierung von Anwendungen in Bereichen stattfindet, für die keine weiteren technischen Lösungen zur Verfügung stehen“. Daher solle eine Förderung eingeführt werden, bei der aber sichergestellt sei, „dass die Einführung strombasierter Stoffe nicht dazu führt, Transformationsprozesse der Anwendungssektoren hin zu effizienteren Technologien (z. B. Wärmepumpen, Elektromobilität) zu verzögern“. Zudem sei es geboten, regulatorisch sicherzustellen, dass strombasierte Energieträger auch tatsächlich zur Minderung der Treibhausgasemissionen beitragen, da bei ihrer Produktion ein Zielkonflikt zwischen ökonomisch und ökologisch optimalem Betrieb herrsche.[16]
Eine 2021 in Nature Climate Change erschienene Übersichtsarbeit kalkulierte für die Jahre 2020 bis 2025 Herstellungskosten 194 bis 226 Euro/MWh. Auf Benzin umgerechnet entspricht das etwa Herstellungskosten von 3,20 Euro, Steuern nicht mit eingerechnet. Damit lägen die CO2-Vermeidungskosten bei ca. 800 Euro/Tonne für E-Benzin und ca. 1200 Euro für E-Methan. Zugleich weisen die Autoren darauf hin, dass dieses Szenario aufgrund der angenommenen Massenproduktion und der Tatsache, dass bisher nur wenige Prototypen und Demonstrationsanlagen existieren, eher hypothetisch ist. Aufgrund technischer Fortschritte und damit einhergehenden Investitionen in die Technik erwarten sie jedoch auf längere Zeit erheblich fallende Kosten. So halten sie für das Jahr 2050 E-Fuel-Kosten von 47–51 Euro/MWh für E-Benzin und 60–65 Euro/MWh für E-Methan für möglich. Das entspräche CO2-Vermeidungskosten von ca. 200 Euro/Tonne für E-Benzin und ca. 270 Euro/Tonne für E-Methan.[2]
Diese Kosten legen den Autoren zufolge nahe, dass E-Fuels bei der gegenwärtig erwarteten Entwicklung der CO2-Preise in verschiedenen Handelssystemen wie dem EU-Emissionshandel realistischerweise nicht vor 2030 wirtschaftlich sein können, die CO2-Preise im Jahr 2050 E-Fuels aber wirtschaftlich machen könnten. Damit ergäben sich zwei Schlüsselergebnisse: So hätten E-Fuels
Dabei zeige die große Differenz zwischen den Vermeidungskosten der E-Fuels und des CO2-Preises, wie hoch die Subventionierung von E-Fuels ausfallen müsse. Positiv auswirken könnte sich aber die Erhöhung des Klimaziels der EU, sodass möglicherweise bereits ab 2030 ausreichend hohe CO2-Preise herrschen würden.[2]
Hauptgründe für die hohen Produktionskosten sind derzeit die Umwandlungsverluste und die fehlende industrielle Produktion. Eine Studie im Auftrag des Verbands der Automobilindustrie kam 2017 zu dem Ergebnis, dass die Kosten für E-Fuels zu diesem Zeitpunkt bis zu 4,50 € pro Liter Dieseläquivalent betrugen. Eine Senkung auf ca. 1,00 € pro Liter erscheine jedoch durch Importe von E-Fuels aus Regionen mit großen Ökostrommengen erreichbar.[17] Andere Quellen nennen reine Herstellungskosten von 2 bis 2,50 Euro/Liter Kraftstoff für die Produktion im industriellen Maßstab, verglichen mit ca. 30–40 Cent für fossile Treibstoffe.[18] Die Bundesregierung führt dazu aus, dass die erwartete Preisminderung bis zum Jahr 2030 mit Unsicherheiten verbunden sei.[9] Auch die Arbeitsgruppe 1 der Nationalen Plattform „Zukunft der Mobilität“ geht davon aus, dass die Herstellungskosten der stromgenerierten Kraftstoffe auch bei einer positiven Kostenentwicklung deutlich über denen des fossilen Pendants liegen.[19]
Hingegen wird von Seiten von einigen Autolobbyisten darauf verwiesen, dass bei der Nutzung von E-Fuels gegenüber der Elektromobilität der Vorteil darin liege, dass die bestehende Infrastruktur (Fahrzeuge, Tankstellen) weiter genutzt werden könne, da synthetische Kraftstoffe grundsätzlich dieselben Eigenschaften wie die konventionellen Kraftstoffvarianten aufweisen und diese somit ersetzen können.[18]
Die Produktionskosten für regeneratives Methanol wurden 2021 mit ca. 800 bis 1600 USD/t für e-Methanol aus CO2 aus erneuerbaren Quellen und ca. 1200 bis 2400 USD/t für e-Methanol aus Kohlenstoffdioxid aus Direct Air Capture geschätzt.[3] Der Preis für den Endverbraucher wird durch Transportkosten, Gewinne für Produzenten, Distributoren und Tankstellen, sowie ggf. durch Mineralöl- und Mehrwertsteuer, deutlich darüber liegen.
Vorangetrieben werden E-Fuels vor allem von der Mineralölindustrie, deren Absatz von einer Elektrifizierung der Fahrzeugflotte einen großen Einbruch erleiden würde.[1] Mit Stand 2019 existieren lediglich Demonstrations- und Pilotanlagen. Entsprechend ist auch ein Verbrauch so gut wie nicht vorhanden.[9] Auch die künftigen Produktionsmengen sind derzeit schwer abschätzbar: Die Bundesregierung gibt an, dass es für sie nicht möglich sei, belastbare, realistische Aussagen zu möglichen Produktionsmengen bzw. Produktionsmengen in Deutschland zu machen.[9]
Der Mineralölkonzern Shell erklärte, dass PtX-Kraftstoffe in nennenswerten Mengen nicht vor 2030, teilweise auch noch später erwartet würden.[20] Am 6. November 2019 ging am KIT im Rahmen der Kopernikus-Projekte[21] eine Versuchsanlage in der Größe eines 40′-Containers in Betrieb, die mit Kohlendioxid aus Direct air capture derzeit etwa 10 Liter Treibstoff pro Tag herstellt. Der Ausbau auf 200 Liter pro Tag ist geplant. Während in Kanada die kommerzielle Anlage von Carbon Engineering aufgebaut wurde, dient die Anlage am KIT der Forschung an der praktischen Verbesserung des Wirkungsgrades, der für die Konstruktion im Endausbau auf 60 % hochgerechnet wurde. Dieser soll erreicht werden, indem unter anderem die Prozesswärme aus der Hochtemperatur-CO-Elektrolyse für weitere Prozessschritte wiederverwendet wird, zuletzt für die 95 °C, die das gesammelte CO2 aus dem Absorbermaterial treiben.[22]
In Österreich startete das Institut für Wärme und Öltechnik (IWO), die Interessensvertretung der Erdölindustrie am Raumwärmemarkt, zusammen mit der AVL List GmbH im Jahr 2020 das Pilotprojekt Innovation Flüssige Energie, bei dem es zu einem großen Sprung in die CO2-neutrale Zukunft kommen soll. Geplant ist der Bau der innovativsten Power-to-Liquid-Anlage Europas, deren bereits vollständig ausfinanzierter Bau 2021 gestartet und 2022 beendet wird. Geplante Produktionsmenge: 500.000 Liter Kraftstoff in der ersten Phase. Das Ergebnis soll erstmals konkurrenzfähige Preise im Vergleich zu fossilen Treib- und Heizstoffen beinhalten.[23]
In Island wird aktuell eine Menge von über 4000 Tonnen e-Methanol pro Jahr produziert.[3][24] Weitere großindustrielle Anlagen zur Herstellung von Methanol unter Einsatz von erneuerbarem Strom sind in Planung (siehe Artikel Methanolwirtschaft).
Ein großer Teil der Unternehmen, die in eine Produktion E-Fuels planen, konzentriert sich mit Stand 2022 auf Kraftstoffe für den Flugverkehr.[25]
Eine Ausnahme ist die Pilotanlage Haru Oni in Chile, die im Dezember 2022 eröffnet wurde. Sie produziert Methanol und zusätzlich ca. 130.000 Liter E-Fuel für den Autoverkehr pro Jahr. Diese Menge soll in der Zukunft gesteigert werden.[25][26]
Der präsentierte Inhalt des Wikipedia-Artikels wurde im 2023-04-01 basierend auf extrahiert https://de.wikipedia.org/?curid=9761115