Alternative Kraftstoffe

Alternativer Kraftstoff ist ein sehr weitgehender Begriff für Energieträger für Otto- und Dieselmotoren.
Neben der Weiterentwicklung und der Qualitätssicherung konventioneller Kraftstoffe treten immer stärker auch andere Kraftstoffe in den Blickpunkt der öffentlichen Diskussion. Gründe für die Suche nach Alternativen sind v.a. die begrenzten Rohölvorkommen, aber auch die Umweltbelastungen und Klimabeeinträchtigungen, die bei der Verbrennung von Mineralölprodukten und ihren Zusätzen auftreten.

Unter anderen sind neben herkömmlichen Otto- und Dieselkraftstoffen folgende alternative Kraftstoffe prinzipiell für den Antrieb von Kraftfahrzeugen geeignet:

• Flüssiggas (LPG = Liquified Petrol Gas)
• Erdgas (als CNG = Compressed Natural Gas oder als LNG = Liquified Natural Gas)
• Wasserstoff
• Methanol
• GTL (Gas to Liquid)

oder biogene Kraftstoffe/Kraftstoffkomponenten wie

• Fettsäuremethylester (u.a. Biodiesel)
• Ethanol oder
• BTL (Biomass-to-Liquid).

Mit Ausnahme von Flüssiggas sind alternative Kraftstoffe nur mit hohen Subventionen wettbewerbsfähig.

Sendung mit der Maus: Was sind alternative Kraftstoffe?

Biokraftstoff, Wasserstoff und Elektrizität

Häufig als alternative Kraftstoffe diskutiert werden Erdgas, Biodiesel, Methanol und Wasserstoff. Auch diese müssen einer eingehenden Prüfung bezüglich ihrer Umweltverträglichkeit, ihrer Praxistauglichkeit und ihrer Wirtschaftlichkeit unterzogen werden. Die gegenwärtige Diskussion um die Förderung biogener Kraftstoffe wird von verschiedenen Interessen geleitet. Besonderes Gewicht haben dabei die Förderung der Landwirtschaft und strukturschwacher Räume sowie der Vertrauensschutz für die Anbieter, Hersteller und Investoren. Hierauf wird im Weiteren nicht eingegangen. Vielmehr wird betrachtet, welche Optionen sinnvolle Beiträge zur langfristigen nachhaltigen Energieversorgung des Verkehrs im Kontext des gesamten Energiesystems leisten können. Hierbei kommen nicht nur Biokraftstoffe in Betracht.

Die Diskussion konzentriert sich im Wesentlichen auf Biokraftstoffe, Wasserstoff und Elektrizität als alternative Kraftstoffe.

• Aufbereitetes Biogas und regenerativ erzeugter Strom für Elektrofahrzeuge sind heute die aussichtsreichsten Kandidaten, um langfristig einen aus Klimaschutzsicht sinnvollen und mengenmäßig bedeutenden Beitrag (> 50 %) zur nachhaltigen Energieversorgung des Verkehrs zu leisten. Notwendige Voraussetzung hierfür ist die erhebliche Reduzierung des Energieverbrauchs der Fahrzeuge um mindestens 50 Prozent und der hochdynamische weitere Ausbau der erneuerbaren Energien. Hierfür ist das EEG konsequent fortzuführen und um analoge Instrumente im Gas- und Wärmebereich zu ergänzen.
• Biokraftstoffe der 1. Generation sind – gegenüber der stationären energetischen Nutzung der Biomasse (feste Biomasse in Feuerungen und Biogas) – aus Klimaschutzsicht so ineffizient, dass die gegenwärtige Markteinführungsförderung für diese Kraftstoffe korrigiert werden sollte.
• Das Potenzial von BtL und Lignozellulose Ethanol (Biokraftstoffe der 2. Generation) sollte weiter erforscht werden.
• Wasserstoff ist eine sehr langfristige Option (jenseits 2050). Potenzielle zukünftige Beiträge zur Energieversorgung sind daher heute nicht ansatzweise quantifizierbar. Öffentliche Förderung sollte sich hier klar auf den Forschungsbereich konzentrieren.

Biokraftstoffe der 1. Generation

Zu den Biokraftstoffen der 1. Generation zählen:

• Pflanzenöl,
• aus Pflanzenöl durch Veresterung hergestellter Biodiesel,
• Bioethanol auf der Basis von Zucker- und Stärkepflanzen.

Diese Kraftstoffe zeichnen sich dadurch aus, dass spezifische Biomasse und Anbaupflanzen benötigt werden (Öl-, Zucker- oder Stärkepflanzen). Die Anbaupflanzen werden dabei nur in Teilen – hinsichtlich ihres Öl-, Zucker- oder Stärkgehalts – für die Kraftstoffherstellung genutzt. Die Biomasse Beinhaltet die gesamte organische Substanz, die durch Pflanzen und Tiere anfällt oder erzeugt wird. Wenn es um den Einsatz von Biomasse zur Energieerzeugung geht, unterscheidet man zwischen nachwachsenden Rohstoffen (Energiepflanzen wie Raps, Mais oder Getreide) sowie organischen Reststoffen und Abfällen. Biomasse liefert Energie etwa in Form von Wärme (überwiegend Holz, einschließlich Holzpellets), Strom (zum Beispiel Biogas) oder Kraftstoff (zum Beispiel Biodiesel).

Hierdurch sind die Biokraftstoffe der 1. Generation erheblich ineffizienter als die stationäre energetische Biomassenutzung. Die Nutzung fester Biomasse oder des Biogases im Strom- und/oder Wärmebereich erlaubt eine drei bis fünffach höhere Klimagasemissionsminderung je Hektar Anbaufläche. Gleichzeitig sind die spezifischen Klimagasemissionsminderungskosten der Biokraftstoffe der 1. Generation mit über 200 €/tCO₂Äq. deutlich höher als in anderen Bereichen. Aus Sicht des Klimaschutzes ist es daher wenig effizient, Biomasse in diesen Bereich zu lenken. Die gegenwärtige Markteinführungsförderung für Biokraftstoffe sollte daher korrigiert werden.

Biokraftstoffe der 2. Generation

Zu den Biokraftstoffen der 2. Generation zählen:

• Biogas (auf Erdgasqualität aufbereitet),
• Biomass-to-Liquid (BtL),
• Bioethanol auf Lignozellulosebasis.

Diese Kraftstoffe zeichnen sich dadurch aus, dass unspezifische Biomasse inklusive Rest- und Abfallstoffe verarbeitet werden kann. Bei Anbaubiomasse wird die ganze Pflanze genutzt. Die Nachteile gegenüber der stationären energetischen Nutzung sind daher – gegenüber den Biokraftstoffen der 1. Generation – erheblich kleiner. Gleichwohl bleibt aus Klimaschutzsicht die Verstromung fester Biomasse oder des Biogases in Kraft-Wärme-Kopplung (KWK ) die günstigste Option.

Um Biogas im Verkehr zu nutzen, muss es auf Erdgasqualität aufbereitet werden. Die Aufbereitung und Einspeisung von Biogas ist bereits heute an der Grenze zur Marktreife. Von den Biokraftstoffen der 2. Generation bietet aufbereitetes Biogas die höchsten Mengen- und Klimagasemissionsminderungspotenziale bei vergleichsweise (zu BtL) niedrigen Kosten.

Das Erneuerbare-Energien-Gesetz (EEG) fördert gegenwärtig die Markteinführung der Biogastechnik im stationären Bereich. Die Besteuerung des Erdgases im Verkehr zum Mindeststeuersatz laut EG-Energiesteuer-Richtlinie fördert die Entwicklung der Erdgasfahrzeuge und der Betankungsinfrastruktur. Diese Rahmenbedingungen können langfristig dazu führen, dass Biogas ohne zusätzlichen Aufwand für Entwicklung oder Markteinführung die Bioenergienutzung auch für den Verkehr erschließt.

Die Arbeiten an BtL und Lignozellulose-Ethanol sind im Forschungs- und Technikumsmaßstab. Diese beiden Kraftstoffe haben – gegenüber Biogas – den Vorteil, flüssig zu sein. Methan hat, gespeichert als Druckgas, demgegenüber eine deutlich geringere Speicherdichte, und erlaubt deshalb geringere Reichweiten. Dieser Nachteil wird sich aber mit abnehmendem Energieverbrauch der Fahrzeuge relativieren. Um insgesamt attraktiv zu sein, dürfen die Nachteile des BtL oder des Lignozellulose-Ethanols bezüglich Energieeffizienz und Kosten aber nicht zu groß sein. Ob und wann hieraus konkurrenzfähige Produkte entstehen, ist gegenwärtig nicht einschätzbar. Förderungen in diesem Bereich sollten daher in der Forschung und nicht in der Markteinführung ansetzen.

Wasserstoff

Wasserstoff kann – aus Klimaschutzsicht sinnvoll – mit drei Energieträgern hergestellt werden:

• Kernenergie,
• fossil mit CO₂-Abtrennung und Speicherung (Sequestrierung),
• erneuerbare Energien.

Die Option Kernenergie ist – wegen der hiermit verbundenen Risiken – aus Umweltschutzsicht nicht akzeptabel und wird hier nicht weiter betrachtet. Die fossile Wasserstoffproduktion mit CO₂-Abtrennung und Speicherung (z.B. via ”Clean Coal”) ist grundsätzlich aus Klimaschutzsicht interessant. Allerdings sind nach gegenwärtigem Kenntnisstand schon mittelfristig (2020-2030) die spezifischen Klimagasemissionsminderungskosten mit dem Einsatz erneuerbarer Energien niedriger als bei ”Clean Coal”. Diese Option erscheint daher langfristig nicht sinnvoll und ist kurzfristig nicht verfügbar.

Aus heutiger Sicht wird Wasserstoff mit erneuerbaren Energien am besten mit Hilfe der Wasserelektrolyse mit regenerativ erzeugtem Strom (reg. Strom) erzeugt. In Betracht kommen hierbei besonders die Spitzen der fluktuierenden Wind- und Solarstromerzeugung. Grundlastfähige Potenziale für Strom aus erneuerbaren Energien – wie Biomasse, Wasser oder Geothermie – kommen hierfür weniger in Betracht.

Alle Szenarien, die ohne weitere Nutzung der Kernenergie und ohne CO₂-Sequestrierung das Klimaschutzziel „80 Prozent Klimagasemissionsminderung bis 2050” in Deutschland realisieren, erfordern eine erhebliche Steigerung der Energieeffizienz und den hochdynamischen Ausbau der erneuerbaren Energien. Bei einem realistischen, maximal möglichen Ausbau der erneuerbaren Energien resultiert bis 2030 kein nennenswertes Potenzial an überschüssigem Strom aus erneuerbaren Energien, der sich – aus Klimaschutzsicht sinnvoll – für Wasserstoff Autos nutzen ließe. In größerem Umfang ist hiermit frühestens nach 2050 zu rechnen.

Wegen der langen Zeiträume sind keine belastbaren Prognosen zur Einführung des Wasserstoffs als Speichermedium für erneuerbare Energieträger möglich. Insbesondere sind auch langfristig (bis 2050 und darüber hinaus) nachhaltige Energiesysteme ohne signifikante Wasserstoffanteile denkbar. Förderungen in diesem Bereich sollten daher in der Forschung und nicht in der Markteinführung ansetzen.

Elektrizität

Der effizienteste Einsatz für Strom aus erneuerbaren Energien oder allgemeiner von Elektrizität im Straßenverkehr ist die direkte Verwendung in Elektrofahrzeugen. Die Einschätzung des zukünftigen Potenzials für Elektrofahrzeugen veränderte sich in den letzten Jahren deutlich positiv. Dies liegt wesentlich an zwei Faktoren:

• sinkende Kosten der Li-Ion Akkus wegen der Entwicklung im Bereich portabler Anwendungen,
• Einführung von Hybridantrieben.

Die physikalischen Parameter (z.B. Energiedichte) der Li-Ion Akkus sind schon heute für viele Anwendungen in Elektrofahrzeugen ausreichend. Wesentlicher Nachteil dieser Speicher sind die hohen Kosten, die in der Vergangenheit hemmend wirkten. Die Entwicklung im Bereich portabler Geräte hat in den letzten Jahren zu sinkenden Kosten der Li-Ion Akkus geführt. Mittelfristig können diese Systeme – bei weiterer Kostensenkung – auch für Elektrofahrzeuge attraktiv werden.

Alle elektrischen Komponenten (E-Motoren, Steuerung, Leistungselektronik) für Elektrofahrzeuge werden derzeit für den automobilen Großserieneinsatz in Hybridantrieben entwickelt. Dies gilt nicht für die Akkus, die im Hybrid hohe Leistungsdichten, im Elektrofahrzeug aber hohe Energiedichten aufweisen müssen. Insgesamt ist es heute realistisch, dass – bei weiterer Kostensenkung der Akkus – Elektrofahrzeuge mittelfristig für viele Einsatzprofile im Pkw-Kurz- und Mittelstreckenverkehr konkurrenzfähig werden.

MFC – Multi Fuel Concept

MFC ist ein verfahren um ein Fahrzeug vorzugsweise mit Alkoholkraftstoff, Benzin und beliebigen Mischungen dieser Kraftstoffe zu betreiben.

Das MFC verbindet Kraftstoffhersteller sowie Autohersteller mit dem Ziel, genaue Treibstoffmodell-Chemiemechanismen zu erstellen, um diese dann in einer Simulation zu verwenden, egal ob es sich nun um Benzin oder Diesel oder alternative Kraftstoffe wie beispielsweise Biokraftstoffe handelt.

Die ursprünglich acht MFC-Mitglieder sind mittlerweile auf mehr als zwanzig angewachsen, darunter VW und Peugeot (PSA) sowie japanische und amerikanische OEMs.