reFuels - Kraftstoffe neu denken

Wie kann der Verkehrssektor also in Anbetracht der vielfältigen Verkehrsträger langfristig CO₂-neutral werden?

Die Antwort: Es bedarf eines Umdenkens im Bereich der Mobilität sowie innovativer Lösungen und Antriebsformen.

Die Elektromobilität ist eine dieser Lösungen. Kann sie jedoch die einzige Lösung sein? Braucht es nicht mehrere sich ergänzende Lösungsansätze?

Sogenannte advanced biofuels sind fortschrittliche synthetische Kraftstoffe der zweiten Generation, die nachhaltig aus Biomasse hergestellt werden.

Als Biomasse dienen Rest- und Abfallstoffe der Land- und Forstwirtschaft. Anders als bei Biokraftstoffen der ersten Generation konkurriert die Synthese dieser fortschrittlichen Kraftstoffe nicht mit dem Anbau von Nahrungs- und Futtermitteln auf landwirtschaftlichen Flächen.
Die Biomasse wird in einem bestimmten Verfahren zu flüssigen Kraftstoffen verarbeitet (Biomass-to-Liquid, kurz: BtL).

BtL-Kraftstoffe bieten gegenüber Bioethanol und Biodiesel Vorteile, denn sie decken eine breite Palette von Kraftstoffarten wie Kerosin, Diesel und Ottokraftstoffen ab.

Besonders geeignet ist zellulosereiche, trockene Restbiomasse (Stroh, Restholz) aus Land-, Forstwirtschaft und Landschaftspflege.

Als Rohstoff wird in der bioliq®-Anlage auf dem Campus Nord des KIT daher Stroh verarbeitet.

Um die trockene Biomasse im bioliq®-Prozess optimal auf die Pyrolyse vorzubereiten, wird sie zuerst klein gehäckselt. Dann wird sie bei ca. 500 °C in einem Doppelschneckenmixreaktor innerhalb von Sekunden zu heißen Pyrolysedämpfen und Schwelteer-Koks umgesetzt. Der Koks wird nach der Umsetzung abgeschieden und die Pyrolysedämpfe abgekühlt und auskondensiert. Der wässrige Anteil wird hierbei abgetrennt. Es verbleiben ein öliger Anteil, das Pyrolyseöl und ein Feststoffanteil, der Koks. Beide Komponenten werden nun in einem bestimmten Verhältnis miteinander vermischt und ergeben einen energiedichten und für die Weiterverarbeitung fließfähigen Biosyncrude.

Ein wichtiger Schritt auf dem Weg zur Kraftstoffherstellung ist die Energieverdichtung der Biomasse mittels Pyrolyse zum Biosyncrude. Hierbei wird der Energiegehalt der Biomasse im Verhältnis zum ursprünglichen Volumen „verdichtet“. Statt hohe Aufkommen an voluminöser Biomasse zur Weiterverarbeitung in eine Raffinerie transportieren zu müssen, kann durch die Umsetzung mittels Pyrolyse das Volumen der Biomasse reduziert und der Energiegehalt im Biosyncrude in Relation zum ursprünglichen Volumen erhöht werden. Auf diesem Weg ist es auch möglich, hohe Transportkosten und unnötige CO2 Emissionen zu vermeiden.  

Der Biosyncrude wird in diesem Verfahrensschritt zu Synthesegas weiterverarbeitet. Dazu wird er in einem Flugstromvergaser unter hohem Druck und mit heißem Sauerstoff zerstäubt und bei ca. 1200°C zu einem teerfreien, methanarmen Rohsynthesegas umgesetzt. Der Aschegehalt der Biomasse wird als Schlacke während des Prozesses abgetrennt. Der Prozess erfolgt unter Drücken, die von der nachfolgenden Synthese bestimmt werden. Fischer-Tropsch-Synthesen erfordern Prozessdrücke bis zu 30 bar, Methanol- oder Dimethylether-Synthesen (DME) bis zu 80 bar. Der bioliq®-Pilotvergaser kann in der Stunde etwa eine Tonne Brennstoff umsetzen, und erreicht Druckstufen von 40 und 80 bar. Bei der Umsetzung des Biosyncrude zum Rohsynthesegas wird das H₂/CO Gemisch im Verhältnis 1:1 erhalten.

Die Gasreinigung des Rohsynthesegases ist notwendig, um mögliche Partikel und Störstoffe zu entfernen und um CO2 abzutrennen. Für die Gasreinigung wird ein Hochdruck-Hochtemperaturverfahren eingesetzt, das am KIT entwickelt wurde. Zuerst wird bei 800 °C die Partikelabscheidung (Asche, Koks, Ruß) mit keramischen Filterkerzen vorgenommen. Anschließend werden bei ca. 500 °C in einem Festbettabsorber NaHCO3, Na2CO3•2 H2O, Sauergase (HCl, H2S), Alkalien und Schwermetalle abgetrennt. Ein nachgeschalteter katalytischer Konverter dient der Zersetzung organischer und stickstoffhaltiger Stoffe wie HCN und NH3.

Die Kraftstoffsynthese erfolgt zweistufig über Dimethylether (DME) als Zwischenprodukt, für dessen Synthese ein Wasserstoff zu Kohlenmonoxid-Verhältnis von etwa 1:1, wie es aus der Biomassevergasung üblicherweise auftritt, vorteilhaft ist. Dies bedeutet eine Vereinfachung gegenüber der derzeitigen, mehrstufigen Verfahrensweise. Die DME-Synthese läuft bei ca. 250 °C und einem Druck von etwa 55 bar ab. Das DME wird dann in der Pilotanlage direkt weiter zu einem hoch-oktanigen Motorenbenzin umgesetzt. Hier erfolgt eine zeolithkatalysierte Dehydratisierung, Oligomerisierung und Isomerisierung bei Temperaturen von ca. 350 °C und einem Druck von ca. 25 bar. In Anlehnung an bekannte Prozesse (Methanol to Gasoline, kurz: MtG) wird dabei mit hoher Selektivität ein Kraftstoff mit Benzinqualität erhalten. Nicht umgesetztes Synthesegas wird über eine Gasrückführung in den Reaktor zurückgeführt.

E-Fuels sind synthetische Kraftstoffe, die mit erneuerbaren Energien aus Sonnen- und Windkraft hergestellt werden. Im sogenannten Power-to-Liquid Prozess (PtL) wird Synthesegas aus CO₂, Wasserstoff  und Strom aus erneuerbaren Energien hergestellt.

Diese E-Fuels entstehen am Institut für Mikroverfahrenstechnik (IMVT) des KIT.

Als Kohlenstoffquelle dient das das CO₂ aus der Umgebungsluft. Dieses wird über die Direct-Air-Capture-Anlage aus der Luft gefiltert.

Weitere Quellen für das Kohlendioxid können die Abgase großindustrieller Prozesse wie der Zement- oder Stahlherstellung sein oder biogene Quellen, wie Biogas- oder Abfallverbrennungsanlagen.

Da das CO₂, welches bei der Nutzung der E-Fuels von z.B. Schiffen, Flugzeugen oder Lkw ausgestoßen wird, zuvor aus der Luft entnommen wurde entsteht ein geschlossener CO₂-Kreislauf.

Neben dem CO₂ wird zur Herstellung der E-Fuels Wasserstoff benötigt.

Grüner Wasserstoff kann über die Elektrolyse von Wasser (z.B. PEM-Elektrolyse) oder Wasserdampf (Festoxid-Elektrolyse) mit grünem Strom gewonnen werden.

Beide Elektrolysetechnologien sind am Energy Lab 2.0 vorhanden.

Bei der Fischer-Tropsch-Reaktion wird das Synthesegas über eine Kettenwachstumsreaktion in langkettige Kohlenwasserstoffe (KW) umgewandelt.

Diese Moleküle sind wesentliche Bestandteile der E-Fuels und entsprechen chemisch gesehen den Molekülen, die auch in den fossilen Kraftstoffen, wie wir sie heute kennen, enthalten sind. Das hier entstehende Produkt ist einem Erdöl also nicht unähnlich und wird auch als "synthetisches Crude" bezeichnet.

Die Fischer-Tropsch-Synthese bringt Produkte unterschiedlicher Kettenlänge hervor. Diese lassen sich in drei Bereiche einteilen:

1. Moleküle mittlerer Kettenlänge sind die optimalen Ausgangsstoffe für die flüssigen E-Fuels und damit das Zielprodukt
2. zu kurze und daher gasförmige Molekülketten werden wiederverwendet, indem sie wieder der Synthesegasgenerierung zugeführt werden.
3. sehr lange Molekülketten sind bei Raumtemperatur fest (Wachse) und können als wertvolle Produkte z.B. in der chemischen Industrie eingesetzt werden.

Im letzten Schritt werden die Produkte aufbereitet und optimiert. Das Ziel dabei: die Produkte so zu modifizieren, dass sie der Kraftstoffnorm entsprechen und somit als Kraftstoff verwendet werden können. Hierbei werden verschiedenste chemische und physikalische Eigenschaften maßgeschneidert.

So wird die Länge der Molekülkette optimiert. Über die sogenannte „Hydrierende Spaltung und Isomerisierung“ werden Kohlenwasserstoffmoleküle mit zu langer Kettenlänge (Wachse) gespalten. Außerdem werden Verzweigungen in die Molekülketten eingebracht.

In diesem letzten Prozessschritt werden nicht nur die Produkteigenschaften optimiert, sondern es wird auch die Gesamtausbeute an Kraftstoffen erhöht. Dies gelingt, indem die Produktverteilung in den optimalen Kettenlängenbereich verschoben wird.

Je nach Betriebsparameter und eingesetzten Katalysatoren lässt sich dabei bevorzugt Kerosin, Diesel oder Benzin herstellen.

Quelle: IMVT

Bislang sind reFuels nur in geringen Mengen verfügbar.
Das KIT hat deshalb im Rahmen des Projekts eine Konzeptstudie durchgeführt: auf dem Gelände der Mineraloelraffinerie Oberrhein (MiRO) könnte eine Demonstrationsanlage für reFuels entstehen. Sie könnte in einem ersten Schritt bis zu 50.000 Tonnen reFuels pro Jahr liefern.

Als Raffinerie der Zukunft soll die Anlage alle Kraftstoffarten – Kerosin, Diesel, Benzin – und Nebenprodukte wie Naphtha erzeugen.

Im Jahr 2023 sind knapp 49 Millionen Pkw in Deutschland  zugelassen – die höchste Anzahl aller Zeiten. Diese Bestandsflotte wird sich aller Voraussicht nach in den kommenden Jahrzehnten nur langsam reduzieren. Seit 2007 haben die Bestände bei fast allen Fahrzeugarten kontinuierlich zugenommen.

• Regenerativ hergestellte Kraftstoffe (reFuels) in Mengen für kleine Flottentests bereitstellen
• Verfahren zur Herstellung und Nutzung von reFuels ganzheitlich bewerten
• „(Anwendungs-)Eigenschaften der reFuels bewerten
• „In der Anwendung demonstrieren
• „Zivilgesellschaftliche Akteure einbinden
• „In die Gesellschaft kommunizieren
• „Zur CO₂ -Neutralität beitragen
• „Vorbereitung der Skalierung regenerativer synthetischer Kraftstoffe

An der Verwirklichung dieser Ziele arbeiten sechs Institute des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT).

Das IKFT ist eines von zwei am bioliq® Verfahren beteiligten Institute. Die Verfahrensstufen I (Pyrolyse) und IV (Kraftstoff- bzw. Benzinsynthese) wurden vom IKFT entwickelt, wissenschaftlich-technisch begleitet und betrieben. Im reFuels Projekt kommt der Herstellung von bioliq® Benzin aus Biomasse eine besondere Bedeutung zu. Der Kraftstoff aus 100% Biomasse konnte in größeren Mengen produziert und im Motorenprüfstand des IFKM getestet und qualitativ bewertet werden. Das bioliq® Benzin kann in gängigen Motor- und Autotypen eingesetzt, und kann herkömmlichem Benzin zu 15 % beigemischt werden.

Zur Webseite des Instituts.

Das Institut für Mikroverfahrenstechnik (IMVT) des KIT
erprobt im Rahmen des reFuels-Projekts synthetische Dieselkraftstoffe (E-Fuels).

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Die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler des Instituts für Technikfolgenabschätzung und Systemanalyse (ITAS) haben sich in ihrer Forschung damit auseinandergesetzt, welche Implikationen reFuels für die Gesellschaft haben, welche Bedeutung ihnen in aktuellen Energiesystemanalysen zukommt und wie ihre Ökobilanz aussieht.
Zur Webseite des Instituts.

Das Engler-Bunte-Institut veredelt den Kraftstoff

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Die Untersuchung der Kraftstoffeigenschaften begann an einem Einzylindermotoren-Prüfstand. Ein Einzylindermotor eignet sich deshalb bestens, weil hier einzelne Parameter genau betrachtet werden können.

Zur Bewertung der Kraftstoffeigenschaften hinsichtlich der Emissionswerte wurden auf dem Einzylindermotoren-Prüfstand gasförmige Emissionen sowie Partikelanzahl berücksichtigt und gemessen. Dafür ist der Prüfstand mit einer Abgasmessanlage und einem Partikelmessgerät ausgerüstet. So können NOx­, CO, HC* und die Partikelanzahl gemessen werden.

*HC meint Emissionen aus flüchtigen organischen Substanzen aus Kohlenwasserstoffen

Zusätzlich hat Thomas Weyhing am IFKM Untersuchungen an einem Prüfstand mit Vollmotor durchgeführt.

Der entscheidende Unterschied zu den Grundlagenuntersuchungen am Einzylinder besteht in der Möglichkeit, transiente, d.h. reale Fahrbedingungen abzubilden. Solche Bedingungen sind die Dynamikänderungen und Anpassungen der Temperatur.

In seinen Untersuchungen hat Thomas Weyhing den Fokus auf den Kaltstart in transienten Zyklen gelegt: Wie hoch fallen die gasförmigen Emissionen aus? Wie sieht die Partikelanzahl und -verteilung aus?

Die Tests am Prüfstand zeigten positive Ergebnisse und so konnte das TEam am Institu für Kolbenmaschinen (IFKM) des KIT einen Schritt weitergehen und untersuchen, wie sich die Kraftstoffe bei Straßenfahrten verhalten.

Auf Testfahrten wurden RDE-Messungen sind mit zwei Dieselkraftstoffen - B7 und R33 - durchgeführt. Als Testfahrzeug diente ein Audi Q3 Sportback, 2,0 l Dieselfahrzeug mit SCR*, Euro 6d.

*SCR (selektive katalytische Reduktion) ist eine Technologie zur Verringerung von Stickoxiden in Abgasen von Verbrennungsmotoren.

Auf Testfahrten wurden RDE-Messungen auch mit zwei Otto-Kraftstoffen - E5 und G40 - durchgeführt. Als Testfahrzeug diente ein Ford Tourneo, 1,0 l EcoBoost, Euro 6d.

Dr. Dirk Scheer (ITAS)

In der Gesamtschau der Ergebnisse konnten drei übergreifende Narrative identifiziert werden:

1. reFuels sind entscheidend für das Gelingen der Verkehrswende
2. reFuels haben Potenzial - bei Verkehrsträgern ohne Alternative und unter Einhaltung von Nachhaltigkeitskriterien
3. Verkehrswende als nachhaltige, bezahlbare, sichere und komfortable Mobilität - wenn reFuels dazu beitragen, dann ja!

Zusammenfassend kann also gesagt werden, dass es unter den Verbänden einen Minimalkonsens für reFuels als Baustein einer Klimaschutzstrategie gibt.

Die Hypothesen, die aus der Literaturanalyse zu den Stakeholderpositionen abgeleitet wurden, haben Dr. Scheer, Lisa Schmieder und Julian Pfeiffer in einem Workshop mittels Befragung von Expertinnen und Experten überprüft und empirisch validiert. Den Forschungsbericht finden Sie hier.

Neun Expertinnen und Experten von acht Institutionen aus Wirtschaft*, Umwelt** und Zivilgesellschaft*** (sowie ein Wissenschaftsinstitut****) waren bei dem Workshop vertreten.


* VDA, BEM, Lufthansa
** WWF, Germanwatch
*** KDA, vzbv
**** DBFZ

Überwiegende Übereinstimmung besteht unter den Expertinnen und Experten in folgenden Punkten:

1. Regenerative Kraftstoffe sind für eine gelingende Verkehrswende im Rahmen eines ambitionierten Klimaschutzes ein essentieller Baustein.
   
2. Als Baustein ergänzen reFuels andere alternative Antriebe.
3. reFuels sind dann unstrittig, wenn sie strombasiert (wirtschaftlich) hergestellt werden können und bei Verkehrsträgern ohne technische Alternative wie Luft-, Schiffs- und Langstreckenschwerverkehr eingesetzt werden.
   
4. Der breite Einsatz strombasierter Kraftstoffe wird auf Kraftstoffimporte angewiesen sein.
   
5. Er wird bei Verbraucherinnen und Verbrauchern aufgrund geringer Alltagsanpassung auf eher große Akzeptanz treffen.
6. reFuels müssen auf einem klimaverträglichen Strommix und einer klimaverträglichen Kohlenstoffquelle basieren.
7. Für einen Markthochlauf von regenerativen Kraftstoffen kommt es nicht ohne aktive nationale und internationale Anstrengungen zum Aufbau von Wertschöpfungsketten und Technologieinnovation und -diffusion.

Die Analysen haben gezeigt, dass regenerative Kraftstoffe unter klar eingegrenzten Bedingungen im Rahmen eines ambitionierten Klimaschutzes ein essentieller Baustein sein können.

Welche Rolle reFuels bei der Erfüllung von Klimaschutzzielen spielen könnten, erklärt Dr. Dirk Scheer im folgenden Video:

Energiesystemmodellierungen versuchen mittels Computersimulation erfolgversprechende Pfade hin zur Klimaneutralität zu identifizieren. Sie dienen als wichtiges Standbein der wissenschaftlichen Politikberatung zur Energiewende. Dabei stellt sich die Frage, welche Rolle reFuels spielen können.
In diesem Zusammenhang haben Lisa Schmieder und Dr. Scheer über eine Dokumentenanalyse untersucht, welche Bedeutung reFuels in aktuellen Energiesystemanalysen haben und welche Rolle ihnen im Gesamtbild der deutschen Energiewende zukommt. Dabei zeigt sich, dass insbesondere für die Erreichung einer 95%igen Treibhausgasreduktion gegenüber 1990 der Einsatz dieser Kraftstoffe von besonderer Relevanz ist.
Den dazugehörigen Forschungsbericht finden Sie hier.

Manuel Andresh, Dr. Andreas Patyk und Dr. Martina Haase vom Institut für Technikfolgenabschätzung und Systemanalyse (ITAS) haben die potenziellen Umweltwirkungen regenerativer Kraftstoffe im Vergleich zu fossilen Kraftstoffen untersucht.

Dazu nutzten sie die Methode der Ökobilanz (englisch Life Cycle Assessment oder kurz LCA). Bei ihrer Analyse haben sie die gesamten Lebenswege der Kraftstoffe ("von der Wiege bis zur Bahre") betrachtet.

Die Forschungsarbeit wurde vom unabhängigen Paul Scherrer Institut (PSI) mit positivem Ergebnis begutachtet.

In der Ökobilanz haben die Forschenden sowohl Advanced Biofuels als auch E-Fuels betrachtet.

Hinsichtlich der E-Fuels zeigte sich, dass die Stromquelle entscheidende Bedeutung hat, weil sie die gesamte Ökobilanz beeinflusst. Entscheidend ist daher, dass der Strom aus erneuerbaren Quellen stammt. Zugleich müssen Anlagen zur Kraftstoffproduktion mit einer möglichst hohen Auslastung (Volllaststunden) betrieben werden. Unter diesen Voraussetzungen ergeben sich hohe CO2-Einsparpotenziale über den gesamten Lebenszyklus. Da die Potenziale zur Erzeugung erneuerbaren Stroms in Deutschland begrenzt sind, bieten Standorte im Ausland bessere Voraussetzungen.

Bei Betrachtung der Advanced Biofuels aus dem bioliq-Prozess ergab sich ebenfalls ein hohes Einsparpotenzial. Dieses wird nur eingeschränkt durch die begrenzte Verfügbarkeit von Biomasse, aus der die Kraftstoffe hergestellt werden.

In einer zweiten Phase haben Dr. Olaf Toedter und Philipp Weber vom IFKM die Ökobilanz hinsichtlich der Nutzung der regenerativen Kraftstoffe analysiert.

Dabei konnten sie auf die Ergebnisse der ersten Ökobilanz zurückgreifen.   Auf Seite der Dieselkraftstoffe wurde der R33®-Blend, der aus 26 Vol.-% paraffinischem Diesel, 7 Vol.-% FAME und 67 Vol.-% fossilem Diesel gemischt wird, untersucht. Der gegenüber B7 zusätzliche Anteil von 26 Vol.-% erneuerbarem Dieselkraftstoff ermöglicht in Bestandsfahrzeugen eine Reduktion von 8,86 t CO2äq. Dieser entspricht einer Reduktion um ca. 22 %. Auf Seite der Ottokraftstoffe ergab sich im Falle der Beimischung von 30 Vol.-% bioliq®-Benzin eine bis zu 34-%ige Reduktion der durch die Nutzung emittierten CO2äq.

Den dazugehörigen Forschungsbericht können Sie hier lesen.