E-Fuels (2024): Potenzial, Vorteile, Herstellung & Wirkungsgrad

Die wichtigsten Aussagen in Kürze:

• E-Fuels – kurz für ‘Electrofuel’ oder ‘Synfuel’ – ist ein Sammelbegriff für synthetische Kraftstoffe, die mit erneuerbaren Energien hergestellt werden.
• E-Fuels werden durch den Einsatz von Strom aus Wind- oder Sonnenenergie, CO₂ und Wasser hergestellt.
• E-Fuels können in bestehenden Verbrennermotoren genutzt werden und ersetzen dort fossile Brennstoffe wie Benzin und Diesel.
• E-Fuels haben eine hohe Energiedichte, aber einen geringen Wirkungsgrad.
• Die Herstellung von E-Fuels ist energieintensiv und kostspielig.
• Synthetische Kraftstoffe (E-Fuels) befinden sich in der (Weiter)Entwicklungsphase.

Was sind E-Fuels und woraus bestehen sie?

E-Fuels sind synthetische Kraftstoffe, die mittels erneuerbarer Energien produziert werden – deshalb werden sie auch strombasierte Kraftstoffe genannt. Im Gegensatz zu herkömmlichen fossilen Kraftstoffen stammen E-Fuels nicht aus endlichen Quellen wie Erdöl, sondern werden aus Wasser und CO₂ hergestellt. Die Grundbestandteile sind also beinahe unendlich verfügbar.

Mittels Elektrolyse von Wasser wird Wasserstoff gewonnen, der anschließend mit CO₂ aus der Luft oder industriellen Abgasen zu synthetischen Kohlenwasserstoffen kombiniert wird. Diese Kohlenwasserstoffe können dann zu Benzin, Diesel oder Kerosin weiterverarbeitet werden​​​​.

E-Fuel vs. Diesel vs. Benzin: Was sind die Unterschiede?

Die Hauptunterschiede zwischen E-Fuels und fossilen Kraftstoffen treten vor allem in folgenden Bereichen zutage:

• in ihrem Ursprung,
• in ihrer Herstellung und
• in ihrem Umwelteinfluss.

E-Fuels werden durch die Kombination von Wasserstoff und CO₂ im Labor hergestellt. Dabei wird im Zuge der Produktion von E-Fuels CO₂ genutzt, das bereits in der Atmosphäre vorhanden ist. Dadurch wird bei der Verbrennung im Motor kein zusätzliches CO₂ freigesetzt, was zur Klimaneutralität beiträgt​​.

Fossile Kraftstoffe wie Diesel und Benzin wiederum werden aus begrenzten Ressourcen wie Erdöl oder Erdgas gewonnen und raffiniert. Sie setzen bei der Verbrennung zusätzliches CO₂ frei, das zuvor in der Erde gebunden war.

E-Fuels aus Strom und Wasser sind nicht die Einzigen, an denen geforscht wird. Es gibt noch weitere synthetische Kraftstoffe:

• Btl-Kraftstoffe (Biomass to liquid): E-Fuels aus Biomasse
• Ctl-Kraftstoffe (Coal to liquid): E-Fuels aus Kohle
• Gtl-Kraftstoffe (Gas to liquid): E-Fuels aus Erdgas
• Xtl-Kraftstoffe (X to liquid): E-Fuels aus gasförmigen oder festen Rohstoffen
• Ptl-Kraftstoffe (Power to liquid): E-Fuels aus erneuerbarem Strom

Welche Vorteile bringen E-Fuels mit sich?

Die Vorteile der E-Fuels ergeben sich aus den vorher genannten Unterschieden zu fossilen Brennstoffen:

• Kompatibel mit Verbrennungsmotoren
  • Nutzung bestehender Infrastruktur
  • Nutzung bestehender Fahrzeugflotten
• Herstellung aus in der Atmosphäre vorhandenem CO₂
• Hohe Energiedichte
• Reduzierung der Umweltauswirkungen bzw. Schadstoffemissionen
• Potenziell uneingeschränkte Herstellung

Kompatibilität

Ein wesentlicher Vorteil ist die Kompatibilität mit bestehenden Verbrennungsmotoren. Das bedeutet, dass Fahrzeuge, die heute mit Benzin oder Diesel betrieben werden, ohne technische Anpassungen auch E-Fuels tanken können.

Dies ermöglicht eine sofortige Reduzierung der CO₂-Emissionen, ohne dass die bestehende Fahrzeugflotte ersetzt werden muss​​​​. Zudem können bestehende Infrastrukturen bzw. Tankstellen weiter genutzt werden, was die Umstellung auf E-Fuels erleichtert und kostengünstiger macht​​​​.

Herstellung

Für die Herstellung von E-Fuels sind Wasser und CO₂ die Hauptrohstoffe. Das benötigte CO₂ kann entweder direkt aus der Luft oder aus den Abgasen industrieller Prozesse gewonnen werden.

Ein großer Vorteil von E-Fuels kommt dann zum Tragen, wenn der für die Elektrolyse verwendete Strom aus erneuerbaren Quellen wie Wind- oder Solarenergie stammt. Das macht den Herstellungsprozess nahezu CO₂-neutral.

Erneuerbare Energien sind zudem – je nach Region – breit verfügbar und unterliegen in der Regel nicht den Preisschwankungen und geopolitischen Risiken, die mit fossilen Brennstoffen verbunden sind.

Energiedichte

Ein weiterer Vorteil von E-Fuels ist ihre hohe Energiedichte, die sie besonders für Anwendungen geeignet macht, bei denen eine lange Reichweite und hohe Leistungsanforderungen entscheidend sind.

Dies gilt insbesondere für folgende Bereiche, in denen elektrische Antriebe keine praktikable Alternative darstellen:

• Nutzfahrzeuge
• Langstrecken-LKWs
• Luftfahrt
• Schifffahrt

Umweltauswirkungen

Langfristig könnten E-Fuels eine entscheidende Rolle bei der Dekarbonisierung des Verkehrssektors spielen – insbesondere in Bereichen, in denen die Elektrifizierung schwer umsetzbar ist. Dazu gehört neben der Luft- und Schifffahrt auch der Schwerlastverkehr. Die Nutzung vorhandener Infrastruktur und bestehender Fahrzeugflotten reduziert zudem den Kostenaufwand bei der Umstellung.

Geschlossener Kohlenstoffkreislauf

Durch die Nutzung von erneuerbaren Energien und die Wiederverwendung von CO₂ tragen E-Fuels zur Schaffung eines geschlossenen Kohlenstoffkreislaufs bei, der die Umweltbelastung maßgeblich reduziert.

Verringerung der Emissionen

Überdies enthalten E-Fuels keine Schwefelverbindungen, was zu einer Verringerung der Schadstoffemissionen wie Schwefeldioxid führt. Auch der Ausstoß von Stickoxiden und Feinstaub kann durch die gezielte Herstellung und Nutzung von E-Fuels reduziert werden.

Dies trägt gesamt zu einer besseren Luftqualität und geringeren Umweltauswirkungen bei​​, was vor allem im Verkehrssektor essenziell ist – dieser konnte seit dem Jahr 1990 nur knapp 11 % seiner Emissionen einsparen

Im Folgenden sehen Sie die Vor- und Nachteile von E-Fuels auf einen Blick:

Vorteile:

• nahezu CO₂-neutral – es wird nur so viel CO₂ ausgestoßen, wie bei der Produktion erforderlich
• können fossile Kraftstoffe ersetzen
• sind in Bestandsfahrzeugen nutzbar
• stellen eine Alternative zu elektrischen Antrieben in Luftfahrt, Schifffahrt und im Schwerlastverkehr dar
• lassen sich nahezu unbegrenzt herstellen

E-Fuels: Herstellung mittels Power-to-Liquid-Prozess

Synthetische Kraftstoffe werden künstlich hergestellt. Der effizienteste Herstellungsprozess für E-Fuels ist der Power-to-Liquid-Prozess (PtL-Prozess).

Dieser funktioniert wie folgt:

1. In diesem Verfahren wird Wasser (H₂O) mittels Elektrolyse in Wasserstoff (H) und Sauerstoff (O) aufgespalten.
2. Der Wasserstoff wird anschließend mit Kohlendioxid (CO₂) aus der Atmosphäre im chemischen Reaktor (Fischer-Tropsch-Reaktor) zu Synthesegas kombiniert.
3. Das Synthesegas wird in einem weiteren Schritt zu synthetischen Kraftstoffen umgewandelt.
4. Mittels Fischer-Tropsch-Synthese wird das Synthesegas zu flüssigen Kohlenwasserstoffen bzw. synthetischem Rohöl umgewandelt.
5. Synthetisches Rohöl wird zu Benzin, Diesel oder Kerosin raffiniert.

Herausforderungen im Bereich E-Fuels: Wirkungsgrad & Kosten

Der Wirkungsgrad von E-Fuels ist ein häufig diskutiertes Thema. Im Vergleich zu fossilen Kraftstoffen und zu elektrischen Antrieben haben E-Fuels einen geringeren Wirkungsgrad, wenn man die gesamte Produktions- und Nutzungskette betrachtet.

Geringer Wirkungsgrad

Bis zu 60 % der eingesetzten Energie können während der Herstellung von E-Fuels verloren gehen, da die Elektrolyse so energieintensiv ist. Zudem gehen bei der Verbrennung in Motoren weitere 60 % der im Kraftstoff enthaltenen Energie verloren, sodass am Ende nur zwischen 10 % und 15 % der ursprünglich eingesetzten Energie für den Antrieb des Fahrzeugs genutzt werden​​.

Zum Vergleich: Elektroantriebe sind hier um ein Vielfaches energieeffizienter. 64 % der eingesetzten Energie werden für den tatsächlichen Antrieb des Fahrzeugs aufgewendet.

Energieintensive Herstellung

Der Prozess der Elektrolyse zur Gewinnung von Wasserstoff und die anschließende Synthese zu Kohlenwasserstoffen kosten sehr viel Energie. Damit E-Fuels klimaneutral erzeugt werden können, sind also sehr große Mengen an regenerativem Strom erforderlich – und diese sind (in unseren Breitengraden) bislang nicht verfügbar. Die Herstellung von E-Fuels mit nicht grünem Strom würde die Umweltbilanz von E-Fuels massiv verschlechtern.

Hier tritt auch das Transportproblem in den Vordergrund: In Deutschland gibt es nicht genug sauberen Strom aus Wind- und Sonnenenergie, um im benötigt großen Stil E-Fuels zu vertretbaren Kosten zu erzeugen. Man muss die synthetischen Kraftstoffe erst im Ausland herstellen und dann zeit- und kostenintensiv in die EU transportieren.

Hohe Produktionskosten

Der Herstellungsprozess von synthetischen Kraftstoffen ist derzeit noch aufwendig und entsprechend kostspielig. Die Herstellungskosten für E-Fuels (PDF)

Mit zunehmender Skalierung und technologischem Fortschritt sowie dem Bau großer Produktionsanlagen können die Kosten jedoch sinken​​.

Entwicklungen im Bereich E-Fuels

Trotz des aktuell geringeren Wirkungsgrades gibt es zahlreiche technologische Entwicklungen und Forschungsprojekte, die darauf abzielen, die Effizienz der E-Fuel-Produktion zu verbessern.

Fortschritte in der Elektrolyse-Technologie können dazu beitragen, den Energieverlust zu reduzieren und den Wirkungsgrad zu steigern. Ein weiterer vielversprechender Ansatz ist die Nutzung von Abwärme aus industriellen Prozessen, um die Energieeffizienz in der E-Fuel-Herstellung zu erhöhen​​.

Langfristig gesehen besteht Potenzial für die Verbesserung des Wirkungsgrades und der Wirtschaftlichkeit von E-Fuels. Skaleneffekte durch den Ausbau der Produktionskapazitäten und technologische Innovationen könnten gleichzeitig die Kosten senken und die Effizienz steigern.

Wer produziert und testet E-Fuels?

Porsche hat in Zusammenarbeit mit Siemens Energy und anderen Partnern eine E-Fuels-Pilotanlage in Chile

Erste Testläufe mit Fahrzeugen, die mit diesen synthetischen Kraftstoffen betrieben wurden, haben gezeigt, dass die Motorenleistung und Effizienz vergleichbar mit der Nutzung herkömmlicher Kraftstoffe ist. Zudem wurden die positiven Umweltauswirkungen, insbesondere die Reduzierung der CO₂-Emissionen, bestätigt​​.

Diese positiven Ergebnisse aus diesen Testläufen belegen das Potenzial von E-Fuels, eine nachhaltige Alternative zu fossilen Kraftstoffen zu sein und gleichzeitig die bestehende Fahrzeugflotte weiter nutzen zu können.

E-Fuels: synthetische Kraftstoffe ersetzen Fossile

E-Fuels stellen eine vielversprechende Alternative zu fossilen Kraftstoffen dar und können in Bereichen, in denen die Elektrifizierung nicht praktikabel ist, eine bedeutende Rolle in der Energiewende spielen. Dafür benötigt es jedoch noch mehr Forschung und Investitionen in die Technologie, um den Wirkungsgrad zu steigern und die Kosten zu senken.