E-Fuels – was ist das und wie können wir sie nutzen?

Für E-Fuels gibt es unterschiedliche Bezeichnungen: Powerfuels, synthetischer Kraftstoff, SynFuels, Power-to-X (PtX) usw. Aber was sind E-Fuels eigentlich? Gemeint sind flüssige Energieträger, die mit erneuerbar erzeugtem Strom und regenerativen Ressourcen künstlich hergestellt werden. E-Fuels können wie fossile Kraftstoffe in herkömmlichen Verbrennungsmotoren genutzt werden. Der Clou: Sie verbrennen klimaneutral, denn es wird nur so viel CO2 freigesetzt, wie zuvor im Produktionsprozess genutzt wurde.

E-Fuels können einen wesentlichen Beitrag zu mehr Klimaschutz und dem Gelingen der Energiewende leisten. Denn mit heimischem Wind- und Sonnenstrom allein wird Deutschland auf lange Sicht nicht auskommen. Wir werden auch künftig Energie importieren müssen und brauchen daher zusätzliche Optionen. Dazu zählen synthetische Kraft- und Brennstoffe, die den fossilen Sprit nach und nach ersetzen.

Im folgenden Artikel erläutern wir

• wie E-Fuels aus grünem Wasserstoff und CO₂ hergestellt werden.
• welche Vorteile E-Fuels bieten.
• warum E-Fuels teilweise so umstritten sind.

Grüner Wasserstoff oder wie kommt das „E“ ins Fuel?

Von „grünem“ Wasserstoff ist immer dann die Rede, wenn für seine Herstellung ausschließlich Ökostrom verwendet wird. Zum Vergleich: sogenannter „grauer“ Wasserstoff wird mittels Erdgas erzeugt und ist daher nicht treibhausgasneutral. Und nur wenn grüner Wasserstoff für die E-Fuels-Produktion genutzt wird, weisen die synthetischen Kraft- und Brennstoffe eine treibhausgasneutrale Bilanz auf.

Aber wie macht man „grünen“ Wasserstoff? Das geschieht durch Elektrolyse: Dabei wird Wasser (H₂O) unter Strom gesetzt – an dieser Stelle kommt also das „E“ von Elektrizität ins Fuel – sodass sich Wasserstoff (H₂) und Sauerstoff (O₂) voneinander trennen. Diesen Prozess bezeichnet man auch als Power-to-X (PtX). Der Wasserstoff kann dann, als eine der beiden Hauptzutaten für E-Fuels, weiterverarbeitet werden.

Weltweite Standortvorteile nutzen, um grünen Wasserstoff zu produzieren

Es ist aus heutiger Sicht sehr unwahrscheinlich, dass in Deutschland so viel Ökostrom produziert werden kann, dass ausreichende Mengen für eine großindustrielle Wasserstoff- oder E-Fuels-Produktion abfallen. Das ist aber auch nicht nötig, denn es geht nicht darum, energieautark zu werden. Genau wie heute, wird Energie auch zukünftig ein global gehandeltes Gut sein und auch Deutschland wird weiterhin Energie importieren müssen.

Global gesehen hat die Stromerzeugung mit Wind und Sonne ein riesiges Potenzial. Die Herausforderung besteht darin, diesen Ökostrom dorthin zu transportieren, wo er benötigt wird. Grüner Wasserstoff und E-Fuels machen genau das möglich: Die schwer zu transportierenden Elektronen werden in besser handelbare Moleküle verwandelt.

Der Bau und Betrieb von Stromerzeugungskapazitäten und Elektrolyseuren sollte also idealerweise an solchen Standorten erfolgen, wo Wind und Sonne im Überfluss zur Verfügung stehen. Denn um eine hohe Auslastung einer Elektrolyse-Anlage und damit eine hohe Effizienz sicherzustellen, braucht es eine kontinuierliche Zufuhr an großen Strommengen.

Außerdem werden für die elektrolytische Erzeugung von Wasserstoff auch große Mengen Wasser benötigt. Hierfür sind Anlagen zur Meerwasserentsalzung oder das Schließen von industriellen Wasserkreisläufen mittel- bis langfristige Lösungsansätze.

E-Fuels nutzen CO₂ als Rohstoffquelle

Neben Wasserstoff bestehen typische flüssige Brennstoffe noch aus Kohlenstoff. Als Kohlenstoffquelle für E-Fuels kommt CO₂ in Frage. Eingefangen werden kann das Kohlendioxid direkt dort, wo es in großen Mengen entsteht, etwa in Kraftwerken, Zementfabriken oder Stahlwerken, in Müllverbrennungs- und Biogasanlagen – dabei spricht man von Carbon Capture and Usage (CCU).

Aber auch aus der Atmosphäre ließe sich durch sogenanntes Direct Air Capture (DAC) das CO₂ noch gewinnen. Allerdings sind die Verfahren zur CO₂-Abspaltung energieaufwändig und teuer – müssen also durch Investitionsanreize attraktiv gemacht werden.

Vereinigung von Wasserstoff und Kohlenstoff zum E-Fuel

Damit grüner Wasserstoff und Kohlenstoff aus CO₂ nun eine Verbindung eingehen und zu einem synthetischen Kraftstoff werden können, müssen die beiden Komponenten aneinandergebunden werden.

Dazu gibt es verschiedene Möglichkeiten, beispielsweise die Fischer-Tropsch-Synthese: Sie ermöglicht die direkte Synthese langkettiger Kohlenwasserstoffe aus den Gasen Kohlenmonoxid und Wasserstoff. Es ist eine hochentwickelte Technologie, die seit Jahrzehnten großtechnisch im Einsatz ist und dabei kontinuierlich weiterentwickelt wurde.

E-Fuels als Treibstoff der Zukunft

Der aus grünem Wasserstoff und Kohlenstoff synthetisierte Rohöl-Ersatz lässt sich, je nach Verfahren, entweder im Raffnierieprozess zu Kraftstoffsubstituten weiterverarbeiten oder direkt mit konventionellen Energieträgern mischen – sie sind also „Drop-In“-fähig.

Somit haben E-Fuels einen entscheidenden Vorteil: Sie eignen sich für vorhandene Motoren und andere Verbrennungstechnologien wie etwa Ölheizungen. Damit geben sie diesen weit verbreiteten Anwendungstechnologien eine klimaneutrale Perspektive.

E-Fuels bieten alle Vorteile eines flüssigen Energieträgers

Synthetische Kraftstoffe sind ebenso gut speicherbar und transportierbar wie ihre fossilen Vorgänger. E-Fuels können auf die bestehende Infrastruktur heutiger Mineralölprodukte zurückgreifen – von der Raffinierie über den Tankwagen bis zur Tankstelle bleiben also große Industrie- und Infrastruktureinrichtungen nutzbar und müssen nicht kostenintensiv um- oder zurückgebaut werden.

Da E-Fuels künstlich hergestellte Kohlenwasserstoffmoleküle sind, können bei ihnen zudem ganz gezielt Anwendungs- und Verbrennungseigenschaften optimiert werden. Es besteht also die Möglichkeit, dass durch E-Fuels nicht nur die Treibhausgasemissionen gesenkt werden, sondern dass auch andere Schadstoffemissionen – Stichwort „Local Emissions“ – verbessert werden.

Warum ist synthetischer Kraftstoff unerwünscht?

Das klingt doch alles super – trotzdem kann man synthetische Kraft- und Brennstoffe heute noch nicht tanken. Woran liegt das? Und was haben Kritiker am Konzept von E-Fuels oder auch Power-to-Liquid (PtL) auszusetzen?

Kritisiert wird in erster Linie die mangelnde Effizienz von E-Fuels: „Die Produktion dieser Kraftstoffe ist aufgrund des hohen Energiebedarfs kostenintensiver als die Produktion und Nutzung anderer erneuerbarer Kraftstoffe“, teilte etwa das Bundesumweltministerium mit. Der Wirkungsgrad „from Well to Wheel“ betrage bei Verbrennungsmotoren nur zehn bis 15 Prozent, während „der Wirkungsgrad beim Einsatz von Wasserstoff in Brennstoffzellen bei rund 26 Prozent und bei Strom in Elektrofahrzeugen bei rund 70 Prozent“ liege, heißt es in einem Schreiben des Ministeriums von Anfang 2021.

Zahlreiche Experten und Studien halten jedoch dagegen: Entscheidend sei, wo der Ökostrom für die E-Fuels-Produktion erzeugt wird. IWO-Geschäftsführer Adrian Willig erklärt: „Bei Effizienzbetrachtungen ist stets ein Blick auf das gesamte System nötig: An optimal geeigneten Standorten auf der Welt können Windkraft- und Photovoltaikanlagen bei in etwa gleichen Investitionskosten deutlich effektiver betrieben werden als in Deutschland. Und diesen deutlich günstigeren grünen Strom aus Wind und Sonne können wir importieren – in Form klimafreundlicher flüssiger Kraftstoffe.“ Damit liege man beim Vergleich von Aufwand zu Nutzen über die gesamte Produktions- und Einsatzkette von E-Fuels-betriebenen Verbrennungsmotoren mit E-Autos fast gleichauf.

Mit anderen Worten: Bei der Beurteilung von E-Fuels darf man nicht automatisch davon ausgehen, dass Ökostrom der limitierende Faktor ist. Für Deutschland mag das aufgrund der begrenzten Erzeugungskapazitäten und Flächen zutreffen. In vielen Regionen der Welt, stehen Wind- und Sonnenenergie aber im Überfluss zur Verfügung. Lenkt man die Investitionen für erneuerbare Stromerzeugung dorthin, kann dort theoretisch unbegrenzt Strom erzeugt werden. Und es ist besser, wenn davon 15 Prozent in Form von E-Fuels bei uns ankommen, als wenn gar nichts davon hier ankommt.