E-Fuel - Schon der Erfinder des Ottomotors nutzte synthetische Kraftstoffe  | © ESG Mobility GmbH
07.09.2020

E-Fuel - Schon der Erfinder des Ottomotors nutzte synthetische Kraftstoffe

Schluss mit Vorurteilen - Wir haben uns die Expertenmeinung rund um das Thema E-Fuel eingeholt.

Prof. Dr. Gerald Ruß, E-Fuel Experte und Professor an der Fachhochschule Darmstadt, im Interview

Lassen Sie uns direkt mit den kritischen Fragen, die unseren Lesern auf der Zunge brennen starten, Herr Prof. Dr. Ruß. Von vielen wird kritisiert, dass E-Fuel zu teuer und zu wenig effizient ist. Was sagen Sie den Kritikern?

Meiner Meinung nach wird bei dem Vergleich verschiedener Antriebskonzepte die Reduktion auf die Effizienz in der letzten Stufe der Energiewandlung der Problematik nicht gerecht. Erstens muss die Effizienz des Verbrennungsmotors nicht auf dem Niveau bleiben, das von vielen Kritikern für den Vergleich verwendet wird, und zweitens müssen bei der Auswahl einer technischen Lösung immer mehrere Aspekte bewertet werden. Lassen Sie mich beide Punkte etwas detaillierter erläutern. In vielen Fällen werden typische Wirkungsgrade von etwa 35% für den Verbrennungsmotor und 98% für den Elektromotor als Basis der Effizienzbetrachtung verwendet. Der Verbrennungsmotor wird aufgrund thermodynamischer Gesetzmäßigkeiten bei Umgebungsbedingungen nie 98% Wirkungsgrad erreichen. Es stellt sich aber die Frage, welches Potential durch ein E-Fuel zu erreichen ist.

Und welches Potenzial sehen Sie da bei E-Fuel?

An dieser Stelle sei mir ein historischer Rückblick erlaubt. Nikolaus August Otto hat seine ersten Motoren mit einer Art Bioethanol – Kartoffelschnaps – betrieben. Das hatte zwei Gründe: zum einen waren erdölbasierte Kraftstoffe zu der Zeit nicht so verbreitet und zum zweiten wusste Otto schon, dass Bioethanol durch seine höhere Oktanzahl eine höhere Kompression und damit einen höheren thermischen Wirkungsgrad ermöglicht. Die erdölbasierten Kraftstoffe, die wir im Moment verwenden, haben durch ihre niedrigen Kosten zwar die weite Verbreitung des Verbrennungsmotors erst ermöglicht, aber hängen dem Motorkonzept jetzt um wie ein Mühlstein. Um die Kosten niedrig zu halten, müssen letztendlich viele Bestandteile des Naturprodukts Erdöl während des Raffinerieprozesses in den Kraftstoff gelangen. Dies und die damit verbundenen natürlichen Schwankungen in der Qualität führen zu Kompromissen bei der Auslegung des Motorkonzepts, der Abgasnachbehandlung und der Applikation. Könnte man den Kraftstoff enger tolerieren und die Inhaltsstoffe sorgfältiger auswählen, was bei E-Fuels möglich ist, dann sehe ich das Potential für eine Wirkungsgradsteigerung von 15% bei einer einfacheren Abgasnachbehandlung.

Das ist schon ein enormer Fortschritt, damit sind wir aber immer noch nicht beim Wirkungsgrad eines Elektromotors. Oder ist ganz generell dieser Betrachtungswinkel falsch?

Ich denke ja, häufig wird nur der Wirkungsgrad in der Nutzungsphase verglichen. Dann ergibt sich für ein batterieelektrisches Fahrzeug ein etwa fünfmal so großer Wirkungsgrad im Vergleich zu einem Fahrzeug mit Verbrennungsmotor. Aber der Wirkungsgrad in der Nutzungsphase ist nur ein Gesichtspunkt, der bei einer Systembewertung berücksichtigt werden muss.

Um ein Gefühl für die Relevanz dieses Wirkungsgrads zu bekommen, betrachten wir zum Beispiel den menschlichen Organismus. Selbst wenn wir uns nur auf pflanzliche Nahrung reduzieren würden, dann starten wir mit einem Wirkungsgrad von etwa 1-2% mit der die Strahlungsenergie der Sonne in die im Zellmaterial gespeicherte chemische Energie der Pflanze gewandelt wird. Berücksichtigt man jetzt noch, dass der Organismus das Zellmaterial der Pflanze mit einem bestimmten Wirkungsgrad, der unter 100% liegt, in die ‚Nahrung‘ des Muskels wandelt und dieser dann auch wieder mit einem Wirkungsgrad der unter 100% liegt diese ‚Nahrung‘ in mechanische Arbeit wandelt, dann kommt man auf einen Gesamtwirkungsgrad von deutlich unter 1% mit dem der menschliche Organismus Sonnenenergie in mechanische Arbeit wandelt. Dagegen geht man im Moment bei der Wandlung von Sonnenenergie in mechanische Arbeit eines Verbrennungsmotors mit Hilfe von E-Fuels von einem Wirkungsgrad von 10-15% aus, der durch weitere Entwicklung verbessert werden kann.

Letztendlich hat sich das Konzept der flüssigen und festen Kohlenwasserstoffe als Energiespeicher in der Natur trotz des geringen Wirkungsgrads in der Nutzungsphase durchgesetzt, vielleicht, weil im Rahmen einer Gesamtsystembewertung noch weitere Kriterien berücksichtigt werden müssen: die Effizienz über den gesamten Lebenszyklus, die Gesamteffizienz der Energieinfrastruktur inklusive Transport und Speicherung der Energie, die langfristige Bindung wertvoller und seltener Rohmaterialien und für uns Menschen zusätzlich die Ökonomie, der Kundennutzen und ganz wichtig die Fähigkeit eines Konzepts das Ziel 2050 möglichst CO2 neutral zu sein zu erreichen, ohne vorab einen zusätzlichen Berg an CO2 Emissionen frei zu setzen.

Wieso hat sich in der Natur das System der Kohlenwasserstoffe als Energieträger durchgesetzt und wieso funktionieren wir nicht mit einer wie auch immer gearteten Batterie?

Meiner Meinung nach liegt das an der guten Transport- und Speichermöglichkeit von flüssigen und festen Kohlenwasserstoffen bei einer bisher von keiner Batterie erreichten Energiedichte, die das Thema Effizienz während der Nutzungsphase relativiert. Gerade für mobile Systeme sind dies aber wichtige Faktoren bei einer Gesamtbewertung, die den Nachteil eines schlechteren Wirkungsgrads bei der Wandlung in mechanische Energie durchaus aufwiegen können. Insbesondere die Effizienz beim Transport der Energie wird zunehmend wichtig werden. Der Vorstellung, dass unsere Volkswirtschaft energieautark mit Wind- und Solarenergie werden kann, kann ich mich nicht anschließen. Windenergie ist extrem volatil und hat eine deutlich höhere Klimawirksamkeit als Solarenergie – insbesondere in Bodennähe.  Ich denke wir werden weiterhin Energie importieren müssen, am besten aus sonnenreichen Gebieten. Dafür scheint mir ein flüssiger Kohlenwasserstoff prädestiniert. Die existierenden Transportwege können weiter genutzt werden und die Effizienz ist sehr hoch, dass bedeutet das im Vergleich zu elektrischer Energie oder Wasserstoff weniger Energie beim Transport und der Lagerung dissipiert. Weiterhin spielt die einfache Recycelbarkeit meiner Meinung nach eine wichtige Rolle. Auch hier lässt sich wieder von der Natur lernen: die Recycelbarkeit von CO2 zu Kohlenwasserstoffen ist einfach und es werden keine wertvollen Rohmaterialien über lange Zeit dem Gesamtsystem entzogen, wie es bei der Batterie im Moment der Fall ist. Es gibt eine zunehmende Anzahl von Studien, die den Gesamtenergiebedarf von verbrennungsmotorischen Antrieben mit E-Fuels in der gleichen Größenordnung sehen wie der von batterieelektrischen Antrieben, wenn der gesamte Lebenszyklus von der Gewinnung der Rohmaterialien für die Herstellung bis zur Wiederaufbereitung dieser Rohmaterialien am Ende der Produktlebensdauer berücksichtigt wird. Dabei wurde meiner Meinung oftmals noch nicht einmal berücksichtigt, dass Fahrzeuge mit verbrennungsmotorischem Antrieb eine deutlich längere Lebensdauer haben.

Wenn wir wirklich auf E-Mobilität setzen müssen wir zunächst enormen Aufwand zur Vorbereitung betreiben. Wie wirkt sich das aus auf die CO2 Bilanz?

Letztendlich ist für mich der Faktor Zeit und eine umfassende Betrachtung der CO2 Emissionen ausschlaggebend. Setzen wir nur auf die Elektromobilität, dann bauen wir jetzt erstmal häufig mit fossiler Energie eine teure, neue Infrastruktur auf – dabei wird eine nicht unerhebliche Menge an CO2 frei – bauen Fahrzeuge, denen wir einen großen CO2 Rucksack mitgeben, und hoffen dann, dass wir 2050 ohne CO2 Emissionen fahren. Da bei diesem Weg aber das in der Aufbauphase freigesetzte CO2 in der Nutzungsphase nicht recycelt wird, verbleibt ein zusätzlicher Berg von CO2 Emissionen in der Atmosphäre. Gleichzeitig werden weltweit jährlich zu der steigenden Anzahl an batterieelektrischen Fahrzeugen weiterhin knapp 100 Millionen Fahrzeuge mit verbrennungsmotorischem Antrieb auf die Märkte gebracht – so die Prognosen bis 2050. E-Fuels, die dem konventionellen Kraftstoff zugemischt werden können, bieten ein großes Potential den Anstieg der CO2 Konzentration in der Atmosphäre zu begrenzen und das relativ bald nach Einführung, da die CO2 Emissionen aus der Aufbauphase recycelt werden können. Ich persönlich denke, um das Ziel eine Begrenzung der CO2 Konzentration in der Atmosphäre bis 2050 zu erreichen, müssen E-Fuels eingeführt werden. Mich fasziniert die Idee die Technologie, die wir uns zugegebenermaßen günstig mit fossilen Kohlenwasserstoffen aufgebaut haben, jetzt zu nutzen um CO2 in einen Kreislauf zu bringen. In Summe sehe ich viele Pluspunkte für E-Fuels, die die geringere Effizienz in der Nutzungsphase mehr als aufwiegen, so dass ich die Forschung und Entwicklung in diesem Bereich mit dem Ziel einer raschen Umsetzung für sinnvoll erachte.

Wird E-Fuel bezahlbar sein, oder vielleicht sogar die günstigere Alternative werden?

Natürlich muss es Ziel sein, dass E-Fuels nicht teurer sind als herkömmliche Kraftstoffe. Ich kann dazu keine konkreten Zahlen nennen, aber ich kann mir vorstellen, dass durch einen Ausbau der Kapazitäten, Optimierung der Verfahren und der Reduktion der steuerlichen Belastung dieses Ziel erreichbar ist.

Was muss passieren, dass wir in 10 Jahren eine echte E-Fuel Industrie in Deutschland haben?

Es müssen Investoren gefunden werden, die dieser Argumentation folgen, damit Anlagen für die Produktion von E-Fuels geplant und gebaut werden können. Die Technologie ist prinzipiell verfügbar. Erste Versuchsanlagen existieren und eine Übertragung auf industrielles Niveau ist machbar. Natürlich muss auch die Gesetzgebung dann angepasst werden, so dass die CO2 Emissionen von Kraftstoffen, die unter Verwendung von umweltfreundlicher Energie und dem CO2 aus der Atmosphäre synthetisiert wurden, nicht unter die CO2 Straf- und Steuergesetzgebung von fossilen Kraftstoffen fallen.

 

Wichtig ist es auch die Markteinführung zu gestalten. Vielleicht bietet der Rennsport hierfür eine geeignete Plattform. Dabei denke ich nicht an Rennserien wie die Formel 1, sondern eher an den Amateursport. Gelingt es hier die Teams zu überzeugen, dass E-Fuels eine Alternative sind, mit denen aktuelle Motoren bei gleicher Performance ohne negative Auswirkung auf die Motorhaltbarkeit zu betreiben sind, dann könnte der Kraftstoff seinen Weg in die Serie finden.

Was haben die Verbraucher (Autofahrer) von E-Fuel?

Sie helfen natürlich erstmal die CO2 Konzentration in der Atmosphäre zu reduzieren und sichern somit ihre Lebensgrundlage und die der nachfolgenden Generationen. Abgesehen von diesem erstmal wenig greifbaren Vorteil, können Sie die Vorteile des verbrennungsmotorischen Antriebs wie geringe Tankintervalle, schnelles Auftanken – zur Not auch mal mit dem Reservekanister -, hohe Verlässlichkeit, große Lebensdauer-Laufstrecke, keine Energieverluste bei langer Standzeit, über die Lebensdauer gleichbleibende Reichweite, Entkopplung des Fahrzeugwerts von einer einzigen kostenintensiven Komponente, die im Zweifelsfall nicht repariert werden kann, weiter nutzen.

An was forschen Sie?

Ich betreibe ein Labor für Verbrennungskraftmaschinen und beschäftige mich intensiv mit dem Testen von möglichen E-Fuels sowohl pur als auch in der Zumischung zu konventionellen Kraftstoffen. Ziel ist es im Rahmen der existierenden Norm einen Kraftstoff zu definieren, der sowohl unter Einsatz von CO2 aus der Atmosphäre herstellbar ist und gleichzeitig zu geringeren Schadstoffemissionen führt, hier liegt das Hauptaugenmerk auf den Partikelemissionen bei Ottokraftstoffen und Stickoxidemissionen bei Dieselkraftstoffen. Damit könnten im Markt befindliche Motoren sauberer und mit weniger fossilen CO2 Emissionen betrieben werden. Gleichzeitig sollten diese Kraftstoffe das Potential haben mit zukünftigen neuen Motorkonzepten eine Wirkungsgradsteigerung zu erreichen. Da hoffentlich zukünftig eine Vielzahl von Synthesewegen und damit Kraftstoffkomponenten entwickelt werden, ist es wichtig Testverfahren zu finden, mit denen diese Kraftstoffe bezüglich ihrer Eignung geprüft werden können. Dazu entwickeln und überarbeiten wir Prüfverfahren zur Bestimmung der Kraftstoffdaten, testen Kraftstoffe am Einzylindermotor mit Visualisierung der Verbrennung und prüfen dann an in Serie befindlichen Motoren.