Power to Liquid

Beschreibung der Power-to-Liquid-Teilprozesse als Beispiel<ref name=":9" />

Unter dem Begriff Power to Liquid (PtL) (deutsch etwa: „Elektrische Energie zu Flüssigkeit“)<ref name=":9">Kompetenzzentrum Klima- und Lärmschutz im Luftverkehr, CENA Hessen: Betrachtung und Ausblick der Technologien zur Herstellung von "Power-to-Liquid" (PtL). 2020 (cena-hessen.de). </ref> versteht man die Herstellung von Flüssigkraftstoff mithilfe elektrischen Stroms. Bei dem PtL-Prozess handelt es sich um eine Aneinanderreihung verschiedener Teilprozesse. Dieses Verfahren wurden bis 2025 noch kaum großtechnisch eingesetzt, ermöglicht aber potenziell die Kraftstoffversorgung aus regenerativ erzeugtem Strom für die Sektoren, die auf Flüssigkraftstoff nicht verzichten können (wie z. B. die Luftfahrt oder die Schifffahrt).<ref>Athanasios A. Tountas, Xinyue Peng, Alexandra V. Tavasoli, Paul N. Duchesne, Thomas L. Dingle: Towards Solar Methanol: Past, Present, and Future. In: Advanced Science. Band 6, Nr. 8, 2019, S. 1801903, doi:10.1002/advs.201801903, PMID 31016111, PMC 6468977 (freier Volltext). </ref>

Der ebenfalls diskutierte Einsatz in der Kraftfahrzeug-Bestandsflotte<ref>E-Fuels: Sind synthetische Kraftstoffe die Zukunft? (adac.de). Abgerufen am 24. März 2024. </ref> sei laut Beiträgen beim Fraunhofer-Institut für System- und Innovationsforschung sowohl aus ökologischer wie auch aus wirtschaftlicher Sicht keine Alternative zum batterieelektrischen Antrieb.<ref>Wietschel, M.; Plötz, P.; Dütschke, E.; Neuner, F.; Tröger, J.; Gnann, T.: Diskussionsbeitrag - Eine kritische Diskussion der beschlossenen Maßnahmen zur E-Fuel-Förderung im Modernisierungspaket für Klimaschutz und Planungsbeschleunigung der Bundesregierung vom 28.3.2023. Fraunhofer ISI, abgerufen am 26. März 2024. </ref>

Prozessbeschreibung[Bearbeiten]

Stromherstellung[Bearbeiten]

Grundsätzlich könnte jeder elektrischer Strom bei der Herstellung von PtL eingesetzt werden, doch wäre die Gewinnung von PtL aus fossilen Kraftstoffen aufgrund der vielen Umwandlungsschritte und -verluste weder ökonomisch noch ökologisch sinnvoll. Gleiches gilt auch für die Gewinnung von PtL aus der Verstromung von Biomasse. Ökologisch sinnvoll ist lediglich die Gewinnung aus erneuerbaren Energien (Wind, Solar, Wasser), also aus elektrisch erzeugtem grünem Wasserstoff. Eine Gewinnung von PtL auf Basis des aktuellen Strommixes der Bundesrepublik Deutschland wäre im Vergleich mit der Gewinnung der gleichen Kraftstoffmenge aus fossilem Rohöl nur mit einer geringen Reduzierung des CO₂-Ausstoßes verbunden.<ref>Bullerdiek, N.; Buse, J.; Dögnitz, N.; Feige, A.; Halling, A.-M.; Hauschild, S.; Hawighorst, P.; Kaltschmitt, M.; Kuchling, T.; Kureti, S.; Majer, S.; Marquardt, C.; Müller-Langer, F.; Neuling, U; Oehmichen, K.; Pechstein, J.; Posselt, D.; Scheuermann, S.; Schripp, T.; Stein, H.; Zschocke, A.: Einsatz von Multiblend-JET-A-1 in der Praxis. Zusammenfassung der Ergebnisse aus dem Modellvorhaben der Mobilitäts- und Kraftstoffstrategie. DBFZ Deutsches Biomasseforschungszentrum gemeinnützige GmbH, Leipzig 2019, Kapitel 9.2. </ref>

Elektrolyse[Bearbeiten]

Die für den PtL-Prozess typische Elektrolyse ist die Wasserelektrolyse, bei der Wasser (H₂O) in seine Komponenten Wasserstoff (H₂) und Sauerstoff (O₂) aufgespalten wird.

Hierbei gibt es drei wesentliche Elektrolyseformen, dabei ist die PEM-Elektrolyse der alkalischen Elektrolyse dahingehend überlegen, als sie über eine große Teillastflexibilität verfügt, die theoretisch von 0 bis 100 % geht, wobei in der Praxis von einer unteren Grenze von ca. 5 % der nominalen Leistung aufgrund des Eigenverbrauchs der Peripheriekomponenten auszugehen ist.<ref name=":2" /> Die Startzeit bei einem Kaltstart beträgt rund zehn Minuten, die Zeit aus dem Stand-by bis zur Nennleistung nur zehn Sekunden.<ref name=":2">Simon Lechleitner: Ganzheitliche Betrachtung der Kraftstofferzeugung aus Strom unter Einbeziehung von CO2-Quellen am Fallbeispiel Deutschland. Mittweida 2016, S. 16. </ref> Bei der Hochtemperaturelektrolyse steht eine hohe Effizienz der erforderlichen Zuführung von thermischer Energie entgegen, die nicht durch Strom erzeugt werden sollte; dieses Verfahren arbeitet mit einem Temperaturniveau von 800 bis 1000 °C.<ref name=":2" /> Wenn die nachgelagerte Synthese am selben Standort wie die Elektrolyse erfolgt, kann die Abwärme des Syntheseprozesses als Wärmequelle verwendet werden,<ref name=":3">Agora Verkehrswende, Agora Energiewende and Frontier Economics: The Future Cost of Electricity-Based Synthetic Fuels. 2018, S. 61–62. </ref> konkurriert dann allerdings im Falle einer CO₂-Gewinnung aus der Umgebungsluft mit dem damit verbundenen Energiebedarf.<ref name=":3" />

CO₂-Bereitstellung[Bearbeiten]

Neben Energie und Wasser ist CO₂ der dritte wesentliche Einsatzfaktor für den PtL-Prozess. CO₂ ist praktisch überall in der Atmosphäre vorhanden, aber nur in einer sehr geringen Konzentration von 0,04 %. Deshalb erfordert eine direkte Gewinnung aus der Erdatmosphäre den Durchsatz sehr großer Mengen an Luft und ist daher entsprechend aufwändig. Eine grundsätzlich einfachere Art ist die Gewinnung aus den Abgasen stationärer Emitter, in denen das CO₂ in ungleich größeren Anteilen enthalten ist.

Gewinnung von CO₂ aus den Abgasen stationärer Emitter[Bearbeiten]

Die wichtigsten stationären Emitter sind für Deutschland in Tabelle 1 zusammengestellt. In der Schweiz wird die erste Power to Liquid Anlage bei einer Kehrichtverbrennungsanlage zu stehen kommen.<ref>Andrea Söldi: Hier wird mit Alkohol geheizt, Tages-Anzeiger, 28. Mai 2025, S. 15, Titel der Printausgabe</ref>

Tabelle 1: Stationäre CO₂-Quellen in der Bundesrepublik Deutschland, 2016<ref name=":2" />

Industrie	CO₂-Menge im Jahr (Mio. Tonnen)	Anmerkungen
Braunkohlekraftwerke	159	Annähernd kontinuierlicher Betrieb
Steinkohlenkraftwerke	96	Diskontinuierlicher Betrieb
Stahlindustrie	57
Mineralölraffinerien	23
Zementindustrie gesamt	23
Zementindustrie energiebedingt	11	Hoher Anteil alternativer Brennstoffe
Zementindustrie rohstoffbedingt	12
Kalkindustrie gesamt	8
Kalkindustrie energiebedingt	5
Kalkindustrie rohstoffbedingt	3
Ammoniakherstellung gesamt	6	Annähernd kontinuierlicher Betrieb
Ammoniakherstellung CO₂-Prozessgas	4	Reinheitsgrad 99,5 %
Ammoniakherstellung energiebedingt (Rauchgas)	2
Glasindustrie	4	Annähernd kontinuierlicher Betrieb
Biobasierte CO₂-Quellen
Biogasanlagen	1	Verteilt auf hunderte Anlagen
Bioabfallvergärung	0,3
Klärgasanlagen	0,8	Verteilt auf hunderte Anlagen
Bioethanolherstellung	1

Der bei weitem größte Teil der industriellen CO₂-Emissionen entsteht durch die Verbrennung zur Energiegewinnung, entweder zur Stromgewinnung im Kraftwerk oder zur Erzeugung von Prozesswärme (z. B. an Hochöfen oder bei der Glasherstellung). Diese Verbrennungsabgase haben unvermeidlich einen hohen Anteil von Verunreinigungen durch Ruß, Stickstoff oder andere Produkte unvollständiger Verbrennung. Bei Einsatz schwefelhaltiger fossiler Brennstoffe muss auch mit der Präsenz von Schwefel und Schwefelverbindungen im Abgas gerechnet werden.<ref name=":2" /> Das besondere Augenmerk richtet sich hierbei vor allem auf Kohlekraftwerke, da diese einerseits einen annähernd kontinuierlichen Betrieb haben und große CO₂-Emissionen aufweisen. Es existieren unterschiedliche Verfahren diese CO₂-Mengen abzutrennen, u. a. das Post-Combustion-Verfahren und das Oxyfuel-Verfahren, wobei die Integration einer Oxyfuel-Anlage deutlich komplexer ist als die einer nachgeschalteten Rauchgasbehandlung wie beim Post-Combustion-Verfahren. Beide Verfahren ermöglichen die Gewinnung von CO₂ mit einem sehr hohen Reinheitsgrad. Beispielsweise konnte beim Pilotprojekt „Schwarze Pumpe“, wo ein Oxyfuel-Verfahren zum Einsatz kam, CO₂ mit einer Reinheit von bis zu 99,7 % gewonnen werden.<ref>Erkenntnisse aus der Erprobung von Technologien zur CO2-Abscheidung und CO2-Speicherung (CCS) in Deutschland. Abgerufen am 25. März 2024. </ref> Auch wenn Punktquellen mit verbrennungsbedingten CO₂-Emissionen erhebliche Vorteile wie zum Beispiel einen geringen Energieaufwand sowie geringere Kosten mit sich bringen, muss beachtet werden, dass das PtL nicht per se als CO₂-neutral bezeichnet werden kann.

Nur ein relativ geringer Anteil der CO₂-Emissionen ist rohstoffbedingter Natur und daher unvermeidlich. Die größte Menge derartiger CO₂-Emissionen findet in der Zementindustrie mit etwa 12 Millionen Tonnen im Jahr statt. Der Reinheitsgrad derartiger CO₂-Emissionen ist tendenziell deutlich höher. Am größten ist er in der Ammoniakherstellung, wo das CO₂ prozessbedingt fast rein anfällt (99,5 %).<ref name=":2" />

Als Produkt natürlicher biologischer Zersetzung fällt CO₂ bei Biogasanlagen, der Bioabfallvergärung, Kläranlagen und bei der Bioethanolherstellung an. Auch dieses CO₂ hat tendenziell einen sehr hohen Reinheitsgrad. Die absolut jährlich anfallende Menge ist allerdings mit insgesamt 3 Millionen Tonnen CO₂ eher gering und entspricht stöchiometrisch nur etwa dem Kohlenstoffäquivalent einer Million Tonnen Kerosin. Darüber hinaus fällt dieses CO₂ dezentral verteilt auf Hunderte von Anlagen an.<ref name=":2" />

Insgesamt liegen die rohstoff- oder zersetzungsbedingten CO₂-Emissionen bei rund 22 Millionen Tonnen im Jahr, was stöchiometrisch etwa 7 Millionen Tonnen Kerosin oder Dieselkraftstoff entspricht. Die verbrennungsbedingten CO₂-Emissionen betragen mehr als das Zehnfache.

Gewinnung von CO₂ aus der Atmosphäre[Bearbeiten]

Die Gewinnung von CO₂ aus der Atmosphäre wurde bereits in den Neunziger Jahren im Rahmen eines Projektes des Landes Baden-Württemberg untersucht<ref name=":5">Specht / Bandi / Elser / Heberle / Maier / Schaber / Weimer: CO2-Recycling zur Herstellung von Methanol; Endbericht an das Land Baden-Württemberg. Juli 2020, S. 74. </ref> und gegenwärtig von verschiedenen Lehrstühlen und Startups verfolgt. Ein Beispiel ist die Schweizer Firma Climeworks, die in Hinwil bereits zwei entsprechende Anlagen betreibt.<ref>Climeworks eröffnet erste kommerzielle CO2-Filteranlage der Welt. 27. Juni 2017, abgerufen am 11. Januar 2021. </ref> In diesen Anlagen wird die Luft durch Pumpen eingesaugt und durch einen Filter geleitet, in dem das CO₂ chemisch gebunden wird. Ist der Filter voll, wird er auf etwa 100 °C aufgeheizt, wodurch das CO₂ aus der chemischen Bindung gelöst wird und für die weiteren Prozessschritte zur Verfügung steht.<ref>Reverse climate change by removing CO2 from the air. Abgerufen am 11. Januar 2021. </ref> Diese erste dieser Anlagen läuft seit Mai 2017 mit einer Kapazität zur Gewinnung von 900 Tonnen CO₂ pro Jahr.<ref>Valentin Batteiger / Christoph Falter / Andreas Sizmann: Prospects and sustainability of large‐scale CO2 provision for synthetic jet fuel production. Vortrag auf dem 9th Carbon Dioxide Utilization Summit. Reykjavík 19. Oktober 2017, S. 19. </ref> Weitere auf diesem Gebiet arbeitende Unternehmen sind Carbon Engineering und Global Thermostat.<ref>Direct Air Capture Technology. Abgerufen am 11. Januar 2021 (Lua-Fehler in Modul:Multilingual, Zeile 153: attempt to index field 'data' (a nil value)). </ref> Das Verfahren wird in einigen Demonstrations- sowie Pilotanlagen für die Produktion von synthetischem Flüssigkraftstoff wie E-Kerosin oder auch E-Ottokraftstoff verwendet.<ref name=":10">eFuels-Pilotanlage in Chile offiziell eröffnet. Abgerufen am 24. März 2024. </ref> Beispielsweise wird es voraussichtlich ab 2024 an der Pilotanlage Haru Oni, Chile zum Einsatz kommen, um das benötigte CO₂ für das Methanol-to-Gasoline-Verfahren bereitzustellen. Dabei sollen 600 Tonnen CO₂ im Jahr der Atmosphäre entzogen werden.<ref>HIF Global, Porsche and Volkswagen Group Unveil New Direct Air Capture Unit. 4. September 2023, abgerufen am 28. April 2024 (Lua-Fehler in Modul:Multilingual, Zeile 153: attempt to index field 'data' (a nil value)). </ref> Durch den Einsatz von atmosphärischem CO₂ können bilanziell CO₂-neutrale Kraftstoffe hergestellt werden, sofern die benötigte Energie der Abtrennung von erneuerbaren Energieanlagen zur Verfügung gestellt wird.

Synthesegasherstellung[Bearbeiten]

Beim typischen PtL-Prozess wird zunächst Wasserstoff erzeugt und dann mit CO₂ zusammengeführt. CO₂ ist aber inert und muss für die anschließenden Syntheseschritte in CO umgewandelt werden. Dieser Prozessschritt wird als reverse water gas shift reaction bezeichnet. Das Resultat ist dann ein Synthesegas aus Wasserstoff und CO, idealerweise in einem stöchiometrischen Verhältnis von 2:1.<ref name=":6">Reinhard Rauch / Hermann Hofbauer / Ulf Neuling / Martin Kaltschmitt: Biokerosene Production from Bio-Chemical and Thermo-Chemical Biomass Conversion and Subsequent Fischer-Tropsch Synthesis. In: Martin Kaltschmitt / Ulf Neuling (Hrsg.): Biokerosene – Status and Prospects. Heidelberg 2018, S. 505. </ref>

Abweichend hiervon erfolgen bei der Hochtemperaturelektrolyse sowie beim StL-Verfahren (Solar to Liquid) die Umwandlung von Wasser und CO₂ in Wasserstoff und CO in einem einzigen Schritt. Im Falle der Hochtemperaturelektrolyse geschieht dies als Co-Elektrolyse unter Einsatz von Wasserdampf und beim StL-Verfahren direkt durch die solarthermische Erhitzung von Wasser und CO₂. Vorteile bei diesem Ansatz sind die geringeren Konversionsverluste verglichen mit dem sequenziellen Vorgehen sowie der Umstand, dass die beiden Reaktionen (Elektrolyse und reverse water gas shift reaction) in einem Reaktor erfolgen, wodurch sich der apparative Aufwand reduziert.

Synthese und Aufarbeitung zu Flüssigkraftstoffen[Bearbeiten]

Für die Herstellung von Flüssigkraftstoffen aus Synthesegas sind drei alternative Ansätze bekannt.

Fischer-Tropsch-Synthese[Bearbeiten]

Der bekannteste und am weitesten verbreitete Ansatz ist die Fischer-Tropsch-Synthese. Dieses Verfahren wurde bereits im Jahr 1925 am Kaiser-Wilhelm-Institut für Kohleforschung als Verfahren zur Herstellung von Kraftstoffen aus Kohle entwickelt, und in darauffolgenden Jahrzehnten weiter entwickelt und in großem Maßstab eingesetzt. Von besonderer Bedeutung war es im Zweiten Weltkrieg, da ein Import von Rohöl zur Versorgung der deutschen Raffinerien kriegsbedingt nur begrenzt möglich war und die Treibstoffversorgung der deutschen Streitkräfte daher ein Ausweichen auf synthetische Kraftstoffe erforderte.

Mit der Verfügbarkeit von preisgünstigem Rohöl nach dem Ende des Zweiten Weltkriegs war die Raffination von Rohöl die kostengünstigere Alternative, so dass die Produktion synthetischer Kraftstoffe eingestellt wurde. Eine Ausnahme war Südafrika, wo beginnend in den 50er Jahren<ref name=":6" /> mit dem Aufbau einer Industrie begonnen wurde, die südafrikanische Kohle in flüssige Kraftstoffe umwandelte. Ein wesentlicher Faktor für den Ausbau dieser Industrie waren das weltweite Embargo gegen das südafrikanische Apartheidsregime und die damit verbundenen Probleme beim Import von Rohöl in den 80er Jahren. In den hierfür durch die südafrikanische Firma Sasol (Suid Afrikaanse Steenkool en Olie) errichteten Fischer-Tropsch-Anlagen wurde erstmals auch Kerosin aus Kohle hergestellt.

Obwohl das Fischer-Tropsch-Verfahren ursprünglich für die Umwandlung von Kohle entwickelt wurde, wird es heutzutage vor allem für die Umwandlung von Erdgas verwendet, insbesondere in Qatar und in Malaysia. Der Einsatz des Verfahrens für die Konversion von Biomasse wurde verschiedentlich versucht, zuerst vor rund zehn Jahren durch die Firma Choren, ist aber bisher nicht geglückt. Zwei neuere Anläufe zur Gewinnung von FT-Kerosin aus Biomasse werden gegenwärtig durch Projekte der amerikanischen Firmen Fulcrum (Einsatzstoff: Haushaltsabfälle) und Red Rocks (Einsatzstoff: Holz) gemacht, deren Anlagen im Laufe des Jahres 2021 mit der Produktion von FT-Kerosin beginnen sollen.

Das Fischer-Tropsch-Verfahren ist ein etabliertes, bereits in sehr großem Maßstab industriell eingesetztes Verfahren. Die gegenwärtig weltweit größten Fischer-Tropsch-Anlagen sind die des Pearl-Konsortiums in Qatar mit einer jährlichen Produktion von Flüssigkraftstoffen von 95 Millionen Tonnen, zu deren Bau Investitionen in Höhe von 24 Milliarden USD erforderlich waren. Es existieren mehrere große Marktteilnehmer mit Kenntnissen im Bau von Fischer-Tropsch-Anlagen, insbesondere Shell (Partner im Pearl-Konsortium) und Sasol. Diese Art von Anlagen ist allerdings mit sehr hohen Fixkosten verbunden und lässt sich daher nur im sehr großen Maßstab wirtschaftlich betreiben. Um auch Feedstock aus kleineren Quellen (z. B. einzelnen Biogasanlagen) nutzen zu können, haben Forschungseinrichtungen in Zusammenarbeit mit Startups Verfahren entwickelt, die auf die Nutzung kleiner Quellen ausgelegt sind. Wesentliche Akteure sind hierbei die englische Firma Velocys sowie die deutsche Firma Ineratec, eine Ausgründung aus dem Karlsruher Institut für Technologie.

Beim Fischer-Tropsch-Verfahren wird das Synthesegas mit Hilfe von Eisen- oder Kobaltkatalysatoren<ref>ASTM D7566, Annex 1. </ref> in Wachse mit sehr unterschiedlicher Kettenlänge umgewandelt, wobei die Verteilung der Länge der Kohlenwasserstoffketten in gewissem Umfang eingestellt werden kann.<ref name=":6" /> Die weitere Aufarbeitung der Wachse zu Flüssigkraftstoffen erfolgt dann durch Isomerisierung und Hydrocracking.<ref>Bullerdiek, N.; Buse, J.; Dögnitz, N.; Feige, A.; Halling, A.-M.; Hauschild, S.; Hawighorst, P.; Kaltschmitt, M.; Kuchling, T.; Kureti, S.; Majer, S.; Marquardt, C.; Müller-Langer, F.; Neuling, U; Oehmichen, K.; Pechstein, J.; Posselt, D.; Scheuermann, S.; Schripp, T.; Stein, H.; Zschocke, A.: Einsatz von Multiblend-JET-A-1 in der Praxis. In: Zusammenfassung der Ergebnisse aus dem Modellvorhaben der Mobilitäts- und Kraftstoffstrategie. DBFZ Deutsches Biomasseforschungszentrum gemeinnützige GmbH. Leipzig, Kapitel 11.1. </ref>

Methanolsynthese[Bearbeiten]

Bei der Methanolsynthese wird das Synthesegas mittels kupfer-, zink- oder aluminiumoxidbasierten Katalysatoren in Methanol umgewandelt.<ref>ASTM Subcommittee D.02.J on Aviation Fuels, February 24 ballot, ballot item 45, WK69614. </ref> Dieser Prozessschritt wurde bereits vor mehreren Jahrzehnten von der Firma Mobil erprobt und kann als grundsätzlich gut bekannt angesehen werden.<ref name=":7">Schmidt, Patrick / Batteiger, Valentin / Roth, Arne / Weindorf, Werner / Raksha, Tetyana: Power-to-Liquids as Renewable Fuel Option for Aviation: A Review. In: Chemie Ingenieur Technik. Band 90 (1-2), 2018, S. 127–140. </ref> Es existiert bereits eine von der Firma Carbon Recycling International betriebene Anlage zur Umwandlung von CO₂ und Wasser zu Methanol. Diese Anlage wurde im Jahr 2012 in Betrieb genommen und hat eine Jahreskapazität von 4.000 Tonnen<ref name=":7" /> und damit eher Democharakter. Die Firma bietet jedoch Technologielösungen für Anlagen zur Produktion von Methanol mit einer Jahreskapazität von 50.000 bis 100.000 Tonnen Methanol an.<ref>Technology and Services. Abgerufen am 11. Januar 2021 (Lua-Fehler in Modul:Multilingual, Zeile 153: attempt to index field 'data' (a nil value)). </ref> Weitere Akteure in diesem Bereich sind Thyssenkrupp und Mitsubishi Hitachi. Vorteil der Methanolsynthese gegenüber der Fischer-Tropsch-Synthese ist die Vermeidung des reverse water gas shift-Schrittes und der damit verbundenen Energieverluste.<ref name=":5" />

Das gewonnene Methanol kann im Anschluss im Rahmen eines Mobil-Prozesses zu Ottokraftstoff weiter verarbeitet werden.

Alkoholsynthese[Bearbeiten]

Bei der Alkoholsynthese wird als erster Prozessschritt das Synthesegas katalytisch in höhere Alkohole wie Ethanol, Propanol oder Butanol umgewandelt.<ref name=":6" /> Dieser Ansatz wird gegenwärtig von der Firma Swedish Biofuels erforscht.<ref>Telefonische Auskunft von Swedish Biofuels</ref>

Ammoniak[Bearbeiten]

Die Herstellung von Ammoniak im strombasierten Power-to-Ammonia-Verfahren statt aus Erdgas kann ebenfalls zu den Power-to-Liquid-Verfahren im weiteren Sinne gezählt werden, auch wenn Ammoniak bei Normalbedingungen gasförmig ist und nur bei 10 Bar Druck oder niedrigen Temperaturen flüssig vorliegt.

Verwechslungsgefahr mit anderen Prozessen[Bearbeiten]

Nicht mit dem PtL-Ansatz zu verwechseln sind Ansätze, bei denen eine direkte Nutzung der Sonneneinstrahlung zur Produktion von Flüssigkraftstoffen erfolgt, ohne dass vorher eine Erzeugung von Strom stattfindet. Insbesondere der englischsprachige Begriff „Solar Power“ (Sonnenenergie) kann zu Verwechslungen mit der Erzeugung aus „Power“ (Strom) führen. Eine Schilderung eines derartigen Prozesses, die ebenfalls im Zusammenhang mit erneuerbaren Energien steht, findet man beispielsweise im Scientific American, wo Ende März 2012 ein Artikel mit dem Titel „Mikroben helfen bei der Umwandlung von Solarenergie in flüssigen Treibstoff“ (Solar Power to Liquid Fuel) erschienen ist. Darin wird ein integrated electro-microbial bioreactor, zu Deutsch etwa integrierter elektro-mikrobieller Bioreaktor beschrieben, der in der Lage sein soll, mit Hilfe von gentechnisch veränderten Ralstonia eutropha verschiedene flüssige Butanole wie beispielsweise 1-Butanol zu erzeugen, die sich als Kraftstoff eignen<ref>Fossil Free: Microbe Helps Convert Solar Power to Liquid Fuel. Abgerufen am 11. Januar 2021. </ref>. Hierbei handelt es sich um einen völlig andersartigen Prozess als bei der Produktion von PtL.

Ebenfalls ein anderer Ansatz ist der StL-Ansatz (Solar to Liquid). Der Solar-to-Liquid-Ansatz wird gegenwärtig hauptsächlich an der ETH Zürich (Lehrstuhl Professor Steinfeld) erforscht. Konzeptionell besteht der Ansatz darin, Sonnenlicht über Parabolspiegel an einem Punkt zu bündeln und so an diesem Punkt eine Temperatur von 1.500 °C zu erreichen, bei der Wasser und CO₂ direkt in ein Synthesegas aus Wasserstoff und CO umgewandelt werden.<ref name=":8">Aus Sonnenlicht und Luft entsteht Benzin. Abgerufen am 11. Januar 2021. </ref> Vorteil dieses Verfahrens ist die Vermeidung der Konversionsverluste, die beim PtL-Verfahren zunächst bei der Stromerzeugung und anschließend bei der Elektrolyse entstehen. Diese Umwandlungsverluste sind erheblich, da gängige Solarkollektoren weniger als 20 % der eintreffenden Sonnenenergie in Strom verwandeln und bei der anschließenden Elektrolyse des gewonnenen Stroms weitere Umwandlungsverluste von bis zu 33 % entstehen. Im Gegensatz dazu ist die Bündelung des Sonnenlichts durch Spiegel mit nur geringen Verlusten verbunden; die Masse der eingestreuten Sonnenenergie kann dazu verwendet werden, die gewünschten hohen Temperaturen zu erreichen.<ref>Angaben der ETH Zürich</ref> Nachteil des Verfahrens ist die aufwendige Mechanik zum ständigen Nachführen der Spiegel, die erforderlich ist, um trotz des ständig wechselnden Sonnenstandes kontinuierlich eine Bündelung aufrechtzuerhalten. Ebenfalls nachteilig ist, dass dieses Verfahren ausschließlich auf Sonnenenergie beruht; eine Kompensation sonnenschwacher Perioden durch Windenergie ist bei diesem Verfahren, anders als bei Strom, nicht möglich.

Eine Laboranlage für das StL-Konzept existiert auf dem Dach der ETH Zürich. Diese Anlage wird laufend betrieben und erzeugt Flüssigkraftstoff im Milliliterbereich (ca. 100 ml täglich).<ref>Angaben der ETH Zürich</ref> Eine zehnmal so große Anlage befindet sich in Móstoles in Spanien.<ref name=":8" /> Noch deutlich größere Anlagen, insbesondere eine Großanlage in Spanien<ref name=":8" /> sind konzipiert, aber sind bisher nicht über den Status von Papierstudien hinausgekommen.

Anlagen[Bearbeiten]

In Island wurde im April 2012 eine acht Millionen Euro teure Power-to-Liquid-Anlage von der Firma Carbon Recycling International (CRI) mit einer Kapazität von 1,3 Millionen Litern pro Jahr in Betrieb genommen. Im Jahr 2015 erweiterte CRI die Anlage auf mehr als 5 Millionen Liter pro Jahr. Die nach George Olah benannte Anlage sollte anfangs jährlich 4.500 Tonnen CO₂ nutzen und damit Methanol erzeugen. Sowohl das CO₂ als auch die elektrische Energie stammen aus dem benachbarten Kraftwerk Svartsengi.<ref>chemicals-technology.com: George Olah CO2 to Renewable Methanol Plant, Reykjanes, Iceland, abgerufen am 15. Oktober 2013.</ref>
In Werlte in Niedersachsen ging am 4. Oktober 2021 eine Pilotanlage zur Gewinnung eines synthetischen Kraftstoffes, „Syncrude“, auf Basis des oben beschriebenen Fischer-Tropsch-Verfahrens in Betrieb.<ref>Newsletter Oktober 2021. In: www.atmosfair.de. atmosfair, 1. Oktober 2021, abgerufen am 4. Oktober 2021. </ref> Vorgeschaltet ist ein Zwischenschritt zur Gewinnung von Synthesegas. Über einen weiteren Schritt wird anschließend in der Raffinerie Heide (Schleswig-Holstein) Kerosin der Sorte Jet A1 gewonnen.<ref>CO₂-neutrales E-Kerosin - der Einstieg in einen klimaverträglichen Luftverkehr schon heute. In: www.atmosfair.de. atmosfair, Oktober 2021, abgerufen am 4. Oktober 2021. </ref> Gebaut wurde die Anlage von atmosfair.<ref>Bernhard Pötter: Klimaschutz in der Luftfahrt: Nur grünes Fliegen ist schöner. An diesem Montag startet die erste Produktion von CO2-neutralem Flugbenzin in Deutschland. Zurück geht die Anlage auf eine Klimaschutzorganisation. In: taz.de. Die Tageszeitung, 3. Oktober 2021, abgerufen am 4. Oktober 2021. </ref> Das Pilotprojekt trägt den Namen „FairFuel“.<ref>atmosfair fairfuel - Kriterienkatalog. (PDF; 1,5 MB) Gütesiegel für grünes, synthetisches Kerosin. In: www.atmosfair.de. atmosfair, 1. Oktober 2021, S. 34, abgerufen am 4. Oktober 2021. </ref> Die Anlage verfügt über eine Herstellungsleistung von 44 kg/h synthetischen Kohlenwasserstoff.<ref>Feststellung gemäß § 5 UVPG Solarbelt FairFuel GmbH Werlte. (PDF; 35 kB) GAA v. 13.10.2020 ― Akz.: 31.12-40211/1-4.1.1 OL 19-113-01+02―. In: uvp.niedersachsen.de. Niedersächsisches Ministerium für Umwelt, Energie, Bauen und Klimaschutz, Referat 14: Umweltinformation, Digitalisierung, eGovernment, 16. Oktober 2020, archiviert vom Vorlage:IconExternal (nicht mehr online verfügbar) am 3. Oktober 2021; abgerufen am 4. Oktober 2021. </ref> Es handelt sich um die erste Anlage weltweit, in der, hier als E-Kerosin bezeichnetes, Kerosin aus Windkraft produziert wird. Der Regelbetrieb sollte im ersten Quartal 2022 starten. Dann sollten in Werlte acht Fässer Rohkerosin pro Woche produziert werden.<ref>Joachim Ille: E-Kerosin: Grün durchstarten. Frankfurter Rundschau, 4. Oktober 2021, abgerufen am selben Tage.</ref>
Im Süden Chiles wurde im Rahmen des Projektes Haru Oni eine Pilotanlage gebaut, welche 55.000 Liter an E-Ottokraftstoff über das Methanol-to-Gasoline-Verfahren herstellt. Dabei erfolgt im Vorfeld eine Methanolsynthese aus CO₂ und H₂. Das CO₂ stammt aus einer Brauerei, welche aber ab 2024 durch atmosphärisches CO₂ ersetzt werden soll. In den darauffolgenden Skalierungsgrößen soll die Anlage eine Gesamtkapazität von 550 Millionen Litern erreichen.<ref name=":10" />
Im dänischen Apenrade, nahe der deutschen Grenze, wurde im Mai 2025 die erste E-Methanol-Großproduktionsanlage der Welt in Betrieb genommen.<ref>Erste E-Methanol-Großanlage nahe deutscher Grenze eröffnet. In: Süddeutsche Zeitung. 13. Mai 2025, abgerufen am 16. Mai 2025. </ref> In Padborg soll eine noch größere Anlage errichtet werden.<ref>Anke Haagensen: Feierliche Einweihung: Die größte Power-to-X-Anlage der Welt steht in der Kommune Apenrade. In: Der Nordschleswiger. 14. Mai 2025, abgerufen am 16. Mai 2025. </ref>

Siehe auch[Bearbeiten]

Literatur[Bearbeiten]

Kompetenzzentrum Klima- und Lärmschutz im Luftverkehr (2020): Betrachtung und Ausblick der Technologien zur Herstellung von „Power-to-Liquid“ (PtL)
Michael Sterner, Ingo Stadler (Hrsg.): Energiespeicher. Bedarf, Technologien, Integration. 2. Auflage. Berlin Heidelberg 2017, ISBN 978-3-662-48893-5.

Weblinks[Bearbeiten]

Kompetenzzentrum für Klima- und Lärmschutz im Luftverkehr, CENA Hessen
Strategieplattform Power to Gas
Deutscher Bundestag – Wissenschaftliche Dienste: Der Aktuelle Begriff: Power to Gas (PDF; 69 kB)
M. Specht (Projektleitung) und Andere: „CO2-Recycling zur Herstellung von Methanol“ Zentrum für Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung Baden-Württemberg (ZSW), Institut für Technische Thermodynamik und Kältetechnik (ITTK), Universität Karlsruhe Institut für Physikalische Elektronik (IPE), Universität Stuttgart, Juli 2000

Einzelnachweise[Bearbeiten]