"POWER TO LIQUID" (PTL) - BETRACHTUNG UND AUSBLICK DER TECHNOLOGIEN ZUR HERSTELLUNG VON
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Betrachtung und Ausblick
der Technologien
zur Herstellung von
„Power to Liquid“ (PtL)
Studie
1
Impressum
Betrachtung und Ausblick der Technologien zur Herstellung von „Power to Liquid“ (PtL)
Erstellt im Auftrag von
Kompetenzzentrum Klima- und Lärmschutz im Luftverkehr
E-Mail: info@cena-hessen.de
Web: https://www.cena-hessen.de
Hessen Trade & Invest GmbH
Bessie-Coleman-Straße 7
60549 Frankfurt
Projektleitung:
Bernhard Dietrich
E-Mail: Bernhard.Dietrich@cena-hessen.de
Durchführung der Studie
Dr. Alexander Zschocke
E-Mail: Alexander.Zschocke@cena-hessen.de
Bitte zitieren als:
CENA Hessen, Kompetenzzentrum Klima- und Lärmschutz im Luftverkehr (2021) Betrachtung und
Ausblick der Technologien zur Herstellung von „Power to Liquid“ (PtL).
Fassung vom 31.03.2021
CENA Hessen, Kompetenzzentrum Klima- und Lärmschutz im Luftverkehr (2021)
Betrachtung und Ausblick der Technologien zur Herstellung von „Power to Liquid“ (PtL)
2
Inhalt
Zusammenfassung 2
1. Inhalt und Aufbau des Papiers 3
2. Strombereitstellung 4
3. Elektrolyse 6
4. Wasserstoffspeicherung 9
5. CO2-Bereitstellung 11
5.1 CO2 von stationären Emittern 12
5.2 Gewinnung von CO2 aus der Atmosphäre 13
6. Synthesegasherstellung 14
7. Synthese und Aufarbeitung zu Kerosin 15
7.1 Fischer-Tropsch-Synthese 15
7.2 Methanolsynthese 17
7.3 Alkoholsynthese 17
8. Der Solar to Liquid-Ansatz 17
9. Der Caphenia-Prozess 18
Anhang 1: Strombedarf und erforderliche Kapazität zur Deckung des deutschen
Kerosinbedarfs durch PtL 20
Anhang 2: Umrechnungsfaktoren und Definitionen 21
Anhang 3: Technical Readiness Level der einzelnen Prozessschritte 22
Bibliographie 24
CENA Hessen, Kompetenzzentrum Klima- und Lärmschutz im Luftverkehr (2021)
Betrachtung und Ausblick der Technologien zur Herstellung von „Power to Liquid“ (PtL)
2
Zusammenfassung
Der Prozess der Herstellung von PtL-Kraftstoff für Luftfahrtzwecke umfasst eine Reihe von
Teilprozessen, deren technischer Stand der vorliegenden Studie dargestellt. Am Anfang des
Prozesses steht die Bereitstellung von regenerativ erzeugtem elektrischem Strom, der im nächsten
Schritt verwendet wird, um Wasser elektrolytisch in Wasserstoff und Sauerstoff aufzuspalten. Da
Wind- und Solarstrom nicht kontinuierlich anfallen, muss ein Teil des erzeugten Wasserstoffes
gelagert werden, um diejenigen Zeiten abzudecken, in denen keine Wind- oder Solarenergie zur
Verfügung steht. Ein weiterer Teilprozess ist die Bereitstellung von CO2, das entweder von stationären
Emittern als Punktquelle stammen oder direkt aus der Atmosphäre gewonnen werden kann.
Wasserstoff und CO2 werden danach zu einem Synthesegas zusammengeführt. Aus diesem
Synthesegas wird anschließend Flüssigkraftstoff gewonnen, wobei mehrere alternative Prozesse in
Frage kommen.
Im Anschluss an die Darstellung dieser Teilprozesse werden zwei alternative Ansätze dargestellt, die
dem PtL-Prozess ähneln, aber nicht hauptsächlich auf elektrischen Strom als Energiequelle
zurückgreifen. Abgerundet wird die Studie durch Berechnungen des Strombedarfs und der
erforderlichen Kapazität zur Deckung des deutschen Kerosinbedarfs durch PtL, eine Übersicht über
wichtige Umrechnungsfaktoren und Definitionen sowie eine Einschätzung des Technical Readiness
Levels der einzelnen Prozessschritte im Anhang.
CENA Hessen, Kompetenzzentrum Klima- und Lärmschutz im Luftverkehr (2021)
Betrachtung und Ausblick der Technologien zur Herstellung von „Power to Liquid“ (PtL)3
1. Inhalt und Aufbau des Papiers werden. Darüber hinaus existieren aber
verschiedene technische Ansätze, die von dem
Das in Präsentationen zu PtL normalerweise in Abbildung 1 dargestellten Grundmuster in
dargestellte Konzept besteht in der folgenden wesentlichen Punkten abweichen.
Produktionskette:
Allen diesen abweichenden Ansätzen
1. Erzeugung von Strom aus gemeinsam ist, dass wie beim Grundmuster als
regenerativen Quellen, Einsatzfaktoren Energie, Wasser und CO2
2. Einsatz des Stroms zur elektrolytischen verwendet werden und dass am Schluss ein
Aufspaltung von Wasser in Wasserstoff Raffinationsschritt steht, durch den
und Sauerstoff, spezifikationskonforme Flüssigkraftstoffe
3. Einsatz des Wasserstoffes zur Re- erzeugt werden. Ansonsten aber sind die
Energisierung von CO2 und Erzeugung Abweichungen vom Grundmuster teilweise
eines Synthesegases, massiv.
4. Umwandlung des Synthesegases zu
Kohlenwasserstoffverbindungen, Am stärksten von dem Grundmuster weicht der
5. Aufarbeitung der Kohlenwasserstoffe StL-Ansatz (Solar to Liquid) ab. In diesem Falle
zu spezifikationskonformen Flüssig- erfolgt die Energiebereitstellung nicht über
kraftstoffen. elektrischen Strom, sondern direkt solar-
thermisch. Damit entfällt auch der
Abbildung 1 zeigt eine typische derartige Elektrolyseschritt; Wasser und CO2 werden
Darstellung. Diese Produktionskette wird im direkt in einem Reaktionsbehälter durch Einsatz
Folgenden als Grundmuster bezeichnet. von Sonnenenergie unter hohen Temperaturen
in ein Synthesegas umgewandelt. Die Schritte 4
Bei jedem dieser Schritte existieren und 5 entsprechen dann dem Grundmuster.
verschiedene technische Alternativen, die im Dem Wortsinne nach handelt es sich hierbei
Folgenden in den Kapiteln 2 bis 7 dargestellt nicht um ein echtes PtL-Verfahren, da bei
Abbildung 1: Grundmuster des PtL-Prozesses. Quelle: BdL
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diesem Verfahren elektrischer Strom keine Umrechnungsfaktoren gegeben. Anhang 3 gibt
Rolle spielt. Dennoch wird dieser Ansatz eine Einschätzung des Technical Readiness
normalerweise gemeinsam mit den PtL- Level (TRL) für die in diesem Papier diskutierten
Verfahren behandelt. Dieser Ansatz wird in technischen Ansätze.
Kapitel 8 näher behandelt.
Ebenfalls relativ weit von dem Grundmuster 2. Strombereitstellung
abweichend ist der von der Firma Caphenia
entwickelte Ansatz einer Kombination von PtL Die Bereitstellung des elektrischen Stroms ist
und GtL (Gas to Liquid). Bei diesem Ansatz wird der Ausgangspunkt für den PtL-Prozess.
die Energie des Synthesegases zum größeren Grundsätzlich ist Strom homogen, so dass es
Teil aus Methan gewonnen, das technisch unter dem technischen Aspekt für die
gesehen entweder aus fossilem Erdgas oder anschließenden Prozessschritte egal ist, wie
aus Biogas stammen kann, wobei natürlich nur der Strom erzeugt wird. Die Stromerzeugung
auf der Basis von Biogas ein regenerativ selber ist daher auch kein eigener
erzeugter Kraftstoff hergestellt werden kann. Forschungsgegenstand für den PtL-Prozess.
Zusätzlich werden für diesen Prozess Wasser, Dennoch ist die Strombereitstellung ein
CO2 und elektrischer Strom hinzugefügt, was kritischer Faktor.
die PtL-Komponente des Prozesses darstellt.
Anders als im Grundmuster findet hier keine Eine in der Literatur unumstrittene Aussage ist,
Elektrolyse statt; Wasser und CO2 werden dass mit dem PtL-Prozess gewonnene
gemeinsam unter hohen Temperaturen und in Flüssigkraftstoffe nur dann zu einer
Verbindung mit der GtL-Komponente in ein Verbesserung der Nachhaltigkeit führen
Synthesegas umgewandelt. Die Schritte 4 und können, wenn der eingesetzte Strom
5 entsprechen auch hier dem Grundmuster. ausschließlich oder ganz dominant aus
Dieser Ansatz wird in Kapitel 9 näher behandelt. regenerativen Quellen gewonnen wird.1 Bei
Verwendung des aktuellen Strommixes der
Näher am Grundmuster ist die Hochtemperatur- Bundesrepublik Deutschland ist ein PtL-
Elektrolyse. Die Abweichung vom Grundmuster Prozess, aufgrund der hohen Konversions-
besteht hierbei nur darin, dass die Schritte 2 verluste erst bei der Umwandlung von fossilem
und 3 nicht aufeinanderfolgen, sondern als ein Kraftstoff in Strom und dann wieder von Strom
einziger Schritt erfolgen, in dem Wasser und zu PtL, mit deutlich höheren CO2-Emissionen
CO2 gemeinsam unter hohen Temperaturen in verbunden als die Gewinnung der gleichen
ein Synthesegas umgewandelt werden. Flüssigkraftstoffe direkt aus fossilem Rohöl. 2
Ansonsten entsprechen die Abläufe dem Unter Nachhaltigkeitsaspekten muss daher
Grundmuster. Dieser Ansatz wird daher in beim PtL-Prozess vom Einsatz regenerativer
Kapitel 3 gemeinsam mit den anderen Elektrizität ausgegangen werden.
Elektrolyseverfahren behandelt.
Hauptproblem bei der Versorgung mit
Eine überschlägige Berechnung des regenerativem Strom ist, dass die
Strombedarf und der erforderlichen bedeutendsten hierfür geeigneten Energie-
Erzeugungskapazität zur Deckung des quellen in der Photovoltaik und der Windenergie
deutschen Kerosinbedarfs durch PtL findet sich bestehen, die nicht kontinuierlich anfallen. Im
in Anhang 1. Da im Zusammenhang mit PtL die Gegensatz dazu sind die am Ende des PtL-
Verwendung sehr unterschiedlicher Größen Prozesses stehenden Synthese-verfahren auf
erforderlich ist (Tonnen, Kubikmeter, eine kontinuierliche, 24/365 Produktion
Wattstunden, Joule) wird im Anhang 2 ein ausgelegt. Hieraus ergibt sich die
Überblick über wichtige Definitionen und Notwendigkeit, innerhalb der Prozesskette den
1
So z.B. Patrick Schmidt / Valentin Batteiger / Arne Review, in: Chemie Ingenieur Technik 2018, 90 (1-
Roth / Werner Weindorf / Tetyana Raksha: Power- 2), 127-140, 0.1002/cite.201700129, hier: S. 136
2 Ebenda
to-Liquids as Renewable Fuel Option for Aviation: A
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Betrachtung und Ausblick der Technologien zur Herstellung von „Power to Liquid“ (PtL)5
Gegensatz zwischen diskontinuierlichem Anfall Geothermie), und erfolgt kontinuierlich das Jahr
des Stroms und kontinuierlicher Versorgung mit über (8.760 Stunden im Jahr), so wird für die
Synthesegas zu überbrücken. Die Alternative Bereitstellung von 250 TWh eine
besteht in der Versorgung mit kontinuierlich Erzeugungskapazität von 28,5 GW benötigt.
anfallendem regenerativem Strom z.B. aus Steht die erforderliche Energie nicht
Wasserkraft, was aber nur an bestimmten kontinuierlich zur Verfügung, so muss die
Standorten möglich und auch dort nur in sehr Stromerzeugungskapazität überdimensioniert
begrenztem Maße ausbaufähig ist. werden. Bei Bereitstellung aus einer
durchschnittlich 12 Stunden am Tag
Es ist hierbei wichtig, sich die für die Umstellung verfügbaren Quelle (4.380 Stunden im Jahr,
der Versorgung des Luftverkehrs auf PtL z.B. theoretisches Maximum bei Solarenergie in
erforderlichen Strommengen vor Augen zu einer Wüstengegend5) beträgt die erforderliche
halten. Der deutsche Inlandsabsatz an Kerosin Kapazität 57 GW; bei Zugrundelegung der
für Luftfahrtzwecke betrug im Jahre 2018 10,2 durchschnittlichen Verfügbarkeit von Solar- und
Millionen Tonnen.3 Dies entspricht einem Windenergie in der Bundesrepublik
Energiegehalt von rund 125 TWh (Einzelheiten Deutschland (1.510 Leistungsstunden) wird
der Berechnung siehe Anhang 1). Bei völlig eine Kapazität von 165 GW benötigt
verlustfreier Umwandlung von Strom in Kerosin (Berechnungen in Anhang 1). Zum Vergleich:
wären demzufolge 125 TWh regenerativer Die Ende 2018 installierte Kapazität in der
Strom erforderlich, um den Bedarf der Luftfahrt Bundesrepublik Deutschland zur Erzeugung
zu decken. Tatsächlich aber ist bei der von Solar- und Windstrom betrug 104,3 GW.6
Umwandlung von Strom in Kerosin mit einem
Konversionsverlust von rund 50% zu rechnen, Die Investitionskosten für ein KW Strom-
so dass de facto 250 TWh regenerativer Strom erzeugungskapazität wurden in der Agora-
bereitzustellen wären. Im Vergleich dazu betrug Studie auf rund 900 Euro für Photovoltaik, 1.500
die gesamte Stromerzeugung der Euro für landbasierte Windkraftanlagen und
Bundesrepublik Deutschland aus regenerativen 2.800 Euro für Offshore-Windkraftanlagen
Quellen im Jahre 2018 225,7 TWh.4 Selbst eine geschätzt.7 Für eine Kapazität von 165 GW
Nutzung der gesamten aktuellen regenerativen wären auf Basis des aktuellen Strommixes in
Stromerzeugung der Bundesrepublik der Bundesrepublik Deutschland (29,3%/
Deutschland ausschließlich für die Herstellung 58,47%/12,24%)8 somit Investitionen in Höhe
von PtL-Kerosin würde mithin nicht ausreichen, von 245 Milliarden Euro erforderlich. Unterstellt
die Luftfahrt mit Treibstoff zu versorgen. Dies man eine kontinuierliche Versorgung das
zeigt zum einen die Unmöglichkeit, das gesamte Jahr über, z.B. durch eine
benötigte PtL vollständig oder auch nur Geothermieanlage (Investitionskosten pro KW
überwiegend in der Bundesrepublik Stromerzeugungskapazität 2.500 Euro9), und
Deutschland zu produzieren, aber zum anderen damit eine erforderliche Erzeugungskapazität
auch die Bedeutung, die die Strom- von 28,5 GW, so ergeben sich Kosten in Höhe
bereitstellung für den PtL-Prozess hat. von 71,25 Milliarden Euro.
Erfolgt die Stromerzeugung aus ständig Ein in der politischen Diskussion gerne
verfügbaren Quellen (z.B. Wasserkraftwerke, genanntes Konzept ist die Nutzung von
3
Auskunft des Umwelt-Bundesamtes 6 Umwelt-Bundesamt: Erneuerbare Energien …,
4
Umwelt-Bundesamt: Erneuerbare Energien in S.8/9
Deutschland – Daten zur Entwicklung im Jahr 2018; 7 Frontier economics: The future cost of electricity-
Dessau-Roßlau März 2019, S.7 based synthetic fuels, April 2018, S. 56. Verwendet
5
Der tatsächliche Wert dürfte weit niedriger liegen. wurde jeweils der Referenzwert für 2020, gerundet
Die Agora-Studie kommt für Nordafrika für eine auf volle 100 Euro.
reine Solaranlage auf zwischen 2.100 und 1.500 8 Berechnet aus Umwelt-Bundesamt: Erneuerbare
und für den Nahen Osten auf zwischen 2.200 und Energien …, S.8/9. Ins Verhältnis gesetzt wurde die
2.600 Vollaststunden. Frontier economics: The Stromerzeugung aus Solarkraftwerken,
future cost of electricity-based synthetic fuels, April Onshoreanlagen und Offshoreanlagen)
2018, S. 57 9 Frontier economics, a.a.O.
CENA Hessen, Kompetenzzentrum Klima- und Lärmschutz im Luftverkehr (2021)
Betrachtung und Ausblick der Technologien zur Herstellung von „Power to Liquid“ (PtL)6
photovoltaisch oder aus Windkraft Die alkalische Elektrolyse ist die älteste Form
gewonnenem Überschussstrom, der in den der Elektrolyse. Sie wird bereits seit einem
Zeiten anfällt, in denen besonders günstige Jahrhundert in industriellem Umfang eingesetzt,
Sonneneinstrahlung und/oder Windverhältnisse zunächst für die Erzeugung von Ammonium-
eine regenerative Energieerzeugung dünger.12 In der Spitze hatten diese Anlagen
ermöglichen, die größer ist als die insgesamt Kapazitäten von bis zu 150 MW, bis die
bestehende Nachfrage nach Strom.10 Vorteil ist, Elektrolyse durch die Wasserstoffgewinnung
dass in diesem Falle für die Produktion von PtL aus fossilem Erdgas verdrängt wurde. 13
keine zusätzliche Stromerzeugungskapazität Gegenwärtig werden diese alkalischen Elektro-
erforderlich wäre, und daher auch keine lyseure hauptsächlich für die Chloralkali-
entsprechenden Kosten anfielen. Die Elektrolyse zur Gewinnung von Chlor und
Verfügbarkeit derartigen Überschussstromes Natronlauge14 eingesetzt, wo die größten
wäre aber noch um etliches diskontinuierlicher alkalischen Elektrolyseure zur Zeit eine
als der Versorgung mit regenerativ erzeugtem Kapazität von 120 MW haben.15 Marktführer ist
Strom ohnehin zu eigen ist. Darüber hinaus ist Thyssenkrupp mit einer auf 20 MW Kapazität
der einsetzbare Überschussstrom in der Praxis modularisierten Elektrolyseurreihe.16
ziemlich begrenzt: Die im Jahre 2018
abgeregelte Strommenge betrug 5.403 Alkalische Elektrolyseure verfügen über einen
Gigawattstunden11. Selbst wenn diese Menge porösen Separator, der die Gase Wasserstoff
vollständig und verlustfrei in flüssige Kraftstoffe und Sauerstoff physikalisch trennt, aber den
umgewandelt würde, ergäben sich nur etwa Austausch des flüssigen Elektrolyten weiterhin
430.000 Tonnen Flüssigkraftstoffe; bei einer ermöglicht.17 Die Konversionseffizienz der
realistischen Konversionseffizienz von 50% alkalischen Elektrolyse zur Wasserstoff-
beträgt der Wert 215.000 Tonnen erzeugung wird in der Literatur mit rund 66%
Flüssigkraftstoffe. Dies sind nur etwa 2% des angegeben. Dies entspricht einer elektrischen
deutschen Kerosinbedarfs von 10,2 Millionen Energie von 4,6 kWh für die Erzeugung eines
Tonnen im Jahre 2018. Norm-Kubikmeters Wasserstoff.18 Alkalische
Elektrolyseure können in einem Lastbereich
zwischen 1519 und 100% betrieben werden und
3. Elektrolyse in diesem Maße flexibel z.B. auf Schwankung
des Sonnenstandes reagieren. Ein An- und
Grundsätzlich ist zwischen drei Arten von Abschalten der Elektrolyseure (z.B. als
Elektrolyse zu unterscheiden: Reaktion auf Windschwankungen bei
Versorgung mit Windenergie) ist möglich
• Alkalische Elektrolyse (Reaktionszeit bei Kaltstart ca. 50 Minuten)20.
Die Lebensdauer der Elektrolyseure wird
• PEM Elektrolyse
hierdurch tendenziell negativ beeinflusst, was
• Hochtemperaturelektrolyse
10 Siehe z.B. DLR / Ludwig Bölkow / Fraunhofer / 15
Telefonische Auskunft von Thyssenkrupp,
KBB: Studie über die Planung einer 26.3.2020
Demponstrationsanlage zur Wasserstoff- 16
Ebenda
Kraftstoffgewinnung durch Elektrolyse mit 17 Siemens: Whitepaper Wirkungsgrad – Elektrolyse;
Zwischenspeicherung in Salzkavernen unter Druck, siemens.com/silyzer
Stuttgart, 28.11.2014; hier: S.9 18 Studie IndWEDe: Smolinka / Wiebe, Sterchele /
11
Statista, 28.11.2018 Palzer / Lehner / Jansen / Kiemel / Miehe / Wahren /
12
Tom Smolinka / Emile Tabu Ojong / Jürgen Zimmermann: Industrialisierung der
Garche: Hydrogen Production from Renewable Wasserelektrolyse in Deutschland: Chancen und
Energies – Electrolyzer Technologies, in: Patrick T. Herausforderungen für nachhaltigen Wasserstoff für
Moseley / Jürgen Garche: Electrochemical Energy Verkehr, Strom und Wärme, Berlin 2018, Abbildung
Storage for Renewable Sources and Grid Balancing, 4-4
Amsterdam 2015; S. 105 19
Studie IndWEDe, a.a.O., Abbildung A-1
13 Schmidt / Batteiger …, a.a.O., S. 129 20 Studie IndWEDe, a.a.O., Abbildung 4-6
14 https://de.wikipedia.org/wiki/Chloralkali-
Elektrolyse, abgerufen 26.3.2020
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Betrachtung und Ausblick der Technologien zur Herstellung von „Power to Liquid“ (PtL)7
aber durch geeignete Schutzmaßnahmen 10 Sekunden.31 Eine relevante Verringerung
vermieden werden kann.21 der Lebensdauer durch kurzfristiges An- und
Abschalten der Elektrolyseure wird in der
Die PEM-Elektrolyse (Proton Exchange Literatur nicht aufgeführt.
Membrane) geht auf Forschungen aus den
1970er Jahren zurück, ausgehend von 1973 Bei der Hochtemperaturelektrolyse (HTES –
erstmals veröffentlichten Forschungen von High Temperature Electrolysis of Steam) ist der
General Electric.22 Sie war aber lange Zeit auf Separator ein O2-leitender Festelektrolyt, an
Laboranwendungen beschränkt, da die Zellen dem jeweils die Elektroden angebracht sind. An
eine zu geringe Lebensdauer hatten.23 Eine der Kathode wird überhitzter Wasserdampf
Entwicklung der PEM-Elektrolyse im zugeführt, der zu Wasserstoff und O2-Ionen
industriellen Maßstab findet erst seit ca. 20 reagiert.32 Die Verwendung überhitzten
Jahren statt.24 Der Name leitet sich daraus ab, Wasserdampfes bedeutet, dass ein Teil der zur
dass eine PEM-Elektrolysezelle über einen Spaltung von Wasser benötigten Energie
Feststoffelektrolyten in Gestalt einer protonen- thermisch zugeführt wird. Dieses Verfahren
leitenden Membran verfügt.25 Dies ermöglicht arbeitet mit einem Temperaturniveau von 800°
geringere Abstände der Elektroden und damit bis 1000 °C.33 Durch die hohen Temperaturen
eine höhere Bandbreite an Betriebsmodi als bei kommt die Hochtemperaturelektrolyse mit
der alkalischen Elektrolyse.26 Der größte deutlich geringeren Zellspannungen aus als die
gegenwärtig in Deutschland eingesetzte PEM- anderen Elektrolyseverfahren, und erreicht so
Elektrolyseur hat eine Leistung von 5 MW27. Die hohe strombezogene Wirkungsgrade.34 Diese
Lebensdauer moderner PEM-Zellen liegen nur hohe Konversionseffizienz (rund 80%) ist der
noch um ca. 15% unter denen der alkalischen Hauptvorteil der Hochtemperaturelektrolyse –
Elektrolyse, und Fachleute gehen davon aus, die Konversionsverluste sind nur etwa halb so
dass sie in einigen Jahrzehnten deutlich über hoch wie bei den anderen Elektrolyse-
denen der alkalischen Elektrolyse liegen wird.28 verfahren. Diese Effizienz lässt sich allerdings
Die Konversionseffizienz ist ähnlich wie die der in der Praxis nur erreichen, wenn die
alkalischen Elektrolyse.29 erforderliche hohe Temperatur nicht selber
durch Strom erzeugt werden muss, sondern auf
Vorteil der PEM-Elektrolyse ist ihre größere anderem Wege bereitgestellt wird.35 Wenn die
Teillastflexibilität, die theoretisch von 0-100% nachgelagerte Synthese am gleichen Standort
geht, wobei in der Praxis von einer unteren erfolgt wie die Elektrolyse, so kann die
Grenze von ca. 5% der nominalen Leistung Abwärme des Syntheseprozesses als Wärme-
aufgrund des Eigenverbrauchs der Peripherie- quelle verwendet werden,36 konkurriert dann
komponenten auszugehen ist. 30 Die Startzeit allerdings im Falle einer CO2-Gewinnung aus
bei einem Kaltstart beträgt rund 10 Minuten, die der Umgebungsluft mit dem damit
Zeit aus dem Stand-by bis zur Nennleistung nur verbundenem Energiebedarf . 37
21 Smolinka / Ojong / Garche, a.a.O., S. 114 vier Stacks mit jeweils 1,25 MW Kapazität.
22 Smolinka / Ojong / Garche, a.a.O., S. 105; Information von Siemens Hydrogen Solutions,
Information von Siemens Hydrogen Solutions, 9.12.2019
9.12.2019 28 Studie IndWEDe, a.a.O., Abbildung 4-6
23 29 Simon Lechleitner, a.a.O., S. 16; Studie
Smolinka / Ojong / Garche, a.a.O., S. 105
24
Simon Lechleitner: Ganzheitliche Betrachtung der IndWEDe, a.a.O., Abbildung A-4
Kraftstofferzeugung aus Strom unter Einbeziehung 30 Simon Lechleitner, a.a.O., S. 16
von CO2-Quellen am Fallbeispiel Deutschland; 31 Ebenda
Mittweida 2016, S. 16 32
Brinner, A. et al (2018) Technologiebericht 4.1
25 Ebenda; Siemens: Whitepaper Wirkungsgrad –
Power-to-gas (Wasserstoff), S.15
Elektrolyse, a.a.O. 33 Simon Lechleitner, a.a.O., S. 17
26 Siemens: Whitepaper Wirkungsgrad – Elektrolyse, 34
Ebenda
a.a.O. 35 Smolinka / Ojong / Garche, a.a.O., S. 105; Studie
27 Dies ist der 2017 in Hamburg installierte
IndWEDe, a.a.O., S.36
Elektrolyseur Silyser 200 der Firma Siemens. 36 Frontier economics, a.a.O., S. 61
Hierbei handelt es sich allerdings nicht um einen 37
A.a.O., S. 62
einzelnen Stack, sondern um eine Kombination von
CENA Hessen, Kompetenzzentrum Klima- und Lärmschutz im Luftverkehr (2021)
Betrachtung und Ausblick der Technologien zur Herstellung von „Power to Liquid“ (PtL)8
Hauptnachteil der Hochtemperaturelektrolyse Elektrolyseur je nach Verfügbarkeit an- und
ist ihre geringe Flexibilität. An- und Abschalten abgeschaltet werden. Durch eine
der Elektrolyseure und die damit verbundenen entsprechende Überdimensionierung der
Temperaturschwankungen führen zu hohen Elektrolyse und anschließende Speicherung
Belastungen der Zellen, die die Lebensdauer des Wasserstoffs können dann die
drastisch verkürzen und im Falle eines anschließenden Prozessschritte der
ungleichmäßigen Hochfahren des Stacks zu Synthesegasherstellung und -weiterver-
einer direkten Zerstörung der Zellen führen arbeitung kontinuierlich betrieben werden.
können.38 Auch das Teillastverhalten der Nachteil bei diesem Vorgehen sind die
Hochtemperaturelektrolyse ist wenig Notwendigkeit, Zwischenspeicher für den
dynamisch.39 Wasserstoff anzulegen, sowie die bezogen auf
die Tonne Kerosin hohen Kapazitätskosten, da
Hochtemperaturelektrolyseure werden gegen- sowohl die Elektrolyse als auch die
wärtig noch nicht in großem Maßstab vorgelagerte Stromerzeugung über-
eingesetzt, sondern sind Gegenstand der dimensioniert werden müssen.
Grundlagenforschung. Hierbei werden zwei
unterschiedliche Ansätze verfolgt: Im Falle der Hochtemperaturelektrolyse besteht
diese Möglichkeit nicht. Diese Prozesse können
• Der erste dieser Ansätze, der von der daher nur dort für die Verwendung von
mit dem KIT verbundenen Firma nachhaltigem Kerosin verwendet werden, wo
SunFire, koppelt den Elektrolyseur mit eine kontinuierliche regenerative Strom-
einer nachgeschalteten Fischer- erzeugung erfolgt, also z.B. bei Versorgung aus
Tropsch-Synthese, und verwendet einem Wasserkraftwerk. Nachteil ist in diesem
deren Abwärme zur Erreichung der Fall, dass mit ausschließlich für die Versorgung
erforderlichen hohen Temperaturen. des PtL-Prozesses gebauten Wasser-
Weitere Forschungsarbeiten auf kraftwerken sehr hohe Investitionskosten
diesem Gebiet finden am Kern- verbunden wären und sich zumindest innerhalb
forschungszentrum Jülich statt.40 der Bundesrepublik Deutschland kaum
geeignete Standorte für neue Wasser-
• Der zweite Ansatz ist der Oxyfuel- kraftwerke befinden.
Prozess, der die hohen Temperaturen
durch den Einsatz von Biomasse Anzumerken ist in diesem Zusammenhang
erzielt.41 Dieser Prozess stellt jedoch allerdings, dass diese Aussage auf heutigem
auf die Erzeugung von Methan und Stand der Technik gilt. Die PEM-Elektrolyse
nicht auf die Erzeugung von Synthese- bedurfte einer jahrzehntelangen Forschung, um
gas ab,42 und wird daher hier nicht die heutige Lebensdauer der Zellen zu
weiter betrachtet. erreichen, und es ist nicht auszuschließen, dass
in einigen Jahrzehnten auch Hochtemperatur-
Aus den unterschiedlichen Eigenschaften der elektrolysezellen existieren werden, die hohe
verschiedenen Elektrolyseprozesse ergeben Flexibilität zulassen. Dies ist aber eine eher
sich auch unterschiedliche Möglichkeiten, die spekulative Möglichkeit.
unregelmäßige Verfügbarkeit von Sonnen- und
Windenergie zu kompensieren. Auch für die alkalische und die PME-Elektrolyse
gilt aber, dass die gegenwärtig eingesetzte
Im Falle der PEM-Elektrolyse und in geringerem Kapazität in einem krassen Missverhältnis zu
Maße auch der alkalischen Elektrolyse kann der den Kapazitäten steht, die für eine Versorgung
38Florian Ausfelder und Hanna Dura (Hrsg.): Temperaturdifferenzen vorne und hinten am Stack
Optionen für ein nachhaltiges Energiesystem mit von 50 bis 100°C.
Power-to-X-Technologien - 2. Roadmap des 39 Studie IndWEDe, a.a.O., Abbildung A-1
Kopernikus-Projektes "Power-to-X", erschienen am 40 Ausfelder / Dura, a.a.O., S. 38
31. August 2019 in Frankfurt am Main; Abschnitt 41 Ebenda, S. 42
7.2., Seite 131. Betrachtet wurde der Fall von 42
Ebenda
CENA Hessen, Kompetenzzentrum Klima- und Lärmschutz im Luftverkehr (2021)
Betrachtung und Ausblick der Technologien zur Herstellung von „Power to Liquid“ (PtL)9
der Luftfahrt mit PtL-Kerosin erforderlich sind. dass Elektrolyseure nach zehn bis zwanzig
Laut den Zahlen der Internationalen Energie- Jahren ihre technische Lebensdauer erreicht
agentur (IEA) lag die im Zeitraum 2010-2017 haben und erneuert werden müssen47, ist
durchschnittlich weltweit jährlich neu installierte hierbei noch nicht einmal berücksichtigt.
Elektrolyseurkapazität bei nur etwa 10 MW. Bis
auf einige größere Projekte von Siemens
handelte es sich hierbei ganz überwiegend um 4. Wasserstoffspeicherung
alkalische Elektrolyseure. Im Jahre 2018 war
die neu installierte Kapazität etwas höher, lag Wasserstoff ist unter normalen Umgebungs-
aber immer nur noch bei 20 MW.43 Der Trend bedingungen gasförmig und ist leichter als Luft.
geht hierbei aber klar zu größeren Anlagen; der Eine Speicherung von Wasserstoff unter
aktuell weltgrößte, von Hydrogenics und Umgebungsbedingungen würde daher ein völlig
Cummins44 gebaute und im Januar 2021 von Air unverhältnismäßiges Volumen erfordern. In der
Liquid in Betrieb genommene PEM- Praxis erfolgt daher eine Lagerung des
Elektrolyseur hat eine Kapazität von 20 MW. Wasserstoffes entweder in komprimierter Form
Diese in Becancour (Kanada) stehende Anlage in Drucktanks, oder in Flüssiggastanks unter
hat mithin alleine die gleiche Kapazität wie die stark reduzierten Temperaturen. Für die
gesamte 2018 weltweit neu installierte gegenwärtig genutzten eher geringen Mengen
Kapazität. Die Anlage soll jährlich bis zu 3.000 an Wasserstoff ist diese Art der Lagerung völlig
Tonnen Wasserstoff liefern.45 In Deutschland ausreichend; für die bei einem vollständigen
hat der Linde-Konzern angekündigt, bis 2022 Übergang zu PtL- Kerosin erforderlichen
einen PEM-Elektrolyseur mit einer Kapazität Mengen wäre dies aber sehr aufwändig und mit
von 24 MW in Betrieb zu nehmen.46 einem großen Flächen- und Materialverbrauch
verbunden.
Wie in Kapitel 2 gezeigt, ist selbst bei
ununterbrochener Energieverfügbarkeit eine Die genaue Menge des zwischen-
Stromerzeugungskapazität von 28,5 GW zuspeichernden Wasserstoffs ist abhängig
erforderlich, um den Kerosinbedarf der davon, wie groß die längste zu überbrückende
deutschen Luftfahrt durch PtL-Kerosin zu Periode der Nichtverfügbarkeit regenerativen
decken. Unter realistischeren Annahmen liegt Stroms ist. Bei Einsatz von Solarstrom in einer
die erforderliche Kapazität zwischen 60 und 165 äquatornahen Wüstenregion muss die Wasser-
GW. Da die Elektrolysekapazität entsprechend stofflagerung regelmäßig nur die Nacht-
der Stromerzeugung dimensioniert werden perioden abpuffern. Das System kommt dann
muss, ist auch für die Elektrolyseure eine im Prinzip durchgehend mit einer Lager-
Kapazität von zwischen 60 und 165 GW kapazität für einen halben Tagesbedarf aus,
anzusetzen. Um bis zum Jahre 2050 eine auch wenn in der Praxis eine zusätzliche
entsprechende Kapazität aufzubauen, müssen Bevorratung zur Abdeckung von Extremwetter-
jährlich zwischen 2 und 5 GW lagen (z.B. Sandstürme, Schnee) erforderlich
Elektrolysekapazität neu installiert werden. Dies sein wird.
liegt um den Faktor 100 bis 250 über den
jährlichen Neuinstallationen des Jahres 2018 Bei Einsatz in der Bundesrepublik Deutschland
von 20 MW, wobei sich die 2 bis 5 GW auf den ist von einer kombinierten Versorgung aus
Kapazitätsaufbau zur Deckung des Bedarfs der Solar- und Windstrom auszugehen. Hier sind
deutschen Luftfahrt beziehen, die 20 MW aber die Zeiten abzupuffern, in denen weder Solar-
auf weltweite Neuinstallationen. Der Umstand,
43Mitrova, Tatjana / Melnikov, Yury / Chugunov, 46
Höppner, Axel (2021): Linde baut in Leuna den
Dmitry: The Hydrogen Economy – a path towards weltweit größten Wasserstoff-Elektrolyseur;
low carbon development, Moskau, Juni 2019, S. 47 Handelsblatt 13.1.2021
und Abbildung 13 47 Studie IndWEDe, a.a.O., Abbildung A-3 gibt einen
44
Hydrogenics wurde während der Laufzeit des Wert von zwanzig Jahren an. Mündliche Auskünfte
Projekts durch Cummins übernommen eines Anbieters gaben zehn Jahre für die Stacks,
45 Ebenda und zwanzig Jahre nur für Rahmen und
Peripheriegeräte an.
CENA Hessen, Kompetenzzentrum Klima- und Lärmschutz im Luftverkehr (2021)
Betrachtung und Ausblick der Technologien zur Herstellung von „Power to Liquid“ (PtL)10
noch Windenergie in hinreichendem Maße zur indem man ihn in das Erdgasnetz einspeist, ist
Verfügung steht, was aktuell vor allem im im Falle von PtL nicht nutzbar, da sich der
Februar und gegen Jahresende zu erwarten Wasserstoff dann mit dem Erdgas vermischen
ist48. König / Freiberg / Dietrich / Wörner geben würde. Dies ist unproblematisch, wenn der
die zu speichernde Menge mit 11% der Wasserstoff nur der Energiespeicherung dienen
jährlichen Wasserstoffmenge an, allerdings auf soll; im Falle des PtL-Prozesses aber soll der
Basis einer reinen Offshore-Stromversorgung Wasserstoff stofflich in den weiteren Prozess
ohne teilweisen Ausgleich durch eingehen und darf daher nicht vermischt
unterschiedliche Spitzen der Versorgung mit werden.
Solarstrom.49. Eigene Berechnungen des
CENA auf Basis einer kombinierten Versorgung Eine weitere alternative Lagerungsform ist die
aus Solar- und Windstrom für einen hessischen chemische Anlagerung an andere Substanzen,
Standort ergaben ebenfalls einen aus denen sich der Wasserstoff später wieder
Speicherbedarf in einer Größenordnung von 10 herauslösen lässt. Diese Variante wird z.B. von
bis 15 %. Mitsubishi Hitatchi verfolgt. Sie ist aber mit
deutlichen Energieverlusten verbunden und
Wie in Kapitel 2 berechnet erfordert der Ersatz zielt vor allem auf Anwendungen zum Transport
des gesamten Energiebedarfes des Luft- des Wasserstoffes ab, um die noch energie-
verkehrs eine Stromerzeugung in Höhe von 250 aufwändigere Wasserstoffverflüssigung zu
TWh. Für den anschließenden Elektrolyse- vermeiden.
schritt ist wie in Kapitel 3 dargelegt von
Verlusten in Höhe von 33% auszugehen, so Eine weitere Alternative ist die Lagerung in
dass sich eine erzeugte Menge an Wasserstoff Kavernen, wobei nur solche Kavernen in Frage
von 167 TWh ergibt, die überwiegend sofort kommen, die ausreichend dicht für die
verbraucht wird. Setzt man mit König / Freiberg Lagerung von Wasserstoff sind. Hierzu liegen
/ Dietrich / Wörner die zu speichernde Menge aber bisher keine veröffentlichten Erfahrungen
mit 11% an, so ergibt sich ein Speicherbedarf vor.
von 18,3 TWh. Dies sind 18,3 Milliarden KWh,
und da ein cbm Wasserstoff einen Heizwert von Bei der Lagerung in Stahltanks besteht eine
2,995 KWh50 hat, entspricht dies einem große Spannbreite an technischen
Volumen von 6,1 Milliarden cbm Wasserstoff. In Möglichkeiten, beginnend mit der Lagerung
der Praxis wird sich diese Bevorratung unter atmosphärischen Bedingungen bis hin zu
reduzieren lassen, indem Wartungsereignisse 700 bar-Drucktanks, wie sie in PKW
in diejenigen Zeiten gelegt werden, in denen Verwendung finden, sowie der Verflüssigung
erfahrungsgemäß mit Dunkelflauten gerechnet der Wasserstoffs. Bei den in Euro pro Einheit
werden muss. Dennoch ist klar, dass ein Wasserstoff ausgedrückten Kosten der
Einsatz der PtL-Technologie in großem Stil in Wasserstofflagerung in Stahltanks ist daher von
Deutschland Lagerkapazitäten erfordert, die einer erheblichen Spannbreite auszugehen.51 In
eine Lagerung in konventionellen Tanks der Agora-Studie wurden auf Basis einer
unrealistisch erscheinen lassen. Lagerung in Stahltanks Lagerkosten von 27
Euro pro Kilowattstunde Wasserstoff
Die im Zusammenhang mit dem Übergang zur angesetzt.52 König / Freiberg / Dietrich / Wörner
Wasserstoffwirtschaft gegenwärtig oft geben hingegen unter Verweis auf eine Arbeit
diskutierte Variante, Wasserstoff zu lagern, von Cortogino und Huebner auf Basis einer
48
Stefan Peter: Modellierung einer vollständig auf Präsentation auf dem Jahrestreffen
erneuerbaren Energien basierenden Energieverfahrenstechnik, Bonn, 24. Februar 2015;
Stromerzeugung im Jahr 2050 in autarken, hier: Folie 13
dezentralen Strukturen, München 2013, S. 38; 50 https://de.wikipedia.org/wiki/Heizwert, aufgerufen
Simon Lechleitner, a.a.O., S. 5 20.3.2020
49
Daniel H. König / M. Freiberg / R.-U. Dietrich / A. 51
Eigene Recherchen durch CENA
Wörner: Techno-ökonomische Analyse der 52
Frontier economics, a.a.O., S. 67
Herstellung flüssiger Kohlenwasserstoffe unter
Nutzung von H2 und CO2 aus industriellen Quellen;
CENA Hessen, Kompetenzzentrum Klima- und Lärmschutz im Luftverkehr (2021)
Betrachtung und Ausblick der Technologien zur Herstellung von „Power to Liquid“ (PtL)11
Lagerung in Kavernen Lagerkosten von 0,04 Faktor von rund 675. Eine kürzlich erschienene
Euro pro Kilowattstunde Wasserstoff an. 53 Studie von AFRY im Auftrag von Agora
Ähnliche Werte werden auch in einer kürzlich Energiewende kommt allerdings zu einem
erschienenen Studie von Bloomberg genannt, weniger extremen Faktor von rund 33. 56
wo die Kosten der geologischen Lagerung von Unstrittig ist aber in jedem Falle, dass eine
Wasserstoff mit Werten zwischen 0,23 und 1,90 zukünftige Lagerung von Wasserstoff in großem
USD/Kilogramm Wasserstoff angesetzt Maße in Kavernen stattfinden sollte. Die
werden; dies entspricht Kosten zwischen 0,01 Möglichkeit einer derartigen Lagerung in
und 0,05 Euro pro Kilowattstunde Wasser- Kavernen wird ein wesentlicher Faktor für die
stoff.54 In dieser Studie werden allerdings die lokalen Produktionskosten von Wasserstoff
Kosten der Lagerung in Stahltanks niedriger sein.57
angesetzt als in der Agora-Studie.55 Geht man
Tabelle: Stationäre CO2-Quellen in der Bundesrepublik Deutschland, 2016
CO2-Menge im Jahr
Industrie Anmerkungen
(Mio. Tonnen)
Braunkohlekraftwerke 159 Annähernd kontinuierlicher Betrieb
Steinkohlenkraftwerke 96 Diskontinierlicher Betrieb
Stahlindustrie 57
Mineralölraffinerien 23
Zementindustrie 23
energiebedingt 11 Hoher Anteil alternativer Brennstoffe
rohstoffbedingt 12
Kalkindustrie 8
energiebedingt 5
rohstoffbedingt 3
Ammoniakherstellung 6 Annähernd kontinuierlicher Betrieb
CO2-Prozeßgas 4 Reinheitsgrad 99,5%
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
von dem obenstehend geschätzten
Lagerbedarf von 8,3 TWh zur Deckung des 5. CO2-Bereitstellung
gesamten Bedarfs der Luftfahrt mit PtL-Kerosin
aus, so kostet bei Ansatz der Werte der Agora- Neben Energie und Wasser ist CO2 der dritte
Studie die Lagerung dieser Menge in Stahltanks wesentliche Einsatzfaktor für den PtL-Prozess.
225 Milliarden Euro, bei Lagerung in Kavernen CO2 ist praktisch überall in der Atmosphäre
hingegen nur 333 Millionen Euro, also ein vorhanden, aber nur in einer sehr geringen
53 König / Freiberg / Dietrich / Wörner, a.a.O., Folie 56
Agora Energiewende und AFRY Management
16 Consulting (2021) No-regret hydrogen: Charting
54 BloombergNEF: Hydrogen Economy Outlook –
early steps for H2 infrastructure in Europe, Februar
Key messages; March 30, 2020; hier: S.3 2021, S. 65
55 Ebenda 57
A.a.O, S. 75/76
CENA Hessen, Kompetenzzentrum Klima- und Lärmschutz im Luftverkehr (2021)
Betrachtung und Ausblick der Technologien zur Herstellung von „Power to Liquid“ (PtL)12
Konzentration von 0,04%.58 Diese Konzen- Schwefelverbindungen im Abgas gerechnet
tration liegt um etwa 33% über den CO2-Gehalt werden.
der Atmosphäre in der vorindustriellen Zeit von
ca. 280 ppm59, was als die Hauptursache für die Nur ein relativ geringer Anteil der CO2-
gegenwärtige Erderwärmung gilt. Dennoch ist Emissionen ist rohstoffbedingter Natur, und
der absolute Anteil verschwindend gering, so damit unvermeidlich. Die größte Menge
dass eine direkte Gewinnung aus der derartiger CO2-Emissionen findet in der
Erdatmosphäre den Durchsatz sehr großer Zementindustrie mit etwa 12 Millionen Tonnen
Mengen an Luft erfordert, und daher im Jahr statt. Der Reinheitsgrad derartiger CO2-
entsprechend aufwändig ist. Eine grundsätzlich Emissionen ist tendenziell deutlich höher. Am
einfachere Art der Gewinnung von CO2 ist die größten ist er in der Ammoniakherstellung, wo
Gewinnung aus den Abgasen stationärer das CO2 prozessbedingt fast rein anfällt
Emitter, in denen das CO2 in ungleich größeren (99,5%). Die CO2-Emissionen der Ammoniak-
prozentualen Anteilen enthalten ist. Beide industrie werden allerdings in großem Umfang
Ansätze, sowohl die Gewinnung aus den bereits in den Werken zu Harnstoff weiter-
Abgasen stationärer Anlagen als auch die verarbeitet, eben weil der Rohstoff dort so rein
Gewinne aus der Umgebungsluft, werden anfällt.
gegenwärtig im Rahmen des PtL-Prozesses
untersucht. Als Produkt natürlicher biologischer Zersetzung
fällt CO2 bei Biogasanlagen, der Bioabfall-
vergärung, Kläranlagen und bei der
5.1 CO2 von stationären Emittern Bioethanolherstellung an. Auch dieses CO2 hat
tendenziell einen sehr hohen Reinheitsgrad.
Die folgenden Angaben zu CO2-Emissionen Die absolut jährlich anfallende Menge ist
deutscher stationärer Emitter stammen, sofern allerdings mit insgesamt 3 Millionen Tonnen
nicht anders angegeben, aus der Masterarbeit CO2 eher gering, und entspricht stöchiometrisch
"Ganzheitliche Betrachtung der Kraftstoff- nur etwa dem Kohlenstoffäquivalent einer
erzeugung aus Strom unter Einbeziehung von Million Tonnen Kerosin. Darüber hinaus fällt
CO2-Quellen am Fallbeispiel Deutschland" von dieses CO2 dezentral verteilt auf Hunderte von
Simon Lechleitner, erstellt als Masterarbeit an Anlagen an.
der Hochschule Mittweida 2016.
Insgesamt liegen die rohstoff- oder
Der bei weitem größte Teil der industriellen zersetzungsbedingten CO2-Emissionen bei
CO2-Emissionen entsteht durch die rund 22 Millionen Tonnen im Jahr, was
Verbrennung zur Energiegewinnung, entweder stöchiometrisch etwa 7 Millionen Tonnen
zur Stromgewinnung im Kraftwerk oder zur Kerosin, und damit zwei Drittel des deutschen
Erzeugung von Prozesswärme (z.B. an Kerosinbedarfes entspricht. Die verbrennungs-
Hochöfen oder bei der Glasherstellung). Diese bedingten CO2-Emissionen betragen mehr als
Verbrennungsabgase haben unvermeidlich das Zehnfache.
einen hohen Anteil von Verunreinigungen durch
Ruß, Stickstoff oder andere Produkte Schätzungen der Kosten für die Reinigung von
unvollständiger Verbrennung. Bei Einsatz Industrieabgasen schwanken typischerweise
schwefelhaltiger fossiler Brennstoffe muss auch zwischen 40 und 120 USD/Tonne CO 2.60 In
mit der Präsenz von Schwefel und Euro umgerechnet sind dies bei aktuellen
Wechselkursen zwischen 37 und 111 EUR/
58https://de.wikipedia.org/wiki/Kohlenstoffdioxid_in_
systematic review of carbon capture and storage
der_Erdatmosphäre, aufgerufen 28.2.2020 (CCS) applied to the iron and steel, oil refining and
59 Mahdi Fasihi / Olga Efimova / Christian Breyer:
pulp and paper industreis, as well as other high
Techno-economic assessment of CO2 direct air purity sources, in: International Journal of
capture plants, in: Journal of Cleaner Production Greenhouse Gas Control 61 (2017), S. 71-74; hier:
224 (2019), S. 957 – 980; hier: S. 957 S. 73-76
60
D. Leeson / N. Mac Dowell / N. Shah / C. Petit /
P.S. Fenell: A Techno-economic analysis ans
CENA Hessen, Kompetenzzentrum Klima- und Lärmschutz im Luftverkehr (2021)
Betrachtung und Ausblick der Technologien zur Herstellung von „Power to Liquid“ (PtL)13
Tonne CO2. Diese Kostenaussage gilt nicht für gebunden wird. Ist der Filter voll, wird er auf
bereits sehr reine CO2-Emissionen wie etwa 100°C aufgeheizt, wodurch das CO2 aus
beispielsweise bei der Ammoniakherstellung, der chemischen Bindung gelöst wird und für die
wo der Wert eher mit 30 EUR/Tonne CO2 oder weiteren Prozessschritte zur Verfügung steht. 66
niedriger anzusetzen ist.61 Es ist allerdings nicht Diese erste dieser Anlagen läuft bereits seit Mai
klar, ob die bei diesen Werten unterstellten 2017 mit einer Kapazität zur Gewinnung von
Reinigungsprozesse ausreichend sind, um in 900 Tonnen CO2 pro Jahr.67
allen Fällen ein hinreichend reines Synthesegas
zu produzieren. Sowohl die Fischer-Tropsch- Der Prozess des Aufheizens auf 100°C ist
Synthese als auch die Methanolsynthese tendenziell mit einem zusätzlichen Energie-
stellen sehr hohe Anforderungen an die bedarf verbunden. Wenn allerdings die nach-
Reinheit des Synthesegases, wobei gelagerte Synthese am gleichen Standort
insbesondere Schwefel ein kritisches erfolgt wie die CO2-Gewinnung, so kann die
Katalysatorgift ist, dessen Konzentration im Abwärme des Syntheseprozesses als Wärme-
Falle der Fischer-Tropsch-Synthese62 niedrige quelle verwendet werden.68 Bei Verbindung mit
ppb-Werte nicht übersteigen darf und auch im einer alkalischen oder PEM-Elektrolyse kommt
Falle der Methanolsynthese63 unter 1 ppm auch Abwärme aus der Elektrolyse als
liegen muss. Zu der Reinigung von Industrie- Wärmequelle in Frage.69
abgasen mit anschließender Verwendung des
CO2 zu Syntheseprozessen liegen bisher keine Ein zweites Unternehmen, das seit kurzem
Untersuchungen vor. ebenfalls experimentell eine Anlage für die
Gewinnung von CO2 aus der Atmosphäre
betreibt, ist die kanadische Firma Carbon
5.2 Gewinnung von CO2 aus der Engineering.70 Standort dieser Anlage ist
Atmosphäre Squamish in British Columbia71; die Kapazität
der Anlage liegt bei einer Tonne CO2 pro Tag72.
Die Gewinnung von CO2 aus der Atmosphäre Der technische Ansatz ist ähnlich wie bei
wurde bereits in den Neunziger Jahren im Climeworks, verwendet aber Chemikalien, die
Rahmen eines Projektes des Landes Baden- für die Lösung der Bindung des CO2 eine
Württemberg untersucht64 und gegenwärtig von Erhitzung auf deutlich höhere Temperaturen
verschiedenen Lehrstühlen und Startups erfordern (rund 900°C), was einen
verfolgt. Am weitesten fortgeschritten ist die entsprechend höheren Energiebedarf nach sich
Schweizer Firma Climeworks, die in Hinwil zieht.73 Weitere auf diesem Gebiet arbeitende
bereits zwei entsprechende Anlagen betreibt 65 Unternehmen sind Global Thermostat, die
(Abbildung 2). In diesen Anlagen wird die Luft ähnlich wie Climeworks mit Temperaturen um
durch Pumpen eingesaugt und durch einen 100°C arbeiten,74 und Infinitree75, über deren
Filter geleitet, in dem das CO2 chemisch Technologie wenig bekannt ist.76
61 A.a.O., S. 76 67 Valentin Batteiger / Christoph Falter / Andreas
62 Reinhard Rauch / Hermann Hofbauer / Ulf Sizmann: Prospects and sustainability of large‐scale
Neuling / Martin Kaltschmitt; Biokerosene CO2 provision for synthetic jet fuel production,
Production from Bio-Chemical and Thermo- Vortrag auf dem 9th Carbon Dioxide Utilization
Chemical Biomass Conversion and Subsequent Summit, Reykjavík, 19.10.2017, S.19
Fischer-Tropsch Synthesis, p. 507, in: Martin 68 Frontier economics, a.a.O., S. 62 und 64
Kaltschmitt / Ulf Neuling (Hrsg.): Biokerosene - 69 Fasihi / Efimova / Breyer, a.a.O., S.976
Status and Prospects; Heidelberg 2018 70 https://carbonengineering.com/our-technology/,
63
Specht / Bandi / Elser / Heberle / Maier / Schaber aufgerufen 19.3.2020
/ Weimer: CO2-Recycling zur Herstellung von 71
https://carbonengineering.com/, aufgerufen
Methanol; Endbericht an das Land Baden- 19.3.2020
Württemberg, Juli 2000, S.74 72 Telefonische Auskunft von Carbon Engineering
64
Ebenda am 24.6.2020
65 73 Fasihi / Efimova / Breyer, a.a.O., S. 961/962
https://www.climeworks.com/case-
studies/gebruder-meier/, aufgerufen 28.2.2020 74 A.a.O., S. 962
66 75 Batteiger / Falter / Sizmann, a.a.O.
http://www.climeworks.com/our-technology/,
aufgerufen 28.2.2020 76 Fasihi / Efimova / Breyer, a.a.O., S.960
CENA Hessen, Kompetenzzentrum Klima- und Lärmschutz im Luftverkehr (2021)
Betrachtung und Ausblick der Technologien zur Herstellung von „Power to Liquid“ (PtL)14
Abbildung 2: Anlage von Climeworks zur Gewinnung von CO2 aus der Atmosphäre in Hinwil.
Copyright Climeworks
6. Synthesegasherstellung
Nachteil der Gewinnung des CO2 aus der
Umgebungsluft sind vor allen Dingen die damit Beim typischen PtL-Prozess wird zunächst
verbundenen Kosten, die von Climeworks Wasserstoff erzeugt und dann mit CO2
gegenwärtig auf 600 EUR/Tonne CO2 geschätzt zusammengeführt. CO2 ist aber inert und muss
werden.77 Da für die Produktion von einer für die anschließenden Syntheseschritte in CO
Tonne Kerosin stöchiometrisch 3,15 Tonnen umgewandelt werden. Dieser Prozessschritt
CO2 benötigt werden, entspricht dies 1.890 wird als reverse water gas shift reaction
EUR/Tonne Kerosin. Für die für 2020 bezeichnet. Das Resultat ist dann ein
geplanten, größeren Anlagen wird allerdings mit Synthesegas aus Wasserstoff und CO,
einer Halbierung der Kosten pro Tonne CO 2 idealerweise in einem stöchiometrischen
gerechnet.78 Verhältnis von 2:1.79
Bei der Gewinnung von CO2 aus der Luft hat Abweichend hiervon erfolgen bei der
das CO2 nach Aussagen der Firma Climeworks Hochtemperaturelektrolyse sowie beim StL-
bereits bei ihrem jetzigen Prozess einer Verfahren die Umwandlung von Wasser und
Reinheit von 99,9%. 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
77 79
Telefonische Auskunft von Climeworks, 19.3.2020 Rauch / Hofbauer / Neuling / Kaltschmitt, a.a.O. S.
78
Ebenda 505
CENA Hessen, Kompetenzzentrum Klima- und Lärmschutz im Luftverkehr (2021)
Betrachtung und Ausblick der Technologien zur Herstellung von „Power to Liquid“ (PtL)15
sind die geringeren Konversionsverluste das süd-afrikanische Apartheidsregime und die
verglichen mit dem sequenziellen Vorgehen damit verbundenen Probleme beim Import von
sowie der Umstand, dass die beiden Rohöl in den 80er Jahren. In den hierfür durch
Reaktionen (Elektrolyse und reverse water gas die südafrikanische Firma Sasol (Suid
shift reaction) in einem Reaktor erfolgen, Afrikaanse Steenkool en Olie) errichteten
wodurch sich der apparative Aufwand Fischer-Tropsch-Anlagen wurde erstmals auch
reduziert.80 Kerosin aus Kohle hergestellt.
Mit dem Ende des Apartheidregimes betrieb
7. Synthese und Aufarbeitung zu Kerosin dann Südafrika ab 1999 die luftfahrtrechtliche
Zulassung von Fischer-Tropsch-Kerosin, die
Für die Herstellung von Flüssigkraftstoffen aus zunächst als auf einzelne südafrikanische
Synthesegas sind drei alternative Ansätze Raffinerien beschränkte Sonderregelung durch
bekannt. DefStan85 und 2009 als generelle Zulassung
von der ASTM86 erteilt wurde. ASTM (American
Society for the Testing of Materials) und die
7.1 Fischer-Tropsch-Synthese englische DefStan (Defense Standard
Organisation) geben gemeinsam den in den
Der bekannteste und am weitesten verbreitete meisten Teilen der Welt geltenden Standard für
Ansatz ist die Fischer-Tropsch-Synthese. Kerosin Jet-A / Jet A-1 heraus. Die ersten
Dieses Verfahren wurde bereits 1925 am Genehmigungsverfahren für alternatives, nicht
Kaiser-Wilhelm-Institut für Kohleforschung als aus Rohöl hergestelltes Kerosin liefen über
Verfahren zur Herstellung von Kraftstoffen aus DefStan, aber eine später getroffene Absprache
Kohle entwickelt81, und in darauffolgenden zwischen den beiden Organisationen sieht vor,
Jahrzehnten weiterentwickelt und in großem dass alternatives Kerosin durch ASTM
Maßstab eingesetzt. Von besonderer zugelassen wird und DefStan die Beurteilung
Bedeutung war es im Zweiten Weltkrieg, da ein durch ASTM übernimmt. Die Zulassung durch
Import von Rohöl zur Versorgung der deutschen ASTM ist somit Voraussetzung dafür, dass ein
Raffinerien kriegsbedingt nur begrenzt möglich Kerosin von Fluggesellschaften eingesetzt
war und die Treibstoffversorgung der deutschen werden kann. Sie gilt jeweils für sämtliches
Streitkräfte daher ein Ausweichen auf nach einem zugelassenen Verfahren
synthetische Kraftstoffe erforderte.82 Mit der hergestelltes Kerosin. Im Falle von Fischer-
Verfügbarkeit von preisgünstigem Rohöl nach Tropsch bezieht sich die Zulassung auf den
dem Ende des Zweiten Weltkriegs war die Schritt vom Synthesegas zum Kerosin und ist
Raffination von Rohöl die kostengünstigere unabhängig davon, ob das als Ausgangs-
Alternative, so dass die Produktion material eingesetzte Synthesegas aus Kohle
synthetischer Kraftstoffe eingestellt wurde.83 oder aus anderen Substanzen gewonnen
Eine Ausnahme war Südafrika, wo beginnend in wurde.87
den 50-er Jahren84 mit dem Aufbau einer
Industrie begonnen wurde, die südafrikanische Obwohl das Fischer-Tropsch-Verfahren
Kohle in flüssige Kraftstoffe umwandelte. Ein ursprünglich für die Umwandlung von Kohle
wesentlicher Faktor für den Ausbau dieser entwickelt wurde, wird es heutzutage vor allem
Industrie waren das weltweite Embargo gegen für die Umwandlung von Erdgas verwendet,
80 85
Florian Ausfelder und Hanna Dura (Hrsg.): C.A. Moses, G. Wilson, Piet Roeds: Evaluation of
Optionen … S. 38 Sasol synthetic kerosene for suitability as jet fuel;
81 https://de.wikipedia.org/wiki/Fischer-Tropsch-
San Antonio / Sasolburg, December 2003, p. 7
Synthese, aufgerufen 21.3.2020 86
Die ASTM (American Society for the Testing of
82 Ebenda
Materials) erstellt in Koordination mit der
83
Ebenda europäischen DefStan die in in den meisten
84
Rauch / Hofbauer / Neuling / Kaltschmitt, a.a.O. S. Ländern der Welt geltende Treibstoffspezifikation für
498 Kerosin Jet A / Jet A-1.
87
ASTM D7566, Annex 1
CENA Hessen, Kompetenzzentrum Klima- und Lärmschutz im Luftverkehr (2021)
Betrachtung und Ausblick der Technologien zur Herstellung von „Power to Liquid“ (PtL)16
insbesondere in Qatar und in Malaysia88. Der existieren mehrere große Marktteilnehmer mit
Einsatz des Verfahrens für die Konversion von Kenntnissen im Bau von Fischer-Tropsch-
Biomasse wurde verschiedentlich versucht, Anlagen, insbesondere Shell (Partner im Pearl-
zuerst vor rund zehn Jahren durch die Firma Konsortium) und Sasol. Diese Art von Anlagen
Choren89, ist aber bisher nicht geglückt. Als ist allerdings mit sehr hohen Fixkosten
Grund für die Probleme mit Biomasse als verbunden, und lässt sich daher nur im sehr
Feedstock wird in Fachkreisen die größere großen Maßstab wirtschaftlich betreiben. Um
Heterogenität der Biomasse genannt. Zwei auch Feedstock aus kleineren Quellen (z.B.
neuere Anläufe zur Gewinnung von FT-Kerosin einzelnen Biogasanlagen) nutzen zu können,
aus Biomasse werden gegenwärtig durch haben einzelne Forschungseinrichtungen in
Projekte der amerikanischen Firmen Fulcrum Zusammenarbeit mit Startups Verfahren
(Einsatzstoff: Haushaltsabfälle)90 und Red entwickelt, die auf die Nutzung kleiner Quellen
Rocks (Einsatzstoff: Holz)91 gemacht. Als ausgelegt sind. Wesentliche Akteure sind
Produktionsbeginn der Anlagen wird „early hierbei die englische Firma Velocys94 sowie die
2021“ (Fulcrum) bzw. 2022 (Red Rocks) deutsche Firma Ineratec95, eine Ausgründung
angekündigt, wobei diese Daten allerdings aus dem KIT96. Ineratec plant, im Industriepark
bereits mehrere Male verschoben wurden.92 Höchst eine Power-to-Liquid Pionier-Anlage zu
Wenn diese Projekte erfolgreich sind, können errichten, die ab 2022 bis zu 4,6 Mio. Liter/Jahr
die Probleme mit der FT-Verarbeitung von FT-Wachse erzeugen kann.97
Biomasse als gelöst angesehen werden. Zur
Reinheit eines nach dem PtL-Verfahren Beim Fischer-Tropsch-Verfahren wird das
hergestellten Synthesegases liegen bisher Synthesegas mit Hilfe von Eisen- oder Kobalt-
keine veröffentlichten Erfahrungen vor. Da der katalysatoren98 in Wachse mit sehr
elektrolytisch erzeugte Wasserstoff chemisch unterschiedlicher Kettenlänge umgewandelt,
rein ist, ist davon auszugehen, dass in diesem wobei die Verteilung der Länge der
Fall die Herkunft und die Reinigung des CO2 Kohlenwasserstoffketten in gewissem Umfang
bestimmend für die Reinheit sind. eingestellt werden kann.99 Die weitere
Aufarbeitung der Wachse zu Flüssigkraftstoffen
Das Fischer-Tropsch-Verfahren ist ein erfolgt dann durch Isomerisierung und
etabliertes, bereits in sehr großem Maßstab Hydrocracking.100 Alternativ ist es auch
industriell eingesetztes Verfahren. Die technisch möglich, die Fischer-Tropsch-
gegenwärtig weltweit größten Fischer-Tropsch- Wachse als Feedstock in einer konventionellen
Anlagen sind die des Pearl-Konsortiums in Raffinerie einzusetzen; dieser Prozess wurde
Qatar mit einer jährlichen Produktion von mittlerweile durch ASTM zugelassen.101
Flüssigkraftstoffen von 95 Millionen Tonnen, zu
deren Bau Investitionen in Höhe von 24
Milliarden USD erforderlich waren93. Es
88
https://de.wikipedia.org/wiki/Fischer-Tropsch- https://wirtschaft.hessen.de/presse/pressemitteilung
Synthese, aufgerufen 21.3.2020 /klimaschutz-im-luftverkehr
89 98
https://de.wikipedia.org/wiki/Choren_Industries ASTM D7566, Annex 1
90 99
http://fulcrum-bioenergy.com/facilities/ Rauch / Hofbauer / Neuling / Kaltschmitt, a.a.O.,
91
https://www.redrockbio.com/technology.html S. 532 - 535
100
92
Verfolgung der Ankündigungen auf den Bullerdiek, N.; Buse, J.; Dögnitz, N.; Feige, A.;
Webseiten der Unternehmen Halling, A.-M.; Hauschild, S.; Hawighorst, P.;
93
https://en.wikipedia.org/wiki/Pearl_GTL Kaltschmitt, M.; Kuchling, T.; Kureti, S.; Majer, S.;
94 https://www.velocys.com/technology/ Marquardt, C.; Müller-Langer, F.; Neuling, U;
95
https://ineratec.de/technologien/, aufgerufen Oehmichen, K.; Pechstein, J.; Posselt, D.;
28.2.2020 Scheuermann, S.; Schripp, T.; Stein, H.; Zschocke,
96 https://ineratec.de/unternehmen/, aufgerufen A. (2019): Einsatz von Multiblend-JET-A-1 in der
28.2.2020 Praxis. Zusammenfassung der Ergebnisse aus dem
97 Pressemitteilung des Hessischen Ministerium für Modellvorhaben der Mobilitäts- und
Wirtschaft, Energie, Verkehr und Wohnen vom Kraftstoffstrategie. DBFZ Deutsches Biomassefor-
27.1.2021, schungszentrum gemeinnützige GmbH, Leipzig,
hier: Kapitel 11.1
101
ASTM D1655
CENA Hessen, Kompetenzzentrum Klima- und Lärmschutz im Luftverkehr (2021)
Betrachtung und Ausblick der Technologien zur Herstellung von „Power to Liquid“ (PtL)Sie können auch lesen
