"POWER TO LIQUID" (PTL) - BETRACHTUNG UND AUSBLICK DER TECHNOLOGIEN ZUR HERSTELLUNG VON

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"POWER TO LIQUID" (PTL) - BETRACHTUNG UND AUSBLICK DER TECHNOLOGIEN ZUR HERSTELLUNG VON
Betrachtung und Ausblick der
              Technologien
         zur Herstellung von
      „Power to Liquid“ (PtL)
"POWER TO LIQUID" (PTL) - BETRACHTUNG UND AUSBLICK DER TECHNOLOGIEN ZUR HERSTELLUNG VON
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Betrachtung und Ausblick der Technologien zur Herstellung        Alle Rechte vorbehalten. Die Urheberrechte liegen
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Technologien zur Herstellung von „Power to Liquid“ (PtL).        Begriffe gelten im Sinne der Gleichbehandlung für alle
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                                                                                            Lärmschutz           des (2021)
                                                                                                        im Luftverkehr
Fassung vom 31.03.2021                                            Herausgebers
                                        Betrachtung und Ausblick der Technologienübereinstimmen.
                                                                                   zur Herstellung von „Power to Liquid“ (PtL)
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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)
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                                         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)
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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

                                       CENA Hessen, Kompetenzzentrum Klima- und Lärmschutz im Luftverkehr (2021)
                                  Betrachtung und Ausblick der Technologien zur Herstellung von „Power to Liquid“ (PtL)
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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

                                          CENA Hessen, Kompetenzzentrum Klima- und Lärmschutz im Luftverkehr (2021)
                                     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

                                         CENA Hessen, Kompetenzzentrum Klima- und Lärmschutz im Luftverkehr (2021)
                                    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)
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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)
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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)
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