13 E-Fuel-Fragen: Rettung für Benziner und Diesel?

Aber stimmt das? Wo ist der Haken? Was kostet das? Wir haben die 13 wichtigsten Fragen und Antworten zu E-Fuels.

Woraus bestehen E-Fuels?

E-Fuels sind synthetisch erzeugte Treibstoffe. Während fossile Kraftstoffe auf Basis von Rohstoffen entstehen, die vorher aus dem Boden gefördert wurden (Erdöl ist die Basis für Benzin oder Diesel), produzieren große, Raffinerie-ähnliche Anlagen E-Fuels in einem chemischen Produktionsprozess aus anorganischen Bestandteilen. Fossile Brennstoffe und E-Fuels bestehen aus Kohlenwasserstoffen (CH). Allerdings stammt der Wasserstoff (H2) für E-Fuels aus einem Elektrolyse-Prozess, der sich mit grünem Strom betreiben lässt. Solche strombasierten Kraftstoffe tragen daher die Bezeichnung E-Fuels (Electric) oder Power-to-Liquid (PtL). Der Kohlenstoff (C) darin stammt aus CO2, idealerweise aus dem in der Atmosphäre. Das ganze funktioniert auch mit Gas als Endprodukt (Power to Gas), der Sammelbegriff ist Power to X (PtX).

Funktionieren E-Fuels für Diesel und Benziner?

Sowohl Benzin als auch Diesel bestehen aus Kohlenwasserstoffverbindungen (CH). Daher sind beide Kraftstoffe als E-Fuel darstellbar. Aus Wasserstoff und CO₂ lassen sich synthetischer Diesel und synthetisches Benzin herstellen. Beides lässt sich seinem fossilen Pendant beimischen und könnte so die CO₂-Emissionen rechnerisch entsprechend senken.

Auch synthetisches Gas ist machbar. Letzteres entsteht derzeit aber nur in geringen Mengen, vor allem in der Forschung. Nur Audi betreibt in Werlte (Norddeutschland) mit Industriepartnern eine größere Anlage, die klimaneutrales, synthetisches E-Gas produziert. Die Anlage speist das synthetische Gas aber ins Erdgasnetz ein. Die Anbieter verrechnen damit, was Kunden von Audi bzw. des VW-Konzerns in ihren Erdgasfahrzeugen tanken. Das Ganze funktioniert also nur bilanziell. Außer in kleinen Versuchsflotten kommen bislang weder strombasiertes Benzin noch strombasierter Diesel physisch im Verkehr zur Anwendung.

Sind E-Fuels Biokraftstoffe?

E-Fuels sind trotz ihres Nachhaltigkeitsanspruchs keine Biokraftoffe. Die entstehen aus nachwachsenden Rohstoffen wie Mais, Raps, Weizen und Palmöl. Bei ihrer Nutzung entsteht die Menge CO₂, die zuvor in Ihnen gebunden war. Das Problem: Ihre Herstellung braucht Rohstoffe, die auch als Lebensmittel oder Tiernahrung dienen. Biokraftstoffe verursachen zudem erhebliche Umweltprobleme. So wurden und werden in Asien und Südamerika Urwälder für Palmölplantagen gerodet – zwar in erster Linie für Kosmetik und Lebensmittel, aber eben auch für Kraftstoffbeimischungen.

Versuche, Biokraftstoffe im großen Stil aus Abfall, Reststoffen oder auch Algen zu erzeugen, schlugen fehl. Daher der Schwenk auf synthetische Kraftstoffe mit Wasserstoff als Basis. Das hat die bekannten Vorteile: Wasserstoff lässt sich klimaneutral per Elektrolyse von Wasser mithilfe von (regenerativem) Strom herstellen und grundsätzlich gut speichern.

Wofür brauchen wir E-Fuels?

Wenn E-Fuels aus Wasserstoff entstehen und der sich aus grünem Strom erzeugen und danach speichern lässt und wenn Brennstoffzellenautos direkt mit Wasserstoff fahren – wofür braucht man dann E-Fuels? Weil Wasserstoff zwar ganz gut speicher-, aber nur schwer transportierbar ist. Das leichteste Gas im Periodensystem der Elemente lässt sich nur unter hohem Druck oder bei niedrigsten Temperaturen (flüssig) in transportable Volumina pressen. Außerdem ist Wasserstoff extrem flüchtig. Pipelines oder Ähnliches müssen speziell abgedichtet sein.

E-Fuels können hingegen die bestehende Transport- und Distributions-Infrastruktur sowie Tankstellen nutzen. Dank ihrer grundsätzlichen Kompatibilität mit heutigen Verbrennungsmotoren können sie selbst Bestands-Fahrzeuge, Flugzeuge und Schiffe antreiben, die sich damit klimaschonend (weiter)nutzen lassen. Die Energiedichte von E-Fuels entspricht der ihrer fossilen Verwandten. Damit haben sie den gleichen Vorteil gegenüber Akkus: Statt rund 700 kg schwere Batterien mitzuschleppen, reicht ein voller Tank, um mit einem Pkw rund 700 Kilometer weit zu fahren – wie etwa der Mercedes EQS.

Sind E-Fuels CO₂-neutral?

Weil E-Fuels mit Hilfe von Strom aus erneuerbaren Energien, Wasser und CO₂ aus der Luft entstehen, setzen sie im Gegensatz zu herkömmlichen Kraft- und Brennstoffen bei der Verbrennung zwar CO₂ frei, aber nur so viel, wie sie zuvor bei ihrer Erzeugung gebunden haben. In der Gesamtbilanz gelten sie daher als klimaneutral. CO₂ nehmen sie allerdings nur vorübergehend und nur idealerweise aus der Atmosphäre auf – bis zu ihrer Nutzung durch Verbrennung. Nutzt man den auch für E-Fuels nötigen, aus grünem Strom erzeugten Wasserstoff direkt als Energieträger, entsteht hingegen kein CO₂. Sowohl bei der Erzeugung von elektrischer Energie aus Wasserstoff in einer Brennstoffzelle, als auch bei der Verbrennung von H2 in entsprechenden Motoren reagiert der Wasserstoff mit dem Sauerstoff der Umgebungsluft zu Wasser.

Woher kommt das CO2 für E-Fuels?

CO₂ entsteht in der Industrie nicht nur bei der Verbrennung fossiler Energieträger, sondern beispielsweise auch bei der Herstellung von Ammoniak. Dieses CO₂ lässt sich extrahieren und verflüssigt in Flaschen verkaufen und beispielsweise zur Herstellung von sprudelndem Wasser verwenden. Für die Herstellung von E-Fuels sind allerdings beträchtliche Mengen an CO₂ nötig. Diese Menge aus der Atmosphäre zu gewinnen (Direct Air Capture, DAC), wäre überdies klimaneutral. Allerdings ist die Abscheidung von CO₂ aus der Luft energieintensiv und teuer. Eine Studie von 2018 spricht je nach Verfahren von etwa 500 Euro pro Tonne und einem möglichen Zielpreis von 80 bis 100 Euro im Jahr 2030. Hinzu kommt ein großer Flächenbedarf: "Will man alleine 1 Prozent der weltweiten CO₂-Emissionen (350 Mt) mittels DAC abtrennen, wären hierfür um die 400.000 (der in der Studie skizzierten, Anm. d. Red. ) Anlagen nötig – bei 50 Prozent der Emissionen entsprechend 20 Millionen, was von der Anlagenmenge her knapp einem Drittel der derzeitigen weltweiten Automobilproduktion entspräche."

Natürlich ist zur Produktion von E-Fuels nicht annähernd so viel CO₂ nötig, aber um CO₂ im großen Maßstab aus der Atmosphäre gewinnen zu können, scheint noch einiges an Aufwand nötig. Die DAC-Anlagen des Schweizer Unternehmens Climeworks, einer Ausgründung der ETH Zürich, entnimmt der Luft nach eigenen Angaben jährlich 900 Tonnen CO₂. Zum Vergleich: 2019 emittierte der Verkehr in Deutschland gut 14,7 Millionen Tonnen CO₂, 72 Prozent davon entfielen auf Pkw.

Die isländische Firma Carbon Recycling International scheint ausreichende Mengen zumindest aus der Produktion von Koks gewinnen zu können. Zumindest hat ein Joint Venture 2021 in einer Fabrik in China schon 150.000 Tonnen CO₂ verwendet, um zusammen mit grünem Wasserstoff 110.000 Tonnen Methanol herzustellen. Methanol taugt ebenfalls als Treibstoff. Seine Energiedichte ist nur wenig geringer als die von Benzin. Gegenüber fossilem Methanol soll die CO₂-Einsparung 90 Prozent betragen.

Eine vielversprechende CO₂-Quelle zur Herstellung von E-Fuels ist ein frisch patentiertes Produktionsverfahren für Flüssigdünger, beim dem große Mengen hochreines CO₂ ohne großen Energieaufwand entstehen. Wie das geht, lesen Sie hier.

Sind E-Fuels CO2-ärmer als E-Autos?

Grundsätzlich lassen sich E-Fuels CO₂-frei herstellen – wenn der Wasserstoff dafür aus Grünstrom entsteht und man dessen CO₂-Emissionen aus der Herstellung von Solarzellen oder Windrädern vernachlässigt. Bei der Nutzung von E-Fuels wird allerdings das CO₂ wieder frei, das ihre Produktion zuvor gebunden hat. Batterieelektrischen Autos verursachen direkt keine CO₂-Emissionen beim Betrieb, aber die Erzeugung des Fahrstroms ist, ähnlich wie bei E-Fuels, selbst wenn er regenerativ entsteht, nur annähernd CO₂-frei – die Errichtung der Anlagen, die Herstellung von Solarzellen und Windrädern emittiert Treibhausgase.

Trotzdem ist natürlich sowohl bei E-Autos als auch bei E-Fuels wichtig, dass der benötigte Strom aus regenerativen Quellen stammt. Entscheidender Unterschied: Die Erzeugung von E-Fuels braucht ein Vielfaches an Energie. Darum bringen Verbrenner mit E-Fuels, die mit Strom aus dem deutschen Quellenmix (2018) hergestellt sind, keine CO₂-Einsparung.

E-Autos sparen hingegen über die Laufzeit auch CO2, wenn ihr Fahrstrom nicht ausschließlich aus regenerativen Quellen stammt Ein E-Auto wie etwa der VW ID.3 ist gegenüber einem Golf selbst unter aktuellen Bedingungen ab 120.000 Kilometern Fahrleistung CO2-ärmer unterwegs.

Beim Vergleich mit der Nachhaltigkeit von Elektroautos taucht oft der Hinweis auf die hohen CO2-Emissionen und die problematischen Rohstoffe bei der Batterieproduktion auf. Man muss aber festhalten, dass beides auf eine Lebensdauer von etwa 15 Jahren umgelegt wird und reduzierbar ist: Die Fertigung von Akkus geschieht zunehmend mit grünem Strom, der Anteil an Kobalt etwa in Batteriezellen liegt vielfach im Bereich einstelliger Prozentzahlen und das Recycling von Batterien steht erst am Anfang.

Eine aktuelle Studie des ICCT weist im Vergleich der Treibhausgas-Bilanz über den gesamten Lebenszyklus dem E-Auto bei der Produktion sogar weniger Emissionen zu als Brennstoffzellen-Fahrzeugen.

Wieviel Energie braucht die E-Fuels-Herstellung?

Schon die Erzeugung des E-Fuel-Basis-Produkts Wasserstoff ist stromintensiv. Wegen der daraus resultierenden Kosten bezeichnet zum Beispiel Ex-VW-Chef Herbert Diess Wasserstoff als den Champagner der Energiewende. Nicht nur Diess erachtet daher Brennstoffzellen-Pkw als nicht sinnvoll. Manches bei der Berechnung des Energiebedarfs lässt sich nur schätzen, daher gibt es sicher eine gewisse Schwankungsbreite.

Aber im Grundsatz ist klar, dass viele Prozesse mit einem bestimmten Wirkungsgrad die Erzeugung des Strom-Sprits immer ungünstiger machen. Professor Maximilian Fichtner vom Helmholtz-Institut Ulm taxiert den Gesamtwirkungsgrad (well-to-wheel) schon beim Brennstoffzellen-Auto (FCEV) auf nur 15 bis 18 Prozent, beim batterieelektrischen (BEV) auf immerhin 70 Prozent.

Professor Martin Doppelbauer vom Karlsruhe Institut für Technologie (KIT) geht davon aus, dass die Energiebilanz der Wasserstofferzeugung in der Praxis noch ungünstiger wäre als vielfach angenommen. Denn um ausreichende Energiedichte zu erreichen, muss man Wasserstoff ordentlich unter Druck setzen. Doppelbauer rechnet sogar damit, dass die Verflüssigung von Wasserstoff notwendig ist – vor allem auch für die Infrastruktur. Das wäre sowohl erforderlich, um Millionen an Pkw zu versorgen, als auch, um Lkw zu tanken. Bei Lkw müsse man sogar von einer Betankung mit Flüssigwasserstoff ausgehen, denn bei gasförmigem Wasserstoff reiche die Energiedichte nicht für Langstreckenfahrten schwerer Fahrzeuge.

Der rund 90 Kilogramm schwere Toyota-Mirai-Tank beispielsweise nimmt bei 700 bar nur maximal 5,6 Kilogramm Wasserstoff auf, was dem 1,9 Tonnen schweren 5-Sitzer für etwa 650 Kilometer reicht. Flüssig ist Wasserstoff erst ab -253 Grad. Darum ist die Verflüssigung energieintensiv.

Doppelbauer sieht den Wirkungsgrad des Brennstoffzellen-Fahrzeug am unteren Ende der Einschätzung von Fichtner: Nur 15 Prozent der ursprünglichen elektrischen Energie würden in kinetische umgewandelt, das E-Auto sieht er bei 80 Prozent.

Mittelt man auf 15 zu 75 Prozent, kommt beim BEV fünf mal mehr der eingesetzten Energie am Rad an als beim Brennstoffzellenfahrzeug.

Da auch E-Fuels selbst flüssig sind und somit die Verflüssigung von Wasserstoff mitmachen, ist der bei ihrer Herstellung nur ein Ausgangsprodukt. Zur Extraktion von CO₂ und zur Synthese der Kohlenwasserstoffe ist weitere Energie nötig. Darum kommen beim Antrieb mit E-Fuels je nach Schätzungen nur mehr 10 Prozent oder wenig darüber am Rad an. Professor Fichner bezieht sich auf die Ludwig-Bölkow Systemtechnik, die berechnet, dass für die Herstellung von einem Liter E-Diesel aus CO₂ und Wasserstoff 27 kWh Strom nötig sind. Damit fahren selbst große E-SUV mehr als 100 Kilometer weit. Sparsame E-Autos kommen mit der Energiemenge, die im E-Diesel steckt, 10 Mal weiter.

Woher kommt der Strom für die E-Fuel-Produktion?

Die Grundlage für den CO₂-neutralen (oder -armen) Betrieb sowohl von E-Autos als auch von Verbrennern, die mit E-Fuels fahren, ist Strom aus regenerativen Quellen – E-Fuels brauchen wie erwähnt ein Vielfaches an elektrischer Energie. Wollte man alle Autos in Deutschland batterieelektrisch betreiben, bräuchten wir dafür 140 Milliarden kWh. Das ist ungefähr ein Viertel des aktuellen Stromverbrauchs hierzulande.

Wollten wir den Pkw-Bestand mit E-Fuels betanken, bräuchten wir dafür je nach Schätzung eher mehr als eine Billion kWh Strom – zusätzlich. Der Stromverbrauch würde sich also rund verdoppeln. Das ist nicht nur angesichts eines rund 46-prozentigen Anteils erneuerbarer Energiequellen am Strommix utopisch. Darum rechnen die meisten Szenarien mit E-Fuel-Raffinerien an Orten, an denen die Erzeugung großer Mengen Grünstroms denkbar ist, beispielsweise mit Solarstrom aus Algerien und Kuweit oder wie Porsche mit Windstrom aus Patagonien.

Dort ist die Ausbeute von Windrädern und Solaranlagen erheblich besser. So sind in Algerien beispielsweise in einem Jahr rund 1900 kWh (pro kW Peakleistung der Anlage ) zu holen, während dieser Wert in Deutschland je nach Gegend und Sommer um die 1000 kWh schwankt. Das bedeutet also rund den doppelten Ertrag pro Anlage, deren Errichtung ja auch CO₂ emittiert und Geld kostet. In Patagonien soll der Ertrag von Windrädern sogar dreimal so hoch sein wie in Deutschland. Der Strom aus solchen Gegenden ist natürlich kaum mehr zum Beispiel nach Europa zu transportieren. Das geht mit E-Fuels oder Methanol aus grünem Wasserstoff erheblich besser. Weiteren Energieaufwand verursacht allerdings auch der weite Transport von E-Fuels.

Wie teuer sind E-Fuels?

Der hohe Strombedarf bei der Herstellung von E-Fuels schlägt sich im Preis nieder. Stand heute wären für die Herstellung eines Liters synthetischen Kraftstoffs nach Schätzungen des ADAC circa 4,50 Euro aufzuwenden, während ein Liter fossiles Benzin ohne Steuern nur etwa 50 Cent kostet. Porsche-Entwicklungschef Michael Steiner sieht bei entsprechender Skalierung "schon eine Chance, dass die Kraftstoffe irgendwann preislich wettbewerbsfähig sind". Inzwischen pronostiziert Porsche Herstellungskosten von knapp 1,90 Euro. Dazu müssten die unterschiedlichen Kraftstoffarten jedoch eine günstige Besteuerung erhalten. Denn eine Dokumentation des Bundestages geht von einem langfristigen (2050) Herstellungspreis von 1 Euro/Liter Dieseläquivalent aus, wenn bei der Produktion CO₂ aus der Luft zur Verwendung kommt. Der Preis für fossilen Sprit dürfte sich bis dahin auch verteuern, womöglich auf ein ähnliches Niveau. Der Verkaufspreis von E-Fuels wäre dann politisch einstellbar. Dementsprechend wird die CO₂-Bilanz bei der Preisfindung eine zentrale Rolle spielen.

Sind E-Fuels nachhaltig?

E-Fuels verbrennen im Vergleich zu herkömmlichem Benzin und Diesel recht sauber und die grundsätzliche Idee aus grünem Strom Treibstoffe zu machen, die bei ihrer Verbrennung nicht mehr CO₂ emittieren, als sie bei ihrer Erzeugung gebunden haben, klingt nachhaltig.

Weil die CO₂-Emissionen bei der Stromerzeugung auch dann nicht null sind, wenn sie beispielsweise mit Solaranalagen geschieht und weil auch die Anlagen zur Erzeugung der E-Fuels einen CO₂-Abdruck haben, steckt der CO₂-Rucksack der Batterieproduktion von E-Autos bei E-Fuels zu einem kleinen Teil in der Erzeugung des Treibstoffes bzw. der Errichtung der dazu notwendigen Anlagen. Dementsprechend ungünstig wird die CO₂-Bilanz, wenn nicht genug Strom aus regenerativen Quellen vorhanden ist. An der unter "Sind E-Fuels CO2-ärmer als E-Autos" gezeigten Grafik des ICCT lässt sich erkennen, dass mit E-Fuels betriebene Verbrenner nach 150.000 Kilometer doppelt so viel CO₂ emittieren wie ein E-Auto – berechnet mit dem deutschen Strommix von 2018.

Vor allem lässt sich an den Abschätzungen erkennen, dass der Energieverbrauch bei der Herstellung von E-Fuels immens ist. Das ist insofern ein Problem für die Nachhaltigkeit, weil regenerativer Strom weltweit extrem knapp ist.

Weil Energie aus regenerativen Quellen so knapp ist, gilt es nicht nur, sie massiv auszubauen, sondern bis dahin auch ihren Einsatz zur globalen Dekarbonisierung abzuwägen und dort einzusetzen, wo ihr CO₂-Einsparpotenzial am größten ist. Denn es ist weniger entscheidend, wo CO₂ eingespart wird, sondern wie viel. Die E-Fuel-Erzeugung in Chile beispielsweise, wie Porsche sie plant, arbeitet mit enormen Mengen an Windstrom, der sich im windreichen Patagonien gut erzeugen lässt. Die Idee, damit E-Fuels zu synthetisieren und diese nach Europa zu bringen, um sie mit einem Wirkungsgrad von etwa 25 bis 30 Prozent in Verbrennungsmotoren zu verfeuern, muss man allerdings hinterfragen. Vor allem, wenn man bedenkt, dass die aktuell in Chile fossile Energieträger mit fast 70 Prozent den Energiemix dominieren und die Importquoten für Rohöl, Erdgas und Kohle im Jahr 2018 bei 79 bis 98 Prozent lagen.

Ein in Zukunft immer knapperes Gut dürfte auch Wasser sein. Für 1 Kilo Wasserstoff sind laut Professor Maximilian Fichter vom Helmholtz-Institut Ulm 9 Liter Reinstwasser nötig – wenn das beispielsweise in sonnenreichen Wüsten zur Solarstromerzeugung aus dem Meer kommen soll, ist weitere Energie für Entsalzung erforderlich.

In einer vom Umweltbundesamt beauftragten Studie weist das Heidelberger Institut für Energie- und Umweltforschung (Ifeu) darauf und weitere Umwelt-Nebenwirkungen der Erzeugung speicherbarer Energieträger aus erneuerbaren Energien hin.

Speichern E-Fuels Spitzen der Grün-Stromerzeugung?

Bei der Wasserstoffherstellung per Elektrolyse aus grünem Strom spielt die Vorstellung eine große Rolle, dass sich im Wasserstoff Energie der volatilen Stromerzeugung aus Solar- oder Windstrom speichern lässt. Gleiches gilt für E-Fuels. Die oben erwähnte Ifeu-Studie "Systemvergleich speicherbarer Energieträger aus erneuerbaren Energien" erläutert, dass das auch negative Effekte hat: Bei "Versorgung aus nur einer erneuerbaren Erzeugungstechnik können die Elektrolyseure, CO2-Abscheidungsanlagen und die Syntheseanlagen entweder nur mit den Volllaststunden der mit der Anlage verkoppelten Stromquelle aus der erneuerbaren Energie laufen oder es müssen Speicher für Wasserstoff, CO₂ oder Strom verwendet werden".

Der Betrieb der Produktionsanlagen ohne solche Pufferspeicher führt laut der Ifeu-Studie "zu einem erhöhten Treibhauspotenzial der Kraftstoffe, da die Emissionen aus dem Bau der Anlagen über deren Lebensdauer auf eine kleinere Menge an produzierten Energieträgern angerechnet werden. Im Extremfall verdoppelt sich dadurch das Treibhauspotenzial".

Die Umweltwirkungen durch Bau und Betrieb von Speichern hat die Studie nicht betrachtet – verständlich, denn an sich sollen ja eben Wasserstoff bzw. E-Fuels die Puffer sein.

Was sind die Vorteile von E-Fuels?

+ hohe Energiedichte (wichtig für Flugzeuge)

+ für Bestandsfahrzeuge geeignet

+ bestehende Infrastruktur weiterverwendbar

+ schnelle Betankung

+ sauberere Verbrennung als bei fossilem Sprit

+ aus Grünstrom herstellbar

+ Nutzung von Grünstrom-Spitzen

+ gute Transportierbarkeit aus Erzeugergegenden mit hohem Solar- oder Windstrompotenzial

+ weitgehend CO₂-neutral

Was sind die Nachteile von E-Fuels?

- enormer Bedarf an Strom aus regenerativen Quellen

- hoher Investitions- und CO₂-Aufwand für den Bau von Produktionsanlagen

- hoher Wasserbedarf

- nicht lokal emissionsfrei

- CO₂-Abscheidung aus der Luft schwierig