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Power-to-Liquid: Verfahren, Klimaschutz-Potenzial und Wirtschaft

Zusammenfassung:

  • Power-to-Liquid ("Strom zu Flüssigkeit") beschreibt Verfahren, bei dem flüssige Kraft- und Brennstoffe mithilfe von Strom aus erneuerbaren Energien wie Wind- oder Solarkraft erzeugt werden. Der Strom treibt einen Elektrolyseprozess an, mit dem aus Wasser Wasserstoff gewonnen und zu flüssigen Energieträgern weiterverarbeitet werden.
  • Bei strombasierten Kraftstoffen handelt es sich um sogenannte synthetische Kraftstoffsubstitute, die konventionelles Benzin, Diesel oder Kerosin eins-zu-eins ersetzen können. Zur Herstellung braucht man lediglich Wasser und Kohlenstoffdioxid. Diese Stoffe werden unter Einsatz von Strom in flüssige Kohlenwasserstoffe überführt.
  • In Abhängigkeit von der Kohlenstoffdioxid-Quelle und dem verwendeten Strom-Mix ermöglichen strombasierte Kraftstoffe eine deutliche Reduktion des effektiven Treibhausgasausstoßes im Vergleich zur Nutzung konventioneller Kraftstoffe. Wird Strom aus erneuerbaren Energien eingesetzt und das benötigte Kohlenstoffdioxid der Atmosphäre entnommen, so kann ein quasi-geschlossener CO2-Kreislauf herbeigeführt werden.
  • Insbesondere im Flugverkehr haben strombasierte Kraftstoffe das Potenzial, einen großen Beitrag zur Abkehr von fossilen Kraftstoffen und Einsparung von Treibhausgasemissionen zu leisten.

Umwandlungsprozesse

Strom kann in synthetische Heiz- und Kraftstoffe umgewandlet werden, indem zunächst via Wasserstoffelektrolyse Strom und Wasser in Wasserstoff (und Sauerstoff) umgewandelt wird. In einem zweiten Schritt wird entweder via Methanisierung synthetisches Methan oder via Methanol- bzw. Fischer-Tropsch-Synthese synthetischer Flüsigkraftstoff erzeugt. Methanol- und Fischer-Tropsch-Synthese sind aus technischer Sicht unterschiedliche Prozesse, die Kosten der beiden Prozesse sind jedoch sehr ähnlich.

Wasserstoffelektrolyse

Bei der Wasserstoffelektrolyse werden aus Strom und Wasser Wasserstoff und Sauerstoff gewonnen. Bei der Umwandlung von Strom in Wasserstoff sind Wirkungsgradverluste zu berücksichtigen, die sich nach Technologie der Wasserstoffelektrolyse unterscheiden:

Die Wasserstoffelektrolyse kann mit Niedrigtemperaturverfahren (bei 50 bis 80 Grad Celsius) oder mit Hochtemperaturverfahren (700 bis 1.000 Grad Celcius) durchgeführt werden. Niedrigtemperaturverfahren sind die alkalische Elektrolyse (AEC) und die Protonen-Austausch-Membran-Elektrolyse (PEMEC – Proton exchange membrane electrolysis). Beide Technologien werden kommerziell vertrieben und sind im Vergleich zur Hochtemperaturelektrolyse weit entwickelt. Die PEM-Elektrolyse (siehe auch PEM-Brennstoffzelle) weist etwas höhere Wirkungsgrade als die AEC-Elektrolyse auf.

Die Hochtemperaturelektrolyse (SOEC – Ion-conducting solid oxide electrolysis) befindet sich noch im Entwicklungsstadium und wird zurzeit beispielsweise in der Sunfire-Pilotanlage in Dresden genutzt. Die SOEC-Elektrolyse zeichnet sich durch hohe Wirkungsgrade aus. Ein weiterer Vorteil der SOEC-Elektrolyse ist ein potenziell geringerer Strombedarf im Vergleich zu der Niedrigtemperaturelektrolyse (siehe auch SOFC-Brennstoffzelle).

Methanisierung

Bei der Methanisierung werden aus Kohlendioxid (CO2) und Wasserstoff (H2) Methan (CH4) sowie als Nebenprodukte Wasser (H2O) und Wärme erzeugt. Die Abwärme des Methanisierungsprozesses kann als Input für die Gewinnung von CO2 aus der Luft genutzt werden. Das bei der Methanisierung als Nebenprodukt erzeugte Wasser kann als Input für die Wasserstoffelektrolyse genutzt werden.

Der Prozess der Methanisierung erfolgt heute überwiegend über die katalytische (thermochemische) Methanisierung. Darüber hinaus befindet sich die biologische Methanisierung im Entwicklungsstadium.

Die katalytische Methanisierung erfolgt bei 300 bis 550 Grad Celsius, meist anhand eines Katalysators auf Nickelbasis. Bei der katalytischen Methanisierung ist eine gute Wärmeruckgewinnung möglich. Auch im Stand-by-Betrieb muss sichergestellt werden, dass die Temperatur der Methanisierungsanlage circa 200 Grad Celsius nicht unterschreitet.

Die biologische Methanisierung erfolgt bei 30 bis 70 Grad Celsius mittels Mikroorganismen, die in wässriger Lösung schwimmen. Diese nehmen CO2 und Wasserstoff über die Zellwände auf und wandeln diese in Wasser und Methan um. Die biologische Methanisierung hat einen geringeren Gesamtwirkungsgrad als die katalytische Methanisierung. Zudem werden aufgrund niedriger Methanbildungsraten größere Reaktoren benötigt, als bei der katalytischen Methanisierung, sodass die biologische Methanisierung vor allem für kleine Anlagen geeignet ist.

Methanolsynthese und Fischer-Tropsch-Synthese

Synthetische Flüsigkraftstoffe werden aus Wasserstoff und Kohlendioxid oder Kohlenmonoxid via Methanolsynthese oder Fischer-Tropsch-Synthese hergestellt. Bei der Methanolsynthese wird in einem ersten Schritt aus Wasserstoff und Kohlendioxid oder Kohlenmonoxid Methanol hergestellt. Das Methanol kann entweder direkt verwendet werden oder weiter in synthetisches Benzin, Diesel oder in monomolekulare Kraftstoffe wie OME (Oxymethylenether) oder DME (Dimethylether) umgewandelt werden.

Bei der Herstellung von synthetischen Flüssigkraftstoffen via Fischer-Tropsch-Synthese wird aus Kohlenmonoxid und Wasserstoff ein Roh-Flüssigkraftstoff (CXHYOH) herstellt, der anschließend raffiniert wird. Das Kohlenmonoxid wird aus Kohlendioxid über einen „Reverse Water Gas Shift“-Prozess gewonnen. Grundsätzlich ist das Fischer-Tropsch-Verfahren eine relativ alte Technik, die bereits in großerem Format zur Gewinnung synthetischer Kraftstoffe aus Kohlen eingesetzt wurde.

Schematische Darstellung eines Power-to-Liquid-Kreislaufes (Grafik: Solarenergie-Förderverein Deutschland e.V.)
Schematische Darstellung eines Power-to-Liquid-Kreislaufes (Grafik: Solarenergie-Förderverein Deutschland e.V.)

Klimaschutz-Bedeutung

Power-to-Liquid-Verfahren stellen neben Energieeffizienz und der direkten Nutzung erneuerbaren Stroms einen entscheidenden Beitrag dar, um die im Pariser Abkommen vereinbarten Klimaziele zu erreichen. Die Power-to-Liquid-Technologien sind marktreif und können durch Skaleneffekte rasch effizienter und kostengünstiger werden. Darüber hinaus bieten sie weltweit Potenziale für die Entwicklung neuer Märkte und Wertschöpfungsketten. Power-to-Liquid kann die Lücke bei der Reduzierung der Treibhausgasemissionen schließen, wenn Energieeffizienz und erneuerbarer Strom allein nicht ausreichen.

Vor allem sprechen folgende vier Gründe für die Klimaschutzbedeutung von Power-to-Liquid:

  1. Powerfuels bieten eine klimaneutrale Option für Bereiche, in denen es sonst keine anderen Alternativen zu fossilen Kraft- und Brennstoffen gibt.
  2. Strombasierte Kraftstoffe ermöglichen den weltweiten Transport und Handel von Energie aus Wind und Sonne.
  3. Sie lassen sich langfristig speichern und flexibel in bestehenden Energieinfrastrukturen nutzen. Das kann dazu beitragen, die Transformationskosten der Energiewende geringer zu halten.
  4. Power-to-Liquid-Kraftstoffe können fossile Energieträger im Endverbrauch kurzfristig ersetzen und so die Reduzierung von Treibhausgasemissionen maßgeblich beschleunigen.

Der weltweite Bedarf an Powerfuels könnte nach Studienszenarien des Weltenergierats im Jahr 2050 bei 10.000 bis über 40.000 Terawattstunden liegen. Zum Vergleich: Der Verbrauch von Erdöl und Erdgas betrug 2017 weltweit rund 90.000 Terawattstunden.

Damit Power-to-Liquid-Kapazitäten rechtzeitig zur Verfügung stehen, empfiehlt die Global Alliance, ein branchenübergreifender Zusammenschluss von Unternehmen und Verbänden, den Markt für diese Technologie kurzfristig aufzubauen und die ökonomischen Rahmenbedingungen zu verändern. Gleichzeitig müssten die Steigerung der Energieeffizienz und die direkte Nutzung erneuerbaren Stroms weiter forciert werden.

Wirtschaftliches Potenzial

Power-to-Liquid bzw. Powerfuels bieten verschiedenen Ländern und Unternehmen neue Wertschöpfungspotenziale. Länder, die bisher in hohem Maße auf Einnahmen aus dem Export von Erdöl angewiesen sind, können mit "Liquids from Power" eine nachhaltige Exportalternative aufbauen. Gleichzeitig entsteht für Länder mit guten Sonnen- und Windbedingungen die Chance, neu in den globalen Energiemarkt einzutreten. Beispiele hierfür sind Chile, Marokko oder Südafrika.

Abnehmerländer können mit Power-to-Liquid-Technologien ihre Klimaziele erreichen, ihre Energieversorgung diversifizieren und ihre Energiewende flexibler umsetzen. Als Vorreiter kommen vor allem industrialisierte Regionen mit hoher Energienachfrage und hohen Treibhausgasemissionen infrage, zum Beispiel die EU, die USA, Kanada, Japan und China. Japan hat seine Energiepolitik bereits stark auf Wasserstoff ausgerichtet. Für Anbieter von Power-to-Liquid-Technologien und Know-how eröffnet sich mit strombasierten Kraftstoffen bzw. Powerfuels ein neuer Zukunftsmarkt. Deutschland verfügt zum Beispiel über hohes technologisches und wirtschaftliches Potenzial und hat bislang die größte Zahl an Pilotanlagen aufgebaut.

Weitere Informationen zur Sektorenkopplung

"Power-to-Liquid: Verfahren, Klimaschutz & Wirtschaft" wurde am 17.07.2019 das letzte Mal aktualisiert.