E-Fuels anstelle von Wasserstoff „Öl der Zukunft“

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Zwei Mineralölverbände brechen Lanze für synthetische Kraftstoffe

„Mitunter gibt es Studien, die haben es wirklich schwer, zum gewünschten Ergebnis zu kommen“, spöttelte bizzenergy am 07.11.2020. Anlass: Die Effizienz strombasierter Kraftstoffe, E-Fuels, alternativer Treibstoffe oder auch von Designer Fuels nähere sich batterieelektrischen Antrieben an, die den Ökostrom direkt nutzen, wenn sie kostengünstig importiert werden. Diese These wollen die zwei Mineralölverbände MWV und UNITI mit ihrer am 26.10.2020 veröffentlichten Studie zu klimafreundlichen Kraftstoffen von Frontier Economics belegen.

So räume die Studie zunächst ein: Zwischen dem Direkteinsatz von Ökostrom in einem reinen Batterieauto und einem mit Verbrennermotor, die strombasierten Kraftstoff nutzen, gibt es einen Effizienzunterschied mit dem Faktor 5,4. Das heißt: Elektroautos, die Ökostrom tanken, sind mehr als fünfmal so effizient unterwegs, als wenn man sogenannte E-Fuels in den Tank füllt. Die Untersuchung kommt aber ausweislich ihrer Medienmitteilung schließlich zu dem Schluss: „Kaum Effizienzunterschied zwischen batterieelektrischen Antrieben und strombasierten Kraftstoffen – Fahrzeuge mit Verbrennungsmotor, die mit klimaneutralen Kraftstoffen angetrieben werden, weisen bei einem gesamtheitlichen Effizienzvergleich für Produktion und Nutzung eine ähnlich gute Energie-Gesamtbilanz auf wie batteriebetriebene Fahrzeuge.

„Die in bisherigen, konventionellen Analysen

Frontier-Untersuchung E-Fuels – Titel

ausgewiesene Effizienz der direkten Nutzung von Ökostrom in batterieelektrischen Pkw von rund 70 Prozent schrumpft in der ganzheitlichen Analyse von Frontier Economics auf 13 bis 16 Prozent,“ so eine Medienmitteilung von MWV und UNITI. „Sie liegt damit in einer vergleichbaren Größenordnung mit Fahrzeugen, die mit Verbrennungsmotor und Erneuerbaren Kraftstoffen betrieben werden. Deren Gesamteffizienz beträgt je nach Szenario 10 bis 13 Prozent“:

Ursache dieser Neubewertung sei, so die beiden Branchenverbände, dass in konventionellen Analysen die extremen Unterschiede der Erträge von Solar- oder Windanlagen je nach Standort „völlig ausgeblendet“ würden. Anders ausgedrückt: Eine Solaranlage an einem durchschnittlichen Standort in Deutschland erzeuge nur rund 40 Prozent der Strommenge pro Jahr, die eine vergleichbare Anlage in Nordafrika produziere. Dieser höhere Stromertrag pro Anlage könne über den Import von Wasserstoff oder synthetischen Kraftstoffen nach Deutschland im Straßenverkehr genutzt werden. Für batterieelektrische Fahrzeuge sei man dagegen weitgehend auf die Erneuerbare Stromerzeugung im Inland angewiesen. „Bisherige Analysen zum Effizienzvergleich von Elektromobilität und Erneuerbaren Kraftstoffen lassen darüber hinaus häufig weitere wichtige energiewirtschaftliche Aspekte außer Acht“, wie aus der Frontier-Studie hervorgehe:

  • „E-Autos müssen auch dann geladen werdenkönnen, wenn die Sonne nicht scheint und der Wind nicht weht. In einem zu 100 Prozent Erneuerbaren Stromsystem wird ein gewisser Anteil des Stroms für Elektro-Fahrzeuge daher auch über den Umweg der Zwischenspeicherung über Wasserstoff oder sogar synthetisches Methan, das dann in Gaskraftwerken wieder in Strom umgewandeltwird, zur Verfügung gestellt werden müssen.
  • Zudem wird häufig nicht berücksichtigt, dass Fahrzeuge zusätzlich Energie zur Kühlung und insbesondere auch zur Heizung des Innenraums benötigen.

Dazu Studienleiter Jens Perner: „Die Studie belegt, dass es bei einer gesamtheitlichen Betrachtung aller relevanten Effizienzkriterien kaum einen Effizienzunterschied zwischen Fahrzeugen mit batterieelektrischen Antriebund solchen Fahrzeugen gibt, die mit klimafreundlichen strombasierten Kraftstoffen angetrieben werden. Der Grund hierfür ist insbesondere in der Importfähigkeit von strombasierten Kraftstoffenzu finden. Das ermöglicht es, hoch ertragreiche Standorte zur Produktion von Wind-und Solarstrom weltweit zu nutzen. Der in konventionellen Studien angeführte Effizienzvorteil von Elektroautos wird vor allem über diese Importfähigkeit von Kraftstoffen weitgehend nivelliert.“

Bedarf an Ökostrom-Anlagen nur unwesentlich höher als bei Elektromobilität

Besonders anschaulich werde das Ergebnis der Studie, wenn man vergleiche, wie viele Wind-und Solaranlagen errichtet werden müssten, um den Energiebedarf eines inländischen Pkw mit durchschnittlicher Jahresfahrleistung zu bedienen: Der Betrieb mit Erneuerbaren Kraftstoffen erfordere rechnerisch eine Solarkapazität von 6 kW in Nordafrika, ein Elektroauto mit 5,7 kW fast ebenso viel PV-Leistung in Deutschland. Bei Windstrom müssten für einen Pkw mit grünen Kraftstoffen 3 kW in Argentinien (Patagonien)*) und 2,3 in Deutschland installiert werden. Es müssten also kaum mehr erneuerbare Stromerzeugungsanlagen für die Mobilitätsvariante des Fahrzeugs mit Verbrennungsmotors im Vergleich zum Batteriefahrzeug gebaut werden, diese aber an anderen, ertragreichen Standorten. Dazu komme, dass in Deutschland nicht 100 Prozent Ökostrom zur Verfügung stehe und dass die Verfügbarkeit von Flächen mit hohen Ökostrom-Potenzialen und geringer Bevölkerungsdichte in Regionen wie Nordafrika oder Südamerika deutlich höher seien als hierzulande, die Kosten der Flächen und die Akzeptanz hürden dagegen niedriger.

„Politik muss alle Optionen für den Klimaschutz einbeziehen“

MWV-Hauptgeschäftsführer Prof. Christian Küchen: „Strom deckt derzeit gut 20 Prozent des deutschen Endenergiebedarfs. Wind-und Photovoltaik-Anlagen tragen ca. 6Prozent zur Bedarfsdeckung bei. Bei allem notwendigen Ausbau dieser Erzeugungsanlagen in Deutschland wird es auch langfristig nicht möglich sein, ohne substanzielle Energieimporte auszukommen. Dafür, dass diese dann erneuerbar sind, müssen jetzt die Weichen gestellt werden. Diese Tatsache zusammen mit den Ergebnissen des vorgelegten ganzheitlichen Effizienzvergleichs machen deutlich, dass eine Festlegung allein auf die batterieelektrische Variante im Straßenverkehr zum heutigen Zeitpunkt ein großer Fehler wäre.“

UNITI-Hauptgeschäftsführer Elmar Kühn: „Konventionelle Effizienzbetrachtungen sind limitiert und irreführend. Sie haben bislang offenbar das Ziel, batterie-elektrische Fahrzeuge als einzige Lösungsoption für eine Defossilisierung darzustellen. Stattdessen sollten alle Technologiepfade zum Klimaschutz im Straßenverkehr verfolgt werden. Vor dem Hintergrund, dass im Jahr 2030 allein hierzulande voraussichtlich weiterhin mehr als 35 Millionen Pkw mit Verbrennungsmotor unterwegs sein werden, ist eine Politik auf Landes-, Bundesebene und der EU gefragt, die alle Optionen zum Klimaschutz im Verkehr einbezieht – einschließlich mit Ökostrom hergestellter Erneuerbare Kraftstoffe. Nur so können die Pariser Klimaziele sicher erreicht werden.“

Vergleiche

bizzenergy: „Bei der Windkraft nimmt die Studie zum Beispiel an, dass in Patagonien oder in Tibet Windanlagen um die 6.500 Stunden laufen können. Zum Vergleich: Offshore-Windräder in der Nordsee kommen im Schnitt auf 4.000 sogenannte Volllaststunden. Der höhere Stromertrag könnte dann, heißt es in der Studie weiter, über den Import synthetischer Kraftstoffe nach Deutschland im hiesigen Straßenverkehr genutzt werden.“

Man habe sich auf die H2-Technologie konzentriert, sagte Studienautor Jens Perner auf Nachfrage, weil für die saisonal „sehr großen“ zu speichernden Energiemengen nach derzeitiger Sachlage „nur chemische Energieträger wie Wasserstoff zur Verfügung stehen“. Dies sei weitestgehend Konsens.

„Der Effizienzbegriff in der klimapolitischen Debatte zum Straßenverkehr“ – Die Studie auf einen Blick

Fahrzeuge mit Verbrennungsmotor, die mit klimaneutralen Kraftstoffen(PtL) angetrieben werden (ICEVs), weisen bei einem gesamtheitlichen Effizienzvergleich für Produktion und Nutzung eine ähnlich gute Energie-Gesamtbilanz auf wie batteriegetriebene Fahrzeuge (BEVs). Das ist das zentrale Ergebnis der vorliegenden Untersuchung. Die in bisherigen, konventionellen Analysen ausgewiesene Effizienz der Nutzung von Ökostrom in BEVs von rund 70% schrumpft in der gesamtheitlichen Analyse auf 13 bis 16% und liegt damit in einer vergleichbaren Größenordnung wie die von Pkw, die mit Verbrennungsmotor und PtL betrieben werden, deren Effizienz je nach Szenario bei 10 bis 13% liegt.

Konventionelle Vergleichsstudien zur Effizienz von Elektromobilität und Erneuerbaren Kraftstoffen lassen wichtige Parameter eines sachgerechten Vergleichs außer Acht.

  • Vor allem wird stets von einem rein inländischen Strombezug sowohl für BEVs als auch für die Produktion synthetischer Kraftstoffe ausgegangen und damit ein wesentlicher Vorteil der importfähigen PtL-Produkte vernachlässigt: Die Möglichkeit internationale Standorte mit hohen Stromerträgen aus Erneuerbaren Energien zu nutzen.
  • Zudem fließen Energieverluste in der Elektromobilität beim Stromtransport, bei der Energiespeicherung und beim Laden sowie der teils erhebliche zusätzliche Energiebedarf zur Klimatisierung der Fahrzeuge (Wärme/Kälte) nicht in die konventionellen Studien ein. In weiteren Szenarien werden die einzelnen Parameter variiert, sodass in bestimmten Fällen mit PtL betriebene Autos sogar eine höhere Effizienz aufweisen können.

Besonders anschaulich wird das Ergebnis, wenn man vergleicht, wie viele Windräder und Solaranlagen errichtet werden müssen, um den jährlichen Energiebedarf eines durchschnittlichen Pkw in Deutschland zu bedienen.

Der Betrieb eines Pkw mit grünem PtL benötigt rechnerisch eine PV-Kapazität von 6 kW in Nordafrika, ein BEV mit 5,7 kW fastebenso viel PV-Kapazität in Deutschland (vgl. Abbildung 2).

Bei der Stromerzeugungaus Wind müssen für einen Pkw mit grünen PtL 3 kW in Argentinien/Patagonien und immerhin 2,3 kW in Deutschland installiert werden. Allerdings ist die Verfügbarkeit von Flächen mit hohen EE-Potenzialen und geringer Bevölkerungsdichte in Regionen wie Nordafrika oder Patagonien deutlich höher als hier zu Lande, die Kosten und Akzeptanzhürden sind niedriger.

Für politische Entscheidungen sollten auch Kosten und Klimawirkung der jeweiligen Antriebsart herangezogen werden. Hierbei erfahren z.B. energetische Verluste und CO2-Emissionen eine Bewertung. So nimmt die Bedeutung der bisher immer wieder herangezogenen technischen Energieeffizienz vor dem Hintergrund großer weltweit verfügbarer Mengen an Ökostrom ab, während die Bedeutung der Bereitstellung klimafreundlicher Energie zur richtigen Zeit am richtigen Ort mit der erforderlichen Leistung massiv an Bedeutung gewinnt.

 

  • Die politische Vorselektion von Antriebstechnologien allein anhand technischer Effizienzbegriffe vernachlässigt weitere Aspekte wie die Verfügbarkeit bestehender Infrastrukturen einschließlich des Fahrzeugbestandes und die Anwenderbedürfnisse.
  • Ebenso ist eine internationale Perspektive wichtig: Importe von Ökostrom als flüssiger grüner Kraftstoff werden essenziell, um bedarfsgerecht und bezahlbar klimaneutrale Energie in Deutschland zur Verfügung zu stellen, sowohl für die Wirtschaft als auch für Verbraucher.
  • Die Untersuchungen zeigen, dass eine zukunftsgerichtete Klimapolitik im Verkehrssektor auf die Nutzung und das Offenhalten aller klimazielkonformen Technologien abzielen sollte. Bei den legislativen Rahmenbedingungen besteht sowohl auf europäischer wie auch auf nationaler Ebene Überarbeitungsbedarf. Dies sollte schnellstmöglich erfolgen, da die Transformation des Energiesystems in Richtung Erneuerbarer Energien angesichts des fortschreitenden Klimawandels zunehmend an Dringlichkeit gewinnt.

Zusammenfassung

Die ambitionierten klimapolitischen Ziele der Bundesregierung1 erfordern erhebliche Reduktionen der Treibhausgasemissionen in allen energieverbrauchenden Sektoren, einschließlich des Verkehrssektors. Die Energieeffizienz von Technologien ist in der aktuellen energiepolitischen Debatte eine wichtige Orientierungsgröße für politische Weichenstellungen. Dies gilt in besonderem Maße für die klimapolitische Bewertung verschiedener Antriebstechnologien im Straßenverkehr (wie batterieelektrische Fahrzeuge und Fahrzeuge mit Verbrennungsmotoren). Im Rahmen der vorliegenden Untersuchung möchten wir bisherige methodische Ansätze zur Bestimmung der Effizienz von Antriebstechnologien im Straßenverkehr prüfen und neue Ansätze zur Effizienzbewertung aufzeigen. Gerade in dieser wichtigen Phase der Transformation des Energiesystems ist eine solide Informations- und Faktenbasis von größter Bedeutung für die anstehenden politischen Richtungsentscheidungen.

Unser Ziel: Eine gesamtheitliche Effizienzanalyse von BEVs und mit PtL angetriebenen ICEVs unter Berücksichtigung aller Erzeugungs- und Energieumwandlungsstufen Ziel der Studie ist es, essenzielle Aspekte einer gesamtheitlichen technischen2Effizienzanalyse von Energiepfaden aufzuzeigen, die bei Erneuerbaren Energien (EE) beginnen und bei der Nutzung in verschiedenen Antriebstechnologien enden. Insbesondere fokussieren wir uns auf EE und den daraus erzeugten Strom, der

  • einerseits in batterieelektrischen Fahrzeugen genutzt wird (BEV-Pfad); und
  • andererseits zu synthetischen Flüssigkraftstoffen (E-Fuels oder Power-to-Liquids (PtL)) weiterverarbeitet wird, mit denen Verbrennungsmotorfahrzeuge angetrieben werden (ICEV-Pfad).

Dabei zeigen wir auf,

  • dass heute oftmals praktizierte Effizienzbetrachtungen (nachfolgend konventionell genannt) limitiert sind und zu Fehlschlüssen führen können, die batterieelektrische Fahrzeuge als einzige Lösungsoption für eine Defossilisierung aufweisen;
  • dass für eine faire Gegenüberstellung von Technologien eine gesamtheitliche Effizienzbetrachtung angewendet werden muss und welche Wertschöpfungsstufen dafür zu berücksichtigen sind; und
  • dass im Ergebnis einer gesamtheitlichen Betrachtung mit PtL angetriebene ICEVs eine ähnliche Effizienz aufweisen wie BEVs, insbesondere da durch die Importfähigkeit der PtL-Produkte EE-Standorte mit hohen Stromertragseffizienzen nutzbar gemacht werden können.

Derzeitige Effizienzanalysen haben eine beschränkte, nationale Perspektive und lassenwichtige Aspekte außen vor Die derzeitige Debatte zur Energieeffizienz basiert zu einem großen Teil auf der Vorstellung einer weitgehend nationalen Energieautarkie unter ausschließlicher Nutzung von inländisch erzeugter Erneuerbarer Energie für alle Verbrauchssektoren. Dieser auf Deutschland fokussierte Blick ignoriert, dass sich PtL-Produkte aufgrund ihrer hohen Energiedichte unter atmosphärischen Umgebungsbedingungen, wie Normaldruck und üblichen Umgebungstemperaturen,ohne großen technischen und energetischen Aufwand über weitere Distanzen transportieren lassen. PtL-Produkte ermöglichen somit, weltweit vorhandene und im Vergleich zu Deutschland deutlich höhere EE-Erzeugungspotenziale nahezu unabhängig von ihrem geografischen Standort nutzbar zu machen. Es ist zweifelhaft, ob eine auf einer konventionellen Effizienzanalyse basierende Vergleichsaussage tragfähig ist: Hierbei bleiben standortspezifische Faktoren der EE-Erzeugung und die damit einhergehende Ertragseffizienz3 der Erneuerbaren Stromgewinnung unberücksichtigt. Für einen fairen Technologienvergleich ist dagegen eine gesamtheitliche Effizienzanalyse über Ländergrenzen hinweg erforderlich. Daneben bleiben in den konventionellen Effizienzanalysehäufig unberücksichtigt:

  • Energieverluste beim Transport;
  • Verluste bei der Energiespeicherung;
  • Ladeverluste bei batterieelektrischen Fahrzeugen; sowie
  • Energiebedarf zur Klimatisierung der Fahrzeuge, insbesondere zur Heizung des Innenraumes bei kühlen Temperaturen.

Bei einer gesamtheitlichen Beurteilung weisen mit PtL angetriebene ICEVs eine ähnliche Effizienz auf wie BEVs,insbesondere da durch die Importfähigkeit der PtL-Produkte EE-Standorte mit hohen Stromertragseffizienzen nutzbar gemacht werden.

Wir berücksichtigen in dieser Studie die in Abbildung 3 illustrierten Aspekte einer gesamtheitlichen Effizienzbetrachtung. Dabei liegt die technische Effizienz von mit Erneuerbarem Strom betriebenen Elektrofahrzeugen und mit grünem PtL betriebenen Verbrennern auf einem ähnlichen Niveau: Abweichend von der in bisherigen konventionellen Analysen ausgewiesenen technischen Effizienz von ca. 70% beträgt die gesamtheitliche Effizienz batterieelektrischer Fahrzeuge ca. 13-16%. Dies liegt in einer ähnlichen Größenordnung wie die gesamtheitliche Effizienz von mit PtL angetriebenen ICEVs von 10 –13% (vgl. Abbildung 4).

Im Ergebnis zeigt sich, dass im Referenzszenario ein BEV und ein ICEV sowohl bei der gesamtheitlichen Effizienz als auch bei der installierten Leistung sehr nahe beieinander liegen. Außerdem ist zu berücksichtigen, dass die Flächenverfügbarkeit in dünn besiedelten Regionen wie Nordafrika deutlich besser ist als in dicht besiedelten Ländern wie Deutschland. Sensitivitätsanalysen bestätigen die geringen Effizienzunterschiede der Referenzszenarien zwischen den Antriebstechnologien.

Die Variation einzelner oder mehrerer Einflussfaktoren führt zu einer weiteren Streuung der Ergebnisse für die gesamtheitliche Effizienz der Antriebstechnologien der Pkw. Variiert werden hierbei

  • neben den Standorten der EE-Erzeugung die Nutzungssituation der Pkw(Stadt/Land),
  • das Nutzungsverhalten der Verbraucher (z.B. Schnellladung vs. Ladung mit Standardgeschwindigkeit bei BEVs),
  • klimatische Bedingungen während der Nutzung (Variationen der Außentemperaturen) und
  • mögliche zukünftige Technologieoptionen (z.B. Wirkungsgrade verschiedener Elektrolyseverfahren)

In bestimmten Sensitivitäts-Konstellationen weisen mit PtL betriebene ICEVs eine höhere Effizienz auf als mit EE-Strom betriebene BEVs. Treiber sind hierbei neben den unterschiedlichen Erträgen der EE-Anlagen (Standort Deutschland bei BEVs, Nordafrika/Südamerika bei ICEVs) der Energiespeicherbedarf, Batterieladeverluste und der energetische Aufwand für die Fahrzeuginnenraum-Klimatisierung.

Über alle Szenarien hinweg betrachtet zeigt sich, dass

  • die Ertragseffizienz der EE-Stromerzeugung die Ergebnisse stark beeinflusst – diese fällt bei ICEVs aufgrund der Vorteile von internationalen EE-Standorten durchgängig höher aus (etwa 75% bis 95%) als bei BEVs, die mit EE-Strom aus Deutschland geladen werden (30% bis max. 40%); und
  • damit die gesamtheitliche Effizienz für BEVs und ICEVs in eine annähernd gleiche Größenordnung rückt (in einen Bereich zwischen ca. 10% und 20%).

Bei der gesamtheitlichen Betrachtung schmilzt der Unterschied in der Gesamteffizienz zwischen ICEVs und BEVs.

->Quellen: