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Synthetische Kraftstoffe: das solltest du wissen
27. April 2021
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Synthetische Kraftstoffe: das solltest du wissen

Fossile Energieträger wie Erdöl und Erdgas sind endlich und können nicht bis in alle Ewigkeit die einzige Grundlage für Kraftstoffe motorisierter Fortbewegungsmittel sein. Der technische Fortschritt ermöglicht zwar, dass neue Erdölvorkommen erschlossen werden, doch die flexible Mobilität der Zukunft ist von der Entwicklung von regenerativer Energie abhängig.

Im Rahmen des Pariser Klimaschutzabkommens haben Staaten weltweit beschlossen, Schadstoffemissionen zu reduzieren und damit die Klimaerwärmung auszubremsen. Um diese Ziele zu erreichen, kristallisierte sich neben den Schlüsseltechnologien von Elektro- und Wasserstoffantrieben eine weitere vielversprechende Möglichkeit heraus: die Nutzung synthetischer Kraftstoffe. Was sich dahinter verbirgt, erklären wir im folgenden Beitrag.

Was sind synthetische Kraftstoffe?

Im Gegensatz zu fossilen Kraftstoffen werden synthetische Kraftstoffe, auch E-Fuels genannt, mithilfe erneuerbarer Energien, Kohlendioxid und Wasser hergestellt. Ihre chemische Struktur gleicht der von herkömmlichem Diesel und Benzin, sie könnten theoretisch also bereits in modernen Verbrennungsmotoren eingesetzt werden. Ihre Herstellung ist allerdings noch sehr aufwendig.

Als Grundlage für E-Treibstoffe dient Wasserstoff. Per Elektrolyse wird Wasser zunächst in Sauerstoff und Wasserstoff gespalten. Dieser Vorgang benötigt große Mengen an elektrischen Strom und soll daher aus rein erneuerbaren Energiequellen wie Photovoltaik-, Windkraftanlagen oder Gezeitenkraftwerken stammen, um eine weitgehend CO2-neutrale Wasserstofferzeugung zu ermöglichen.

Um aus Wasserstoff synthetischen Kraftstoff herzustellen, muss im nächsten Schritt eine Bindung mit Kohlendioxid hergestellt werden. Dieser lässt sich beispielsweise aus Biomasse – als Abfallprodukt verschiedener Industrieprozesse – oder im besten Fall direkt aus der Umgebungsluft gewinnen. Somit kann tatsächlich aus dem Treibgas CO2 und Wasser ein Kraftstoff für moderne Verkehrsmittel hergestellt werden, der Verbrennungsmotoren quasi klimaneutral machen würde.

Wie effizient sind synthetische Kraftstoffe?

Synthetische Kraftstoffe sind zwar weitgehend CO2-neutral, liegen in ihrer Effizienz allerdings deutlich hinter einem reinen Elektroantrieb. Grund hierfür sind die zahlreichen und aufwendigen Schritte bei der Kraftstoffherstellung, insbesondere der energieintensiven Gewinnung von Wasserstoff. Am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) wird derzeit in einem Forschungsprojekt untersucht, wie der Wirkungsgrad von E-Fuels erhöht werden kann.

In der Theorie könnte die Effizienz wohl auf bis zu 60 Prozent gesteigert werden, die Praxis ist davon allerdings noch weit entfernt. Zum Vergleich: Ein Elektromotor hat einen Wirkungsgrad von etwa 70 bis 80 Prozent. Selbst nach Einbeziehung der Ladeverluste und der Strombereitstellung liegt der Wert noch bei ungefähr 64 Prozent. Synthetische Kraftstoffe liegen aktuell bei ca. 15 Prozent Wirkungsgrad. Das Institut für Klima, Umwelt und Energie der Universität Wuppertal fand zudem heraus: Die Menge an Strom, die notwendig ist, um mit E-Treibstoffen eine Strecke von 100 Kilometern zu absolvieren, reicht für 700 Kilometer bei Autos mit reinem Elektromotor.

Was kosten synthetische Kraftstoffe?

Aktuell ist die Herstellung von synthetischen Kraftstoffen sehr aufwendig und somit auch sehr teuer. Mit heutigen Produktionsverfahren läge der Preis je Liter bei etwa 4,50 Euro. Die Produktionsmengen bewegen sich derzeit auf Forschungsniveau, doch klar ist schon jetzt: Die breite Akzeptanz von E-Fuels wird vom Preis abhängen.

Einen sehr hohen Anteil an den Herstellungskosten nimmt der Strompreis ein, der in Deutschland mit durchschnittlich 31,81 Cent je Kilowattstunde im internationalen Vergleich weit oben eingeordnet ist. Durch einen konsequenten Wechsel auf erneuerbare Energien könnte der Strompreis jedoch einen Abwärtstrend erfahren, sodass Studien von einem zukünftigen Literpreis zwischen 1,00 und 1,40 Euro (zuzüglich Steuern) für synthetischen Kraftstoff ausgehen.

Vorteile von E-Fuels

Trotz ihres bislang geringen Wirkungsgrads und der gleichzeitig hohen Herstellungskosten gibt es einige Gründe, die für E-Fuels sprechen. Nutzt man zur Herstellung ausschließlich Strom aus erneuerbaren Energien und CO2 aus der Umgebungsluft, ist die Nutzung des synthetischen Kraftstoffes im Grunde klimaneutral. Darüber hinaus verbrennt er nahezu rußfrei und das vom Fahrzeug ausgestoßene CO2 könnte letztendlich wieder für die Herstellung des E-Treibstoffes genutzt werden. Somit schließt sich ein Kreislauf für die Herstellung und die Verwendung eines klimafreundlichen Kraftstoffes.

Strom für die Herstellung von synthetischen Kraftstoffen soll ausschließlich über erneuerbare Energien gewonnen werden (Bild: iStock)

Ein weiterer wichtiger Aspekt ist die chemisch-strukturelle Ähnlichkeit von synthetischem Diesel oder Benzin mit dem fossilen Pendant. So kann er ebenfalls in die Brennräume von Verbrennungsmotoren eingespritzt und dort verbrannt werden, sodass an den gängigen Technologien von Verbrennungsmotoren nur wenige bis keine Änderungen vorgenommen werden müssen. Für die Fahrzeughersteller lohnt sich das ebenso, denn für die bereits etablierte Motorentechnik moderner Fahrzeuge müssten keine grundlegenden Neuentwicklungen angestoßen werden. Auch die vorhandene Tankstellen-Infrastruktur könnte weiterhin genutzt werden – für Fahrzeughalter würde der Kraftstoffbeschaffung also nicht schwieriger werden.

Damit hat synthetischer Kraftstoff im Vergleich zu Elektro- oder Wasserstoffantrieben einen weiteren Vorteil: die Transport- und Lagerungsmöglichkeiten. Wie auch fossiler Kraftstoff können E-Fuels einfach transportiert und in großen Tanks in Raffinerien und Tankstellen über längere Zeit gelagert werden. Bei Wasserstoff sind die Auflagen aufgrund der hohen Explosionsgefahr deutlich strenger, weshalb Lagerung und Transport hier signifikant teurer sind. Da ist es auch nicht verwunderlich, dass es aktuell lediglich 92 Wasserstofftankstellen in ganz Deutschland gibt, von einem flächendeckenden Ausbau kann also noch nicht die Rede sein.

Nicht nur Wasserstofffahrzeuge, auch reine Elektroautos haben mit einer erschwerten Energieversorgung zu kämpfen. Laut der Bundesnetzagentur waren am 1. März 2021 35.076 Normalladestationen und 5.730 Schnellladestationen in Betrieb, demgegenüber steht ein Bestand von knapp 600.000 Fahrzeugen mit reinem Elektro- oder Plug-In-Hybridantrieb. Beim Einsatz von E-Fuels hingegen kann das Thema Tanken, auch für längeren Strecken, sorgenfrei behandelt werden.

Bestimmen E-Treibstoffe die Zukunft?

Synthetische Kraftstoffe stellen neben reinem Strom und Wasserstoff eine interessante und vielversprechende Energiequelle für unsere zukünftigen motorisierten Verkehrsmittel dar. Aufgrund des aktuellen Aufwands, den die Herstellung der E-Fuels in Anspruch nimmt, werden fossile Kraftstoffe kurzfristig noch nicht abgelöst werden können. Zudem wären die E-Treibstoffe derzeit eindeutig zu teuer für Verbraucher.

Trotzdem: Das Einsparpotenzial an CO2-Emissionen durch den Einsatz von E-Fuels wäre enorm. Forscher gehen davon aus, dass zusätzlich zur Umsetzung der Elektrifizierung durch den konsequenten Einsatz synthetischer Kraftstoffe bis zum Jahr 2050 etwa 2,8 Gigatonnen CO2 eingespart werden können. Daher forcieren nicht nur globale Unternehmen wie Bosch die Entwicklung von E-Fuels, auch die deutsche Regierung setzt finanzielle Anreize, um die Forschung an synthetischen Kraftstoffen weiter voranzutreiben. Das Bundesministerium für Verkehr und digitale Infrastruktur verabschiedete ein Förderprogramm über 1,54 Milliarden Euro für einen Zeitraum von 2021 bis 2024 um die Herstellungsverfahren erneuerbarer Kraftstoffe zu unterstützen.

Aufgrund des im Vergleich zum reinen Elektroantrieb deutlich geringeren Wirkungsgrads erwarten Experten derzeit jedoch nicht, dass sich synthetischer Kraftstoff auf den öffentlichen Straßen als einzige Kraftstoffart durchsetzen wird. Vielmehr bieten sich Einsatzgebiete für E-Fuels an, in denen reine Elektroantriebe aufgrund der Lade- und Speicherumstände nicht sinnvoll eingesetzt werden können: im Schiffs- oder Flugverkehr.

Im Straßenverkehr dagegen könnte die Beisetzung von synthetischem zu fossilem Kraftstoff helfen, die CO2-Emissionen nachhaltig zu senken. Da Ausbau und Entwicklung neuer Technologien nur schrittweise möglich sind, kann der parallele Einsatz von E-Fuels, Wasserstoff- und Elektroantrieben eine effektive Möglichkeit darstellen, zum Klimaschutz beizutragen.

Synthetische Kraftstoffe – die Trendwende in der modernen Mobilität?

Es ist klar, dass wir Erdöl und Erdgas nicht uneingeschränkt über weitere Dekaden hinweg als größte Basis für die Kraftstoffe unserer Verkehrsmittel nutzen können. Die Ressourcen sind endlich und die Menge des durch Verbrennung fossiler Brennstoffe freigesetzten CO2 sind mit den Anstrengungen zur Erreichung globaler Klimaziele nicht vereinbar.

Die Bemühungen um die Etablierung alternativer Antriebstechnologien und Energiequellen, die nachhaltig, klimaneutral und zugleich einfach in ihrer Nutzung sind, sind daher von hoher Bedeutung. Synthetische Kraftstoffe haben das Potential, diese Anforderungen zu erfüllen.

Die Bestrebungen der Forschung, Politik und Industrie sind immens, um synthetische Kraftstoffe massenmarkttauglich zu machen und somit einen weiteren Schritt in Richtung emissionsfreie Mobilität zu gehen. Funktionieren wird das allerdings nur, wenn das Herstellungsverfahren weniger aufwendig und kostengünstiger wird und der Wirkungsgrad der E-Treibstoffe deutlich erhöht werden kann.

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