Synthetische Kraftstoffe

Interviews mit Expert*innen zur Erzeugung von synthetischem Erdgas, der Rolle von Methanol und Katalysatoren
27.11.2019

Unser Brennstoffzellensystem kann die CO₂-Emissionen der Bordstromversorgung um ein Viertel reduzieren

Oliver Zöllner vom Oel-Waerme-Institut gGmbH, Aachen über seine Forschung

 

Woran forschen Sie?
Wir forschen an einem auf Diesel basierenden Brennstoffzellensystem zur Bordstromversorgung von Schiffen. Die Hauptaufgabe des Oel-Waerme-Instituts ist die Entwicklung des Prozessgaserzeugers, der den Dieselkraftstoff mittels Dampfreformierung in ein wasserstoffreiches Gas umwandelt. Dieses kann anschließend in einer Hochtemperaturbrennstoffzelle direkt zur Stromerzeugung genutzt werden. Der Prozess funktioniert, das haben wir in Laborversuchen und in einer Pilotanlage nachgewiesen. Es gibt aber noch Herausforderungen, die wir meistern müssen, wie die Verlängerung der Lebensdauer des eingesetzten Katalysators und die die Steigerung des elektrischen Wirkungsgrades des Gesamtsystems.

Welche Verbesserungen bringt dies für die maritime Branche?
Die internationale Seeschifffahrt ist für ca. 2,6% der weltweiten CO2-Emissionen verantwortlich und belastet zudem die Luft in Hafengebieten mit Feinstaub und Stickoxiden. Das von uns entwickelte Brennstoffzellensystem kann, im Vergleich zur Bordstromversorgung mit Dieselgeneratoren oder Gasturbinen, die CO2-Emissionen um ein Viertel und den Ausstoß von Luftschadstoffen um 99% reduzieren. Es trägt damit zur Erreichung der Klimaschutzziele bei und kann zudem die Luftqualität in Hafengebieten deutlich verbessern. Die Nutzung von Diesel als Energiequelle ermöglicht eine einfache Nachrüstung des Systems. Die Schaffung einer Wasserstoffinfrastruktur in Häfen sowie die Installation von Wasserstofftanks auf Schiffen ist daher aus unserer Sicht nicht notwendig. Der Betrieb des Systems ist prinzipiell auch mit synthetischen Kraftstoffen möglich, ohne die eine Dekarbonisierung der Schifffahrt derzeit unwahrscheinlich ist.

Was fasziniert Sie daran?
Im Hinblick auf die Klimaschutzziele fokussieren sich die Bemühungen der Politik zurzeit vor allem auf den Elektrizitätssektor. Die Konzentration auf die Elektrifizierung gilt auch für den Verkehrs- und Wärmebereich. Im Schifffahrtsbereich erscheint eine Abkehr von flüssigen Kraftstoffen aufgrund ihrer hohen Energiedichte jedoch sehr unwahrscheinlich. Hier kann aber mit innovativen energie-effizienten Konzepten auf Basis flüssiger Energieträger ein erheblicher Beitrag zur Minimierung von Umweltauswirkungen erreicht werden.

Was wird in Ihrem Forschungsbereich wichtig in den nächsten fünf Jahren?
Die internationalen Ziele zum Klimaschutz finden nun Umsetzung in der nationalen Gesetzgebung. Effizienztechnologien und klimaschonende Energieträger sind unerlässlich um die Klimaschutzziele zu erreichen. Wir sind davon überzeugt, dass flüssige Energieträger aus synthetischen und biogenen Quellen in den nächsten Jahren einen wesentlichen Beitrag zum Klimaschutz leisten werden. Sowohl auf der Produktionsseite, als auch auf der Anwendungsseite besteht noch ein großer Forschungs- und Entwicklungsbedarf.

Was werden Sie nie gefragt, würden Sie aber gerne mal sagen?
Insbesondere Hafenstädte sehen sich im Kontext der Luftreinhaltung mit zunehmendem Handlungsdrang bezüglich Feinstaub und Stickoxiden konfrontiert. Hafeninterne Vorgaben, die vor allem die Bordstromversorgung betreffen, werden daher in naher Zukunft vielerorts in Kraft treten. Hierfür wird unser System flüssigen Energieträgern mit hoher Energiedichte auch bei strengsten Vorgaben ermöglichen, eine tragende Rolle zu spielen.

Mich fasziniert der große Hebel, den Schiffskraftstoffe in Bezug auf den Klimaschutz bieten

Thilo Jürgens-Tatje M.Sc. (Technische Universität Hamburg) über seine Forschungen zu Methanol

 

Woran forschen Sie?
Wir untersuchen, welche Anpassungen im Schiffbau und in der Hafeninfrastruktur durch den Wechsel zu klimaneutralen Schiffskraftstoffen notwendig sein werden. Unser Fokus liegt dabei auf regenerativ-synthetisch erzeugtem Methanol. Dabei beleuchten wir die gesamte Bereitstellungskette von der Anlieferung in den Hafen, über den Bunkervorgang und das Kraftstoffsystem an Bord bis zum Motor.

Welche Verbesserungen bringt das (für die maritime Branche)?
Damit die klimaschädlichen Emissionen im Verkehrssektor so schnell wie möglich gesenkt werden können, ist die Suche nach technischen und politischen Lösungen in allen Verkehrssparten dringend notwendig. Im Bereich Schienen- und Straßenverkehr sehen wir inzwischen Lösungsansätze, die sich durch eine fortschreitende Elektrifizierung durch Batterie und Oberleitung abbilden. Auch im wasserseitigen Kurzstreckenverkehr finden sich in der letzten Zeit vermehrt hybrid- und vollelektrische Schiffsneubauten. Ganz anders sieht es aktuell im wasserseitigen Langstreckenverkehr aus. Dort gibt es bis heute keine vollständig realisierte klimaneutrale Lösung. Hier setzen die regenerativ synthetisch erzeugten Kraftstoffe an. Durch sie wird eine komplette Defossilisierung der maritimen Industrie technisch möglich.

Was fasziniert Sie daran?
Besonders fasziniert mich der große Hebel, den Schiffskraftstoffe in Bezug auf den Klimaschutz bieten. Der Anteil des internationalen Seeverkehrs an den weltweiten klimaschädlichen Emissionen liegt bei ca. 2,2 %. Das klingt zunächst sehr wenig. Verglichen mit den gesamten Emissionen eines großen Industrielandes wie Deutschland, das etwa einen Anteil von 2,3% trägt, erscheinen diese Emissionen dann aber doch sehr erheblich. Im Seeverkehr ließe sich mit der Umstellung auf klimaneutrale Kraftstoffe also durch nur eine, wenn auch extrem tief greifende, Maßnahme sehr viel erreichen.

Was wird in Ihrem Forschungsbereich wichtig in den nächsten fünf Jahren?
Wichtig ist es vor allem, welche Rahmenbedingungen durch die internationale Politik geschaffen werden. Keiner der aktuell diskutierten klimaneutralen Kraftstoffe ist ohne politisches Eingreifen konkurrenzfähig gegenüber konventionellen Schiffskraftstoffen wie Diesel oder Schweröl. Ohne wirtschaftliche Vorteile werden Schiffsbetreiber jedoch kaum auf klimaneutralen Kraftstoff umsteigen.

Was werden Sie nie gefragt, würden Sie aber gerne mal sagen?
Müssten wir den Seeverkehr in der Energiewende und der Sektor Kopplung stärker berücksichtigen?
Ja! Für die Bereitstellung klimaneutraler Kraftstoffe im Seeverkehr wird enorm viel elektrische Leistung benötigt. Um diese Leistungssteigerung im Stromnetz stemmen zu können, müssen wir noch viel massiver in Kraftwerke auf Basis erneuerbarer Energien investieren und für alle stromverbrauchenden Anwendungen radikal die effizientesten Lösungen einsetzen. Das bedeutet beispielsweise anzuerkennen, dass die klimaneutralen Kraftstoffe, die besonders ineffizient sind, nur dort eingesetzt werden sollten, wo es derzeit keine technische Alternative gibt: im See- und Luftverkehr.

Das öffentliche Erdgasnetz bietet eine Infrastruktur für Transport und Verteilung des synthetischen Erdgases

Philip Schmit (Fakultät für Ingenieurwissenschaften, Hochschule für Technik und Wirtschaft des Saarlandes) über BEST – ein Biotechnologisches Verfahren zur Erzeugung von synthetischem Erdgas

 

Woran forschen Sie?
Wir haben am Institut für Technologietransfer FITT der htw saar mit dem BioEnergySTorage (BEST)-Prozess ein Verfahren entwickelt, in dem Mikroorganismen CO2 zusammen mit Wasserstoff zu synthetischem Erdgas (SNG) umwandeln. Das CO2 kann in dem Prozess aus Emissionen industrieller Prozesse stammen und zugleich dazu beitragen, CO2-Emissionen zu senken. Bei der Nutzung des synthetischen Erdgases, z.B. als Liquified Natural Gas (LNG), in der maritimen Branche wird nur so viel CO2 freigesetzt, wie zuvor durch die Organismen im Methan gebunden wurde. Da die Nutzung von synthetischem Erdgas fossiles Erdgas ersetzt, erfolgt die Nutzung von SNG/LNG als CO2-neutraler Energieträger.

Welche Verbesserungen bringt das (für die maritime Branche)?
Die Nutzung von LNG ermöglicht eine signifikante Reduzierung der Emissionen von Schwefel- und Stickstoffverbindungen. Wenn wir synthetisches Erdgas verwenden, wird die Nutzung darüber hinaus CO2-neutral. Das synthetische Methan kann gleichermaßen zum Antrieb wie auch zur Stromgewinnung an Bord von Schiffen verwendet werden.

Was fasziniert Sie daran?
Mit dem öffentlichen Erdgasnetz steht bereits eine Infrastruktur für den Transport und die Verteilung des synthetischen Erdgases zur Verfügung. Dieses muss also nicht unbedingt im Hafen produziert und direkt auf den Schiffen genutzt werden. Es kann an beliebigen Standorten (z.B. in der Nähe großer CO2-emittierender Industriebetriebe) erzeugt werden, an denen geeignete Bedingungen herrschen. Die Herstellung des Wasserstoffs in der Elektrolyse kann dabei zusätzlich so erfolgen, dass das elektrische Netz gezielt entlastet oder erneuerbare Energie unmittelbar zur Gewinnung des SNG genutzt wird.

Was wird in Ihrem Forschungsbereich wichtig in den nächsten fünf Jahren?
Die BEST-Technologie wird derzeit im halbtechnischen Maßstab erprobt. In den kommenden Jahren wollen wir den Prozess in großtechnischem Maßstab umsetzen. Entscheidend dafür wird sein, dass die Rahmenbedingungen geschaffen werden, dass CO2-neutrale Technologien gegenüber herkömmlichen Technologien wirtschaftlich konkurrenzfähig werden. Dazu braucht es auch den Mut der Anwender, innovative und nachhaltige Technologien einzusetzen und „BEST-practice“ Modelle zu erproben.

Was werden Sie nie gefragt, würden Sie aber gerne mal sagen?
Wenn die CO2-Emissionen weltweit und nachhaltig gesenkt werden sollen, um den Klimawandel auf ein akzeptables Niveau zu begrenzen, müssen kohlenstoffbasierte Energieträger nicht in jedem Prozess unmittelbar vor Ort vermieden werden. Entscheidend ist vielmehr, dass die Summe der Emissionen durch die Verwertung fossiler Energieträger aller Sektoren, Staaten und Prozesse gesenkt wird. Auf den maritimen Sektor übertragen bedeutet dies, dass ein CO2-neutraler Einsatz von LNG in der Schifffahrt auch möglich ist, wenn Rückgewinnung von CO2aus leichter zugänglichen Prozessen an Land erfolgt und das Erdgas über das Erdgasnetz in die Häfen transportiert wird.