Das Prinzip Hoffnung

E-Fuels gehört die Zukunft – so klingt es aus manchen Veröffentlichungen und Kommentaren heraus. Tatsächlich sind sie kein Zaubermittel, weder für den breiten Verkehr und noch weniger für die Gebäudetechnik. Ihre Stärke liegt eigentlich nur in ihrer Transportfähigkeit aus fernen sonnenreichen Ländern, aus denen wir eventuell Energie importieren müssen, sollte unsere einheimische nachhaltige Erzeugung den Bedarf nicht decken können.

Aktuell entwickelt die Industrie zur Speicherfähigkeit von grüner Elektrizität in zwei Richtungen: Das eine Lager bemüht sich, Wind- und PV-Strom in seiner Ursprungsform zu erhalten, kümmert sich mithin um effizientere Batterien. Das andere Lager will die herkömmlichen Flüssigkeitstanks beibehalten, investiert also in Verfahren zur Verflüssigung des grünen Stroms, zum Beispiel in E-Fuels. Diese Fuels – also Kraft- und Brennstoffe – bestehen aus Wasserstoff, der per Elektrolyse mit regenerativem Strom aus Wasser gewonnen und mit CO₂ (aus der Luft) zu einem dieselähnlichen „Compound“ verschnitten wird. Dieselähnlich heißt, dass die künstliche Synthese tatsächlich eine deckungsgleiche Mischung gestattet, sodass Verbrennungsmotoren keiner Anpassung bedürfen. Die E-Fuels lassen folglich einerseits den direkten Einsatz in Verbrauchern (Motoren, Kessel, Chemische Industrie) zu als auch eine Rückverstromung. Es handelt sich jedoch nicht, wie häufig kolportiert, um einen Wettstreit der Speichertechnologien. Beide ergänzen sich zur Beschleunigung der Energiewende. Die erste Richtung (Batterien) dient der relativ kurzzeitigen Entkopplung von Energieangebot und Bedarf, die zweite (Tank/E-Fuel) der längerfristigen, aber zu allererst jenen Einsatzgebieten, wo nicht das wandernde Elektron, sondern die Molekularverbindung die entscheidende Rolle spielt. Wie etwa in der Mineralölwirtschaft, die mit E-Fuels als Rohöl-Ersatz ein zweites Vorprodukt für verschiedene Einsatzgebiete hat. Der Import von grünem Strom aus Ländern außerhalb des europäischen Verbundnetzes dürfte ebenfalls auf einem Fluid basieren, weil sich das preiswerter und via Schiff versorgungssicherer transportieren lässt als Gase über starre, unflexible Leitungsstrukturen durch zum Teil politisch instabile Länder.

Einen alles erfassenden Königsweg gibt es nicht. Wohl aber Favoriten für die einzelnen Konsumentenbereiche: Die Wärmeversorgung setzt auf die direkte Elektrifizierung mit Hilfe von Wärmepumpen und Batterien. Im Mobilitätsbereich stehen für die zukünftigen Pkw-Flotten die Signale ebenfalls auf „Strom direkt“, dagegen für Schiffe, den Flugverkehr und Lkw-Fernverkehr auf E-Fuels. Generell ist „Strom direkt“ natürlich preiswerter als ein verlustbehafteter und aufwandsintensiver synthetischer Zwischenträger. Für die vollständige Belieferung der direkten Stromnutzer genügte die Hälfte nachhaltiger Stromerzeuger im Vergleich zur Fluidisierung. Für „Strom direkt“ muss aber eine Vielzahl von Abnehmern stromtauglich umgerüstet werden, siehe Mobilität, siehe auch Wärmeversorgung, nur hat die Heizungstechnik nicht das Infrastrukturproblem wie der Verkehr, der nun mal nicht einfach an ein festes Kabel gehängt werden kann, sondern einen transportablen Stromtank benötigt.

Einige Batterie-Entwicklungen

Verfahrenstechnische Erfolge können beide Entwicklungen vorweisen. Batterieseitig heißen die Stichworte Lithium-Ionen, Redox-Flow, Lithium-Schwefel, Natrium-Ionen, Eisenphosphat, um nur einige aufzuzählen. In den meisten Hochleistungsakkus von Handys, Notebooks oder Elektroautos besteht die Kathode aus Graphit und die Anode aus einem Lithium-Kobalt-Gemisch wie Nickel-Mangan-Cobalt (NMC) oder Nickel-Cobalt-Aluminium (NCA). Neben anderen Vorteilen gegenüber herkömmlichen Blei-Akkus – mit Elektroden aus Blei bzw. Bleidioxid und einem Elektrolyt aus verdünnter Schwefelsäure – sind das geringere Gewicht/Volumen respektive die Energiedichte der Lithium-Typen sowie deren höhere Lebensdauer wohl die bemerkenswertesten. Die Kenndaten, wie Zellenspannung, Temperaturempfindlichkeit, Lade- und Entladespannung, der maximal erlaubte Lade- oder Entladestrom und die Beladungsgeschwindigkeit, variieren allerdings bauartbedingt und sind wesentlich vom eingesetzten Elektrodenmaterial und Elektrolyten abhängig.

Unabhängig davon betragen, Stand heute, die Gewichtseinsparungen gegenüber Blei-Elektroden im Mittel in Bezug zur Kapazität bis zu 70 Prozent und die Lebensdauer in Bezug zur Anzahl der Be- und Entladezyklen soll mittlerweile unendlich sein. Dieser letzte Punkt sieht konkret so aus, dass spätestens nach 500 Vollladungen für herkömmliche Autobleibatterien Schluss sein dürfte. Lithium-Ionen-Batterien demgegenüber sollen, je nach Material, bis zu 5.000 Zyklen standhalten und damit den klassischen Stromspeicher um das Zehnfache übertreffen. Mit der höchsten Zyklenfestigkeit trumpfen, laut den Entwicklern, Vanadiumbasierte Redox-Flow-Batterien auf. Demnach vertragen die beinahe unendlich viele Be- und Entladevorgänge.

Frage der Zyklenfestigkeit

Nun sind die verlangten Eigenschaften einsatzabhängig. Die Haustechnik etwa interessiert die Leistungsdichte nur begrenzt. Ob der Akkumulator je 1 kg Gewicht 200 Wh (0,2 kWh) oder 500 Wh aufnimmt, spielt im Heizungskeller nicht die große Rolle – vorausgesetzt, das höhere Volumen und damit der Materialeinsatz verteuern die Batterie nicht unverhältnismäßig. Ebenfalls ist für die Ankopplung an die PV-Anlage oder an das Blockheizkraftwerk (BHKW) die Beladungsgeschwindigkeit kein wesentlicher Faktor. Diese beiden Merkmale stehen dagegen mit im Zentrum der Forschung für die Mobilität, während dort die Lebensdauer zwar nicht in die zweite Reihe rückt, aber verglichen mit der Bedeutung für die Haustechnik zurückfällt: Der Tagesgang der Nutzung eines Verkehrsfahrzeugs strapaziert nicht in dem Maße seine Energiequelle, wie es etwa eine Wärmepumpe im Verbund mit Photovoltaik als Stromlieferant tut. Je nach Temperatur und Sonne kann diese Kombination den Akkumulator mehrmals pro Tag moderat oder mehr als moderat be- und entladen. Da sind 1.000 Zyklen schon nach einem Jahr aufgebraucht. Fährt der Pkw demgegenüber mehrheitlich täglich lediglich 10 oder 20 km zur Arbeit und zurück, muss er nur einmal je Woche an die Ladesäule – die Batterie hält jahrelang.

Deshalb zielt eine Entwicklung für die Gebäudetechnik – das aber nur, um das Prinzip kurz zu erklären, nicht um es zu favorisieren – in Richtung der Redox-Flow-Systeme. Dieser Typus baut auf eine Vanadiumbasierte Flüssigkeit auf, läuft deshalb auch unter der Bezeichnung VRF-Batteriespeicher (Vanadium Redox Flow). Die Technologie kommt ohne den Einsatz seltener Rohstoffe und Konfliktmaterialien für Mensch und Natur aus, die die alternativen Lithium-Ionen-Batterien mit Kobalt durch Kinderarbeit aus dem Kongo und Mangan aus Gabun und Südafrika enthalten.

Das als Speichermedium genutzte Vanadium wird als Nebenprodukt bei der heimischen Eisenproduktion gewonnen. Allerdings ist die VRF-Konstruktion mit zwei getrennten Kammern, in denen die beiden speichernden Elektrolyte zirkulieren und zwischen denen der Elektronenaustausch über eine Membran stattfindet, aufwendig. In der Vergangenheit blieb deshalb dieses Prinzip Großbatterien vorbehalten. Mittlerweile befassen sich jedoch einige Unternehmen mit der Miniaturisierung für die Anbindung an PV-Kollektoren auf Hausdächern.

Favoriten nicht sichtbar

Ein regelrechtes Paket von Vorteilen im Vergleich zu Bleiakkus und Lithium-Batterien mit Kobalt bieten Lithium-Eisenphosphat-Batterien (LiFePO4 oder LFP). Sie halten länger, sind wartungsfrei, extrem brandsicher, leicht und haben eine verbesserte Entlade- und Ladeeffizienz. Tesla fährt damit. Sie stammen von Teslas chinesischem Partner Contemporary Amperex Technology (CATL). Mit dem hat auch BMW eine Kooperation abgeschlossen. CATL baut zudem nahe Erfurt ein Batteriewerk, in das die Chinesen bis 2022 gut 240 Millionen Euro investieren wollen. Eisenphosphat ist freilich in der Zellenfertigung nicht neu. Schon Ende der 2000er-Jahre steckte in Lewis Hamiltons F1-Boliden eine Batterie auf dieser Basis. Die Industrie wendete sich davon wieder ab, weil sie die Speicherkapazität nicht befriedigte. Da scheint man jetzt aber einen Schritt weiter zu sein. Lithium-Eisenphosphat-Batterien sind jedoch nicht die preiswertesten.

„Nicht um dieses Prinzip zu favorisieren“, heißt es ein paar Sätze weiter oben: einfach deshalb, weil sich offensichtlich die Forschung vor allem hinsichtlich der Ergebnisse zur Ladungskapazität sowie zur Langzeitstabilität, was Zyklenfestigkeit, Ladungs- und Spannungsverluste angeht, gleich welcher Ausführung noch nicht zufriedengibt. Ein Durchbruch, der die Bezeichnung verdient, ist bisher noch keinem gelungen. Es zeichnet sich nicht ab, welches System und welche Materialien die Nase vorn haben werden. Und: Was haben die Chinesen noch im Köcher? China ist aktuell das Innovationsland Nummer eins.

Europa will nachziehen

Doch Europa will keine Abhängigkeit von Fernost und formiert sich gerade. Um die Batterien der Zukunft zu entwickeln, haben Partner aus Wissenschaft und Industrie aus Ländern der EU die milliardenschwere Forschungsinitiative „Battery 2030+“ auf den Weg gebracht. Die beteiligten Forschungsinstitutionen und Unternehmen veröffentlichten bereits eine Roadmap und identifizierten drei Hauptforschungsrichtungen: „Wir wollen die Suche nach neuen Materialien und dem richtigen Materialmix beschleunigen, neuartige Funktionen auf den Weg bringen sowie Herstellungs- und Recyclingkonzepte etablieren“, so Professor Maximilian Fichtner, stellvertretender Direktor am Helmholtz-Institut Ulm und wissenschaftlicher Sprecher des Zentrums für Elektrochemische Energiespeicherung Ulm-Karlsruhe.

Doch noch dominiert jene 30 Jahre junge Lithium-Ionen-Batterie, die wie ehedem auf sozial unverträglichem Kobalt und auf Graphit aufbaut. Und wie schon gesagt, die daran gekoppelte bescheidene Lebensdauer fördert nicht gerade die nachhaltige Energiewende im Heizungsbereich. Zur Umweltverträglichkeit der elektrochemischen Stromspeicher ist generell noch zu sagen, dass Kritiker einer Batteriefizierung immer wieder einen x-hundertfach höheren Energieverbrauch bei der Herstellung von Stromzellen gegenüber ihrem Energieinhalt anführen. Das gilt nur für nicht aufladbare Speicher. Lassen sich Akkumulatoren ein paar tausendmal nachfüllen, sieht dieses Verhältnis gesund aus. Indes macht dieser Punkt deutlich, wie wesentlich eine Maximierung der Zyklenzahl ist.

Darauf geht auch ein aktueller Entwurf eines Rechtsrahmens des Europäischen Parlaments zur Nachhaltigkeit von Batterien ein. Der Entwurf hat den gesamten Lebenszyklus einschließlich des Recyclings im Blick. Für Kobalt, Blei, Lithium und Nickel strebt er ab 2025 bzw. 2030 hohe Wiedergewinnungsgrade an. Ferner schlägt die Kommission die CO₂-Kennzeichnung von Industriebatterien und Traktionsbatterien (Antriebsbatterien) mit internem Speicher vor und Quoten für die Sammlung und das Recycling von Batterien in der EU. Dazu soll ein digitaler „Battery-Passport“ eingeführt werden.

Viele Schritte

Verschiedene Veröffentlichungen in Fach- und Publikumsmedien sehen in E-Fuels als indirekte Form der Elektrifizierung ein Zaubermittel, das sämtliche momentanen Weichen umstellen könnte. Von der Auferstehung des Verbrennungsmotors ist die Rede, von der Konkurrenz zum Elektroauto und zur Wärmepumpe – was bereits bei einigen potentiellen Anwendern zu einer umweltschädlichen Abwarte-Haltung führt. Konkurrenz zur Wärmepumpe? E-Fuels sind künstliche Sekundärenergieträger aus Strom, Wasser und Kohlendioxid. Der Solar-/Windstrom muss das Wasser spalten und das CO₂ mit ähnlichen Verlusten, wie sie bei der Elektrolyse anfallen, aus der Luft gefiltert werden. Diese zweite Station läuft in der Branche unter der Bezeichnung „DAC“ für „Direct Air Capture“, für Technologien zur Abscheidung von Kohlendioxid aus der Atmosphäre für etwa Power-to-X-Prozesse (PtX) oder zur Erzielung „negativer Emissionen“. Damit ist die CO₂-Entnahme aus der Atmosphäre gemeint. Ein Syntheseprozess schließt sich dem DAC an, der mit einem Wirkungsgrad von kleiner 1,0 ein Rohöl aus Kohlendioxid und Wasserstoff zusammenfügt. Einen Anteil davon destilliert der nächste Prozessschritt zu E-Fuel. Ein energieverbrauchendes Transportsystem schließlich beliefert den Besteller. Der verfeuert mit weiteren zehn Prozent Abstrichen den Rest in seinem Ex-Ölkessel. Der Gesamtwirkungsgrad Windstrom via E-Fuel zu Wärme dürfte bei 20 oder 25 Prozent liegen.

Die Alternative ist die, dass über die ohnehin vorhandene Stromleitung purer Solar-/Windstrom ohne jegliche Behandlung direkt in die Wärmepumpe fließt und dort mit dem Faktor 4 Wärme generiert. Die Kilowattstunde E-Fuel-Wärme dürfte damit im Minimum das Fünfzehnfache gegenüber der Kilowattstunde Wärmepumpen-Wärme kosten. Das zur Konkurrenzsituation und zur Effizienz.

Das sagt die dena

Im Auto sieht die Bilanz nicht wesentlich besser aus. Die Deutsche Energie-Agentur (dena) kommt in einer Studie zu dem Ergebnis: Die Energieeffizienz von E-Fuels entlang der gesamten Bereitstellungskette ist im Fall von Verbrennungsmotoren vier bis sechs Mal geringer und in Brennstoffzellenfahrzeugen etwa zwei Mal geringer als in batterieelektrischen Fahrzeugen (inkl. Netzintegration). Heißt: Mit E-Fuels betankte Fahrzeuge benötigen pro Kilometer rund vier bis sechs Mal so viel Energie wie ein batterieelektrisches Mobil.

Einsatzgrenzen für die Batterie ziehen indes das Gewicht, die Ladekapazität und die Ladeinfrastruktur. Für Schiffe und Flugzeuge kommt der Akkumulator nicht infrage. Selbst der Lkw im Fernverkehr dürfte mit E-Fuels besser bedient sein. In der Gebäudetechnik räumen einige Experten diesem Brennstoff Chancen im Bestand ein. Etwa für Hybridheizungen: Die Wärmepumpe übernimmt die Hauptarbeit und der sowieso vorhandene Altkessel speist sich für 100 oder 200 Stunden im Jahr aus einem E-Fuel-Tank. Das Gegenargument der Experten auf den Einwand, das mache ein elektrischer Heizstab preiswerter, lautet: aber genau dann nicht, nicht im kältesten Winter, wenn es in der Dunkelflaute an erneuerbarem Strom mangelt und in Smart Grids die volatilen Tarife in die Höhe schnellen – wir sprechen von der Zukunft.

Drei neue Energieträger – theoretisch

So betrachtet kommen für die Gebäudetechnik drei relativ neue Energieträger theoretisch infrage: erstens PV/Wind-Strom, zweitens daraus gewonnener Wasserstoff, drittens synthetische E-Fuels aus Wasserstoff und CO₂. Die Reihenfolge gibt die Bedeutung wieder: Die von Wind- und PV-Strom muss nicht unterstrichen werden, Wasserstoff maximal als Beimischung zum Erdgas, E-Fuels zur Spitzenlastabdeckung im Bestand, sollte nachhaltiger Strom zu manchen Zeiten sehr knapp und sehr teuer sein. Selbst die Produzenten sehen aus den geschilderten Kostengründen E-Fuels nicht in der Heiztechnik für Gebäude. Prof. Dr.-Ing. Christian Küchen, Hauptgeschäftsführer des Mineralölwirtschaftsverbands e.V. (MWV), Berlin, früher in gleicher Position im IWO tätig*, äußert sich zu dem Thema gegenüber dem HeizungsJournal so: „Für eine Aufweichung der Heizölbeschränkungen ab 2026 kommen E-Fuels ohnehin nicht infrage. Dafür fehlen einfach die Produktionskapazitäten. Noch stehen wir ganz am Anfang und produzieren diese Fluids eigentlich ausschließlich in homöopathischen Dosen. Vor Ende dieses Jahrzehnts ist nicht mit größeren Mengen zu rechnen. Und die wird man dann zur Dekarbonisierung von industriellen Prozessen einsetzen und in der Chemie.“

Fazit

E-Fuels bieten nur dort, wo die Elektrifizierung ausscheidet, Lösungen an. Und als Transportgut. Damit beschränken sich die Einsatzbereiche in erster Linie auf den Schiffs- und Luftverkehr oder auch Straßenfernverkehr, wo es die Batterien wegen des Gewichts schwer haben. In der Gebäudewärmeversorgung werden E-Fuels nur eine untergeordnete Rolle spielen.

*Kurz vor Drucklegung wurde bekannt, dass der neue Wirtschaftsverband Fuels und Energie e.V. (en2x) – als Zusammenschluss aus MWV und IWO – Anfang November 2021 seine Arbeit offiziell aufgenommen hat.