Wenn der Sprit alle ist
Wir brauchen alle heute Erdöl, zum einen um Produkte herzustellen indem wir Kunststoffe produzieren, zum anderen als Ausgangsbasis für andere organische Verbindungen. Wir verheizen es, wir betreiben damit Motoren von Schiffen, Flugzeugen, Autos, Lokomotiven.
Der letzte Punkt ist der kritischste. Sicher benötigen wir Kunststoffe, doch im Vergleich zu den Mengen Öl die man für Heizung und Verkehr braucht sind die Mengen gering. Die Herstellung ist zudem auch teuer, wir könnten also gut damit leben wenn man dann für die Gewinnung und Herstellung des Öls viel bezahlen müsste.
Beim Heizen haben wir Alternativen. kohle ist zwar noch klimaschädlicher, aber es gibt viel mehr von ihr auf der Erde. Je nach Schätzung riechen die Reserven mindestens für 150 Jahre. Viele gehen von 400 Jahren aus. (Natürlich sind solche Schätzungen von großen Unsicherheiten behaftet). Es gibt dann noch die Möglichkeit Biomasse zu verfeuern.
Doch welche Alternative hat man zu Diesel und Benzin? glaubt man den Automobilfirmen, so gibt es diese: Wasserstoff oder Strom. Ich möchte mal erläutern warum dies mehr Wunschdenken ist.
Fangen wir mit dem Wasserstoff an. Zuerst einmal ist sein Nutzen verlockend: Bei der Verbrennung entsteht nur Wasser, kein Klimaschädliches Kohlendioxid. Man könnte ihn sogar in umgebauten Otto Motoren nutzen. Meistens werden jedoch Brennstoffzellen gekoppelt an einen Elektromotor wegen des höheren Wirkungsgrades favorisiert.
Nur es gibt einen kleinen Haken: Der Wasserstoff der heute genutzt wird, stammt nicht aus der Elektrolyse von Wasser, sondern entsteht bei dem Cracken von Erdöl: Synthetisiert man Kunststoffe oder höhere Produkte aus Erdgas oder Erdöl, so muss Wasserstoff abgespalten werden, damit die Kohlenstoffatome sich verbinden können. Wasserstoff aus Wasser wäre unbezahlbar. Ein Kilogramm hat eine Energiemenge von 143 MJ, man bräuchte 40 KwH Strom um diese Menge durch Elektrolyse zu erzeugen (in der Praxis mehr, da man dabei das Wasser aufheizt und es zu Verlusten kommt). 40 Wh Strom kosten derzeit bei 15 ct/kWh etwa 6 Euro – Das ist nur der Preis für den Wasserstoff, ohne die heute üblichen Steuern, welche den Großteil des Spritpreises ausmachen.
Vor allem aber erhält man gasförmigen Wasserstoff, mit diesem kann man nichts anfangen. Gasförmiger Wasserstoff ist so leicht, dass eine 200 Bar 50 l Flasche (Gewicht 63 kg) nur 0.8 kg davon enthält, d.h. es ist völlig unrentabel so Wasserstoff zu transportieren. Also verflüssigt man den Wasserstoff – das geht bei Temperaturen von – 253°C, wozu man schon ein Drittel der Energie de Wasserstoffs braucht. Diese Temperatur muss man dann über die gesamte Transportkette halten, einschließlich des Tanks im Auto – Hier kommt es praktisch dauernd zu kleinen Verlusten durch Verdampfung, weil das praktisch nicht möglich ist und zuletzt haben auch Brennstoffzellen nur einen Wirkungsgrad von 70-80 %. Eine Untersuchung zeigte, dass man in der Summe 38 % der Energie die man für die Gewinnung von Wasserstoff hineinsteckt herausbekommt. Das resultiert in einemeffektiven Brennweit von 54.4 MJ, etwas mehr als der von Benzin (46 MJ), dafür ist aber alleine die Produktion der Menge die einem Liter Benzin entspricht etwa 4 Euro teuer. Dazu kommt noch der Betrag den der Staat am Sprit verdienen möchte und die Mehrwertsteuer. Spritpreise von 5-6 Euro erscheinen da realistisch.
Flugzeuge haben ein noch größeres Problem, denn Wasserstoff benötigt sehr voluminöse Tanks, die noch dazu sehr gut isoliert werden müssen. Bei gleichem Energiegehalt braucht Wasserstoff 4 mal größere Tanks. Das geht noch beim Auto, wo dann der Gepäckraum kleiner wird, weil dort ein 200-250 l Tank sich befindet. In Flugzeugen wird es zum Problem: Dort sind die Tanks in den Flügeln – Isolierung ist dort fast nicht möglich und im Rumpf geht dann wertvoller Transportraum für die Passagiere flöten.
Es könnte zu einer Renaissance des Zugverkehrs werden, den Lokomotiven können auch elektrisch betrieben werden – Hier wird der Strom direkt genutzt ohne Verluste In der Prozesskette wie beim Wasserstoff. Fahren mit der Bahn müsste so 3 mal ökonomischer sein als mit dem Auto.
Der nächste Vorschlag ist es Elektromotoren einzusetzen und den Strom direkt zu nutzen. Der Wirkungsgrad ist dann höher, doch handelt man sich ein anderes Problem ein. Alle Akkumulatoren die man heute hat, speichern nur geringe Energiemengen. Nickelmetallhydrid Akkus beispielsweise haben eine Kapazität von 80 Wh/kg, Lithium Polymerakkus, die jedoch feuergefährlich sind bis zu 140 Wh/kg. Benzin hat wenn man seinen Energiegahlt in Wh umrechnet eine von 12700. Das bedeutet, das ein Akku etwa nur 1 % der Energiemenge eines Liters Benzins transportiert. Selbst wenn man die geringere Leistung von Elektromotoren, ihren höheren Wirkungsgrad und die viel schweren Akkus berücksichtigt, so wird klar, dass man niemals die Reichweite eines Autos damit erreicht. Das Aufladen dauert aber Stunden. So kann man nicht verreisen.
Als nächstes kommt dann die Erzeugung von Brennstoffen aus Biomasse. Um es vorweg zu sagen: Die Erzeugung von Biodiesel aus Raps ist ziemlicher Unfug. Das einzige was dafür spricht ist, ist dass weder Landwirte noch der Verkehr sich umstellen müssen, da der synthetische Treibstoff Diesel sehr ähnelt und leicht aus dem Rapsöl gewonnen werden kann. Jedoch nutzt man nur einen Bruchteil der Biomasse der Pflanze, nämlich die Samen.
Sinnvoller wäre es wohl schnell wachsende Pflanzen anaerob zu vergären. Die dabei entstehende Abwärme nutzt man zur Heizung, das Gas, eine Mischung aus Kohlendioxid, Methan, Schwefelwasserstoff und Ammoniak enthält Methan, dieses kann man abtrennen und chemisch umsetzen, z.B. Methanol daraus produzieren. Diesen kann man dann in umgerüsteten Motoren verbrennen oder in Brennstoffzellen nutzen um Strom für einen Elektromotor zu gewinnen. Methanol ist bei normalen Temperaturen flüssig und kann so wie Benzin genutzt werden. Brasilien vergärt Zuckerrohr zu Ethanol, das geht nur weil Zuckerrohr im dortigen Klima recht schnell wächst, man erhält aus einer Tonne Zuckerrohr etwa 90 l Ethanol, der einen um 30 % niedrigeren Brennwert als Benzin hat. Immerhin wäre wenn man dies auf unsere Zuckerrübe überträgt der Sprit daraus noch erheblich preiswerter als Wasserstoff.
Das Problem sind nur die Mengen. Der Ertrag liegt bei 40-70 t/ha, das ergibt bei einem nutzbaren Zuckergehalt von 14-17 % etwa 10 t Zucker pro Hektar (rechnet man den Restzucker dazu, der ja bei der Gärung auch Alkohol produziert, so können es sogar 13-14 t sein. Zuckerrohr hat fast denselben Zuckeranteil (18 %) wie Zuckerrüben (18-20 %), so dass man die brasilianischen Angaben übertragen kann. Demnach kann ein Hektar Zuckerrüben etwa 3600-6300 l Ethanol erzeugen, das etwa 2/3 des Brennwerts von Benzin hat. D.h. man bekommt von einem Hektar etwa die Energiemenge die in 2400-4200 l Benzin stecken. Im Jahre 2005 betrug der Gesamtbenzinverbrauch der BRD 30.66 Milliarden Liter. Man braucht dazu also eine Fläche von 73000-122750 km². Die erste Fläche ist etwas größer als Bayern, die zweite in etwa so große wie die neuen 5 Bundesländer. Ach ja und für die 31 Milliarden Liter Diesel braucht man ja auch noch Anbaufläche…. Kurzum: So geht das nicht.
Was gibt es sonst so an Alternativen? Das wohl großtechnisch bedeutendste verfahren ist die Herstellung von synthetischem Treibstoff auf Kohle oder Erdgas. Ich gehe mal auf die Kohle ein, da der erste Reaktionsschritt Synthesegas liefert, das dann wie Erdgas genutzt wird und vor allem es mehr Kohle als Erdgas gibt.
Überhitzte Kohle wird mit Wasserdampf und Sauerstoff so umgesetzt, dass daraus ein Gemisch aus Kohlenmonoxid und Wasserstoff entsteht, daneben größere Mengen von Kohlendioxid, Ammoniak, Stickoxiden und Schwefelwasserstoff, die man abtrennen muss.
Das entstehende Synthesegas aus Kohlenmonoxid und Wasserstoff wird an Katalysatoren zu Alkane, Alkenen und Alkoholen umgesetzt die man dann als synthetischen Treibstoff nutzen kann. Die Energieausbeute ist natürlich geringer als bei der Verbrennung von Kohle, denn die Erzeugung der Kohlenwasserstoffe geht nicht ohne Verluste. Für den zweiten Schritt rechnet man mit doppelt so viel Treibhausgasen wie sie durch Benzin alleine produziert werden, beim ersten Schritt fällt weiteres Kohlendioxid an. Trotzdem hat man dieses Verfahren das nach den deutschen Erfindern Fischer-Tropsch heißt schon großtechnisch eingesetzt. Im zweiten Weltkrieg um Benzin für die Rüstung zu bekommen, Südafrika lange Zeit um das Ölembargo zu umgehen. Bei etwa 50-60 $ pro Barrel ist Treibstoff aus der Fische-Tropsch Synthese preislich mit dem Rohöl vergleichbar. Das ist heute gegeben. Ich habe gerade mal nachgesehen, heute liegt der Ölpreis bei 70 Dollar pro Barrel.
Der Beigeschmack dieses Verfahrens ist, dass man so natürlich nicht die Treibhausemissionen reduziert, denn durch die Benutzung von Kohle zur Synthese von Benzin erzeugt man ja mehr Treibhausgase als wenn man Erdöl direkt nutzt. Aber die gute Nachricht: Heute sind die Verbraucher bereit ja schon einen Preis von 70 Euro für ein Barrel zu bezahlen, und da man für diesen Preis auch synthetisches Benzin produzieren kann werden wir noch lange mit den Benzinschluckern herum rasen können. Vielleicht verzichtet dann doch der eine oder andere auf sein Auto: Davon gibt es 56.3 Millionen in der BRD – praktisch jeder der es fahren kann (Kinder haben keinen Führerschein) hat also eines.