Synthetische Kraftstoffe

Fraunhofer UMSICHT entwickelt Lösungen für die Produktion von CO2-neutralen, normgerechten Kraftstoffen aus biogenen Abfallstoffen, zum Beispiel aus Klärschlamm.

Synthetische, CO2-neutrale Kraftstoffe

Fraunhofer ermöglicht die Produktion von normgerechten Kraftstoffen (Diesel oder Benzin) aus Abfallstoffen, zum Beispiel aus Klärschlamm.

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Walter Röhrl betankt einen Audi R8 mit synthetischem Kraftstoff aus Klärschlamm
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Kraftstoffe aus dem TCR-Verfahren sind 1:1 motorentauglich und haben keine Blend-Grenze

Im Rahmen verschiedener Projekte entwickelt Fraunhofer UMSICHT Verfahren (Biomass-to-Liquid, BtL-Verfahren) für die Herstellung »Synthetischer Kraftstoffe« bzw. Biorohöl mit der Qualität von Normkraftstoffen aus heute verfügbaren Roh- und Reststoffquellen.

Dieser Forschungsrichtung liegt die Tatsache zugrunde, dass Verbrennungsmotoren trotz Emissionen und steigender Elektromobilität auch weiter einen bedeutenden Beitrag für unsere Mobilität leisten werden. Obwohl Automobilhersteller konkrete Ziele zum Ausstieg aus der Verbrennertechnologie angekündigt haben, ist unsicher, in welchem Umfang und in welchem Zeitraum diese am Markt umgesetzt werden können.

CO2-Reduktion mit Verbrennungsmotoren

Weiter ist zu klären, wie die verbleibenden Verbrennungsmotoren in ein Konzept zur CO2-Reduktion eingebunden werden. Prognosen für 2030 gehen davon aus, dass – bei einem Bestand von dann 10 bis 13 Mio. Elektroautos – weiterhin über 70 Prozent der Fahrzeuge mit Verbrennungsmotoren ausgestattet sein werden. Hinzu kommen Schwerlast- und Langstreckenverkehr sowie Luft- und Schifffahrt – Bereiche, welche absehbar kaum oder nur teilweise elektrifiziert werden können.

Nachhaltige synthetische BtL-Kraftstoffe mit minimalem CO2-Footprint

Um in den genannten Bereichen eine signifikante Reduzierung der CO2-Emissionen zu erreichen, müssen Flüssigkraftstoffe mit hoher Energiedichte nachhaltig erzeugt werden. Kurz- und mittelfristig sollten hier bevorzugt "reife" Technologien und vorhandene, nachhaltige Rohstoffe (z.B. biogene Rest- und Abfallstoffe) zur Anwendung kommen.

Von Seiten des Gesetzgebers besteht in Hinblick auf die Neufassung der Erneuerbare-Energien-Richtlinie (RED II) zusätzlich Handlungsdruck, da eine Quote von fortschrittschlichen flüssigen Kraftstoffen von 3,5 Prozent bis 2030 angestrebt wird. Marktreife, kurzfristige Lösungen mit einem relevanten Einfluss auf THG-Emissionen sind heute allein mit Biokraftstoffezu realisieren.

TCR-Verfahren: Normgerechtes Benzin und Diesel

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TCR-Versuchsanlage in Sulzbach-Rosenberg

Ein normgerechter Kraftstoff wird am Fraunhofer UMSICHT nach dem TCR®-Verfahren (Thermo-Katalytisches-Reforming) aus Reststoffen, wie beispielsweise aus Klärschlamm oder aus organischen Abfällen hergestellt. Beim »thermo-katalytischen Reforming« (weitere Informationen: TCR-Verfahren) wird Biomasse in einem mehrstufigen, thermischen Verfahren in hochwertiges Produktöl und Synthesegas umgewandelt. Diese Zwischenprodukte lassen sich beispielsweise in einer Raffinerie zu normgerechten Kraftstoffen weiterverarbeiten.

TCR-Kraftstoffe können fossile Kraftstoffe 1:1 ersetzen

Kraftstoffe aus dem TCR-Verfahren entsprechen in ihrer chemischen Zusammensetzung laut unabhängiger Laboranalysen den Spezifikationen nach EN590 (Diesel) bzw. EN228 (Benzin). Die Qualität wurde durch präzise Emissions- und Leistungsvermessungen auf Motorentestständen geprüft und von mehreren Automobilherstellern bestätigt. Der Kraftstoff kann somit ohne weitere Motorumbauten in Fahrzeugen genutzt werden.

Bei der Messung von Rohmotoremissionen wurde der Kraftstoff mit fossilem Diesel verglichen, um den Einfluss auf die Verbrennung, bei unveränderten Motorbetriebsparametern zu analysieren. Dabei wurde gezeigt, dass die Performance analog den fossilen Kraftstoffen ist und lediglich bei den Abgasemissionen leichte Unterschiede festzustellen sind. Bei NOx ist eine leichte Erhöhung; bei CO, CH und CO2 sind bereits bei dem genutzten 25 % Blend, eine Verbesserung, also ein Rückgang der Emissionen, erkennbar.

Im Gegensatz zu Alternativen wie Ethanol oder Biodiesel können die Kraftstoffe aus dem TCR-Verfahren unbegrenzt fossilem Kraftstoff beigemischt werden, es gibt hier keine Blend-Grenze. Er kann darüber hinaus als Drop-In-Kraftstoff, Heizölzusatz und Gerätebenzin in den Markt gebracht werden.

TCR-Kraftstoffe sind CO2-neutral

Für den TCR®-Prozess wurde die Bilanzierung der THG-Emissionen auf Basis der „Methode zur Berechnung der durch die Verwendung von Biokraftstoffen erzielten Treibhausgasminderung anhand tatsächlicher Werte“ durchgeführt („Verordnung über Anforderungen an eine nachhaltige Herstellung von Biokraftstoffen“ (Biokraft-NachV), § 8 Abs. 2).

Die Kraftstoffe aus dem TCR®-Verfahren als Substitut für fossile Kraftstoffe können bei der Nutzung von Abfällen – im Berechnungsbeispiel für Klärschlamm – und der teilweisen Sequestrierung des Kohlenstoffs, der bei dem Verfahren in Form von Kohle entsteht, CO2-neutral hergestellt werden.

Wirtschaftlichkeit synthetischer Kraftstoffe

Nach ersten Wirtschaftlichkeitsberechnungen könnte der Kraftstoff (grüner Diesel und grünes Benzin) zu 75 Cent pro Liter (vor Steuern) hergestellt werden. Eine weitere Kostensenkung durch die Hochskalierung der Technologien ist perspektivisch absehbar. Damit liegt der Preis zwar etwas oberhalb der Kosten von Ethanol und Biodiesel, aber dennoch deutlich unterhalb der Kosten für andere hochwertige alternative Kraftstoffe bspw. aus PtX-Verfahren (2-5 €/l).

TCR-Technologie: Entwicklungsstand

Die aktuelle Anlagengeneration der TCR-Technologie am Fraunhofer Institut in Sulzbach-Rosenberg kann 300kg / Stunde an Einsatzstoff verarbeiten und damit ca. 30 Liter Kraftstoff pro Stunde erzeugen. Die nächste großtechnische Demonstrationsanlage befindet sich im Aufbau. (vgl. Projekt To-Syn-Fuel)

Wesentliche Forschungsarbeiten für das TCR®-Verfahren erfolgten im Rahmen des Centrums für Energiespeicherung, das vom Bayerischen Wirtschaftsministerium an den Fraunhofer-Standorten Sulzbach-Rosenberg und Straubing mit über 16 Mio. € gefördert wurde.

Testfahrzeug »VW XL1«

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1-Liter Auto mit Hybridantrieb: VW XL1

Das Leichtbaufahrzeug XL1 wurde in einer Kleinserie von 250 Exemplaren in den Jahren 2014 bis 2016 von Volkswagen (VW) entwickelt und gebaut. Der hochmoderne Dieselmotor zeichnet sich durch den geringen Spritverbrauch aus und war das entscheidende Kriterium, diesen limitierten Supersparwagen als unser Testfahrzeug zu nutzen.