XtL-Kraftstoff

Als XtL-Kraftstoffe (auch: Fischer-Tropsch-Kraftstoffe) werden verschiedene synthetische Kraftstoffe bezeichnet, bei denen es zur Umwandlung eines festen oder gasförmigen Energieträgers in einen bei normaler Temperatur und Druck flüssigen kohlenstoffhaltigen Kraftstoff kommt. Dabei stellt das „X“ eine Variable dar und wird durch eine Abkürzung des ursprünglichen Energieträgers ausgetauscht während „tL“ für das englische „to Liquid“ steht. Gebräuchlich sind dabei die Abkürzungen GtL (Gas-to-Liquid) bei der Verwendung von Erdgas bzw. Biogas, BtL (Biomass-to-Liquid) bei der Verwendung von Biomasse und CtL (Coal-to-Liquid) bei der Verwendung von Kohle als Ausgangs-Energieträger.

XtL-Prozess

Unabhängig vom ursprünglichen Energieträger besteht der XtL-Prozess bei allen Formen von XtL-Kraftstoffen aus vier Phasen:

1. Vergasung: Der ursprüngliche Energieträger wird zu einem verwertbaren Synthesegas umgewandelt.
2. Gasreinigung und Gaskonditionierung: Aufbereitung des Synthesegases für die nachfolgende Synthese
3. Kohlenwasserstoffsynthese: Synthese des Gases in einer Fischer-Tropsch-Synthese zu komplexeren Kohlenwasserstoffen, die als Kraftstoffrohprodukte dienen. Dabei entstehen Paraffine, Oleofine und Sauerstoffverbindungen. Die Kettenlänge der meist geradlinigen Kohlenwasserstoffe reicht vom gasförmigen Methan (ein Kohlenstoffatom) bis zu festen Wachsen (20 und mehr Kohlenstoffatome).
4. Aufbereitung: Die Kohlenwasserstoffe werden zum fertigen Kraftstoff aufbereitet, wobei sie als synthetische Kraftstoffe den späteren Ansprüchen angepasst werden können.

Geschichte

1925 wurde am damaligen Kaiser-Wilhelm-Institut für Kohleforschung in Mülheim an der Ruhr zur Kohleverflüssigung die Fischer-Tropsch-Synthese entwickelt, der zentrale Verfahrensschritt bei XtL-Kraftstoffen.

Anfänge: Autarkiebestrebungen in Deutschland

Im Zuge der Bestrebungen des Deutschen Reichs vor dem Zweiten Weltkrieg wurden eine Reihe von Anlagen zur Kraftstoffgewinnung aus der in großen Mengen verfügbaren Kohle aufgebaut, diese basierten allerdings vor allem auf dem 1913 entwickelten Bergius-Pier-Verfahren während für die Fischer-Tropsch-Synthese nur geringe Kapazitäten aufgebaut wurden. Insgesamt wurden bis zum Ende des Zweiten Weltkriegs Kapazitäten für 4,275 Mio. t/a nach dem Bergius-Pier-Verfahren und 1,55 Mio. t/a nach der Fischer-Tropsch-Synthese aufgebaut. Im Vergleich zu erdölbasierten Kraftstoffen waren allerdings beide Prozesse nicht konkurrenzfähig, sodass sie nach dem Krieg nahezu vollständig aufgegeben wurden.

Ausbau von CtL-Anlagen in Südafrika

In der Republik Südafrika, die ebenfalls über ausreichend Kohleressourcen verfügte und Erdöl importieren musste, wurde aus politischen Gründen 1955 die erste moderne CtL-Anlage Südafrikas in Betrieb genommen. Gebaut wurde sie durch die Suid Afrikaanse Steenkool en Olie (Sasol) unter Beteiligung der deutschen Lurgi AG. Die Pilotanlage Sasol 1 wurde für etwa 6.000 barrel Kraftstoff pro Tag ausgelegt. Ab 1980 wurden die Kapazitäten deutlich ausgeweitet, bedingt durch die politische Entwicklung Südafrikas.

So wurden 1980 und 1982 Sasol II und Sasol III in Betrieb genommen, damit stand eine Gesamtkapazität von 104.000 barrel/Tag zur Verfügung. Mit der politischen Öffnung wurde das Programm auf Erdgas als Rohstoffquelle ausgedehnt und 1995 und 1998 wurden weitere Kapazitäten für 124.000 barrel/Tag CtL- und GtL-Kraftstoff geschaffen.

GtL als moderner Kraftstoff

Sasol wurde durch die südafrikanischen Entwicklungen Weltmarktführer in den XtL-Technologien und baute 2006 ein modernes GtL-Werk in Katar mit einer Kapazität von 34.000 barrel/Tag. Gemeinsam mit Foster Wheeler plant Sasol zudem eine Anlage in China mit einer Jahreskapazität von 60.000 barrel/Jahr. Bei beiden Anlagen werden Fischer-Tropsch-Verfahren verfolgt: Ein Hochtemperaturverfahren mit Prozesstemperaturen von 350 °C (Synthol und Advanced Synthol), bei dem Ottokraftstoffe und Alkene als Plattformchemikalien produziert werden, und ein Niedrigtemperaturverfahren bei 250 °C zur Gewinnung von Dieselkraftstoff und Wachsen.

1993 nahm auch der Mineralölkonzern Royal Dutch Shell seine erste GtL-Anlage in Betrieb. Die Anlage in Bintulu in Malaysia hat eine Kapazität von 12.000 barrel/Tag und wird in einem eigens entwickelten Fischer-Tropsch-Verfahren, der Shell Middle Distillate Synthesis (SMDS-Verfahren), betrieben. Ende 2009 wurde in Katar die Anlage Pearl GtL, die von Shell erbaut wurde, in Betrieb genommen. Diese ist zurzeit die weltgrößte Anlage und produziert 120.000 barrel/Tag.

Biokraftstoffe der zweiten Generation: BtL

Im Zuge der Rohstoffwende rückten in den letzten Jahren vor allem Biokraftstoffe in den Fokus der Kraftstoffherstellung. Dabei wurden international große Kapazitäten für die so genannten Biokraftstoffe der ersten Generation Biodiesel und Bioethanol aufgebaut. Mit der weiteren Entwicklung rückte auch die Fischer-Tropsch-Synthese zunehmend in den Fokus der Forschung und Entwicklung, BtL-Kraftstoffe werden als Biokraftstoffe der zweiten Generation vor allem in Europa stark gefördert. Es gibt noch keine großindustrielle BtL-Produktion – allerdings laufen Pilotprojekte, und Choren Industries hat ein erstes Werk in Freiberg, Sachsen, für den von ihnen als SunFuel und SunDiesel bezeichneten BtL-Kraftstoff aufgebaut.

Bewertung von XtL-Kraftstoffen

Ein Vorteil aller XtL-Kraftstofftypen ist die Senkung der Abhängigkeit vom Erdöl. Häufig wird betont, dass die Kraftstoffeigenschaften bei der Synthese gezielt gesteuert werden können und dadurch eine geringfügig höhere Effizienz der Fahrzeugmotoren möglich ist. Dem gegenüber steht ein sehr hoher Energieaufwand bei den Vergasungs- und Synthese-Schritten. Da XtL-Kraftstoffe keine cyclischen Verbindungen und keinen Schwefel enthalten, ist die Verbrennung sauberer als bei Kraftstoffen auf Erdölbasis. Da für die verschiedenen XtL-Kraftstoffe sehr unterschiedliche Rohstoffe verwendet werden, sind ihre jeweiligen Vor- und Nachteile unterschiedlich zu bewerten.

CtL

In den nächsten Jahrzehnten wird das globale Ölfördermaximum erwartet. Da die Reichweite der Kohlevorräte deutlich größer ist, könnten CtL-Kraftstoffe zukünftig die Versorgung mit Kraftstoffen sichern. Die CO₂-Bilanz der CtL-Synthese ist jedoch sehr schlecht. Von Natur aus enthält Kohle wenig Wasserstoff. Für die Fischer-Tropsch-Synthese benötigt das Synthesegas jedoch ein Wasserstoff-zu-Kohlenstoffmonoxid-Verhältnis von 2:1. Den fehlenden elementaren Wasserstoff erzeugt man durch die Wassergas-Shift-Reaktion. Dabei wird viel Kohlendioxid frei. Die Klimabilanz ist daher schlechter als bei GtL, BtL und konventionellen Kraftstoffen auf Erdölbasis. Es gibt jedoch auch hier Auswege. Da das Kohlendioxid in konzentrierter Form anfällt, kann man eine Kohlendioxid-Sequestrierung sehr leicht durchführen. Ein anderer Ausweg ist die Zuführung von regenerativ erzeugtem Wasserstoff zum Synthesegas. Diese Methode wird auch unter dem Stichwort Power-to-Liquid diskutiert. Regenerativ erzeugter Strom bzw. Wasserstoff ist jedoch teuer.

GtL

Da die globalen Erdgasvorräte begrenzt sind, sind GtL-Kraftstoffe keine langfristige Alternative, sondern maximal eine Ergänzung der Kraftstoffe auf Erdölbasis. Die CO₂-Bilanz von GtL-Kraftstoffen ist deutlich schlechter als für Gas, das in Erdgasfahrzeugen genutzt wird. Fällt Erdgas jedoch als Nebenprodukt der Erdölförderung in marktfernen Gebieten an, ist der Transport häufig nicht lohnend, weswegen das Gas abgefackelt wird. Durch eine Umwandlung des Erdgases in GtL wird die Energiedichte stark erhöht und ein Transport wirtschaftlich. Eine Alternative zur GtL-Produktion ist die Umwandlung zu Flüssigerdgas (LNG = liquefied natural gas) und damit ebenfalls eine Erhöhung der Transportwürdigkeit durch eine größere Energiedichte. Beide Varianten gewinnen derzeit stark an Bedeutung und können, wegen der Nutzung eines Abfallproduktes, ökologisch positiv bewertet werden. Je nach Höhe des Ölpreises ist auch die Förderung von Erdgas zur GtL-Produktion lohnend. Große Vorkommen, wie beispielsweise im Nahen Osten, können erschlossen werden. Katar errichtet beispielsweise derzeit in einem Konsortium mit Royal Dutch Shell und Qatar Petroleum eine GtL-Anlage, die ab 2009 täglich 140.000 Barrel produzieren soll. In diesem Fall ist die CO₂-Bilanz negativ und wegen der aufwendigen GtL-Synthese auch deutlich schlechter als bei marktnah gefördertem Erdgas, das ohne vorherige chemische Umwandlung genutzt wird.

BtL

Die CO₂-Bilanz von BtL ist besser als bei fossilen Kraftstoffen, da bei der BtL-Verbrennung nur die CO₂-Menge freigesetzt wird, die zuvor von der Pflanze aufgenommen wurde. Kritisiert wird der notwendige Bedarf großer Flächen, um einen nennenswerten Beitrag zur Kraftstoffversorgung zu leisten. Für Deutschland werden maximale Potentiale von 20 bis 25 % des Bedarfs angegeben. Diese Werte sind jedoch als deutlich zu hoch anzusehen, da andere Nutzungsmöglichkeiten der landwirtschaftlichen Fläche, wie beispielsweise Nahrungs- und Futtermittelerzeugung, Substratbereitstellung von Biogasanlagen und Anbau nachwachsender Rohstoffe für die chemische Industrie um diese Flächen konkurrieren. Im Zuge des Klimaschutzes ist vorgesehen, den Anteil von Biokraftstoffen in Deutschland durch Erhöhung bestehender Mindestquoten deutlich zu erhöhen. Ein weiterer Kritikpunkt ist, dass die Kosten pro eingesparter Tonne CO₂-Äquivalent bei den Biokraftstoffen höher sind als beispielsweise bei Energieeffizienzmaßnahmen oder regenerativen Energien wie Strom aus Wind- und Wasserkraft und Biomasseheizkraftwerken.

PtL

PtL (Power-to-Liquid oder auch Power-to-Liquids) ist ein Verfahren zur Umwandlung von CO₂ mittels elektrischer oder chemischer Energie in verschiedene synthetische Kraftstoffe wie etwa Benzin, Diesel, Kerosin und Methanol.

Siehe auch

• Alternative Kraftstoffe
• Methanolwirtschaft

Literatur

• Georg Schaub und Dominik Unruh: Synthetische Kohlenwasserstoff-Kraftstoffe und Minderung fossiler CO₂-Emissione In: VDI-Berichte 1704 Innovative Fahrzeugantriebe, VDI-Verlag 2002, Düsseldorf; Prinzip der XtL-Erzeugung; Unterschiede zwischen CtL-, GtL- und BtL-Erzeugung; Einschätzungen der CO₂-Emissionen