Grundlagen und Perspektiven der Energiewende

Kurs: Grundlagen und Perspektiven der Energiewende | OnCourse UB

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    Power to-X und E-Mobilität

    Power-to-X

    Verallgemeinernd wird die technologische Synthese von chemischen Stoffen aus Strom auch als Power-to-X (PtX) bezeichnet. Das X steht dafür für beliebige Endprodukte. Spezifisch gibt es zum Beispiel Power-to-gas (PtG), Power-to-liquid (PtL), Power-to-chemicals oder Power-to-fuel. Ausgangsstoff aller Verfahren ist die Gewinnung von grünem Wasserstoff. Dieser kann dann weiter prozessiert werden um zum Beispiel zu Methan, Methanol, Diesel oder auch Ammoniak zu synthetisieren. Diese Verbindungen stammen bisher aus fossilen Quellen oder werden konventionell hergestellt und sind dann für die Umwelt weniger belastend.

    Für die Power-to-X Produkte, die als Kraftstoffe verwendet werden, wird auch von sogenannten E-Fuels, E-Kraftstoffen oder grünen Kraftstoffen gesprochen.
    
    

    

    Ein Beispiel ist die Methanisierung. Hierbei wird aus Wasserstoff und Kohlenstoffdioxid Methan gewonnen. Diese Synthese wird als Sabatier-Prozess bezeichnet, der mit Hilfe eines Katalysators funktioniert.

    
    

    Bei dieser Reaktion entsteht Wärme, die genutzt werden kann. Das CO₂ für diese Reaktion muss ebenfalls zugeführt werden. Es kann mittels sogenannter Carbon-Capture-Methoden, die CO₂ aus den Abgasen von Kraftwerken auffangen, gewonnen werden. Das so hergestellte Methan wird als Synthesized Natural Gas (SNG) bezeichnet. Es ist als Energiespeicher und als Kraftstoff verwendbar. Es kann analog zum Biomethan in das Erdgas-Netz eingespeist werden. Durch die Umwandlungen und die schlecht genutzte Abwärme bestehen für die Nutzung im Verkehr allerdings niedrige Wirkungsgrade.

    Es ist auch möglich das SNG zu verflüssigen, es wird dann als LNG (Liquified natural gas) bezeichnet. LNG wird besonders für eine Verwendung als Treibstoff diskutiert, da es eine ähnliche Energiedichte wie Benzin und Diesel aufweist.

    

    
    

    Gewicht und Volumen von Speichern in der Mobilität

    Das Gewicht und Volumen eines Speichers sind vor allem für den Individualverkehr wichtige Parameter. Ein schwerer Energiespeicher verringert die mögliche Distanz, die mit derselben Energiemenge zurückgelegt werden kann. Insbesondere Flugzeuge und PKW verbrauchen große Mengen Energie pro zurückgelegten Kilometer. Vor allem der Energieverbrauch der Autos hat sich in den letzten 20 Jahren kaum verändert, was auch auf Reboundeffekte bezüglich der Größe der Autos zurückzuführen ist. Flugzeuge werden ausschließlich und PkW überwiegend mit fossilen Energieträgern angetrieben.
    
    
    
    Im Automobilsektor gewinnen Elektroautos (im Fachjargon: Battery Electric Vehicles – BEV) derzeit an Bedeutung, der Strombedarf wird von Batterien gedeckt. Die Batterien sind überwiegend Li-Ionen Akkus, die größer und schwerer sind als andere Kraftstoffvarianten (siehe obere Abbildung). Ein großer Vorteil von Elektroautos ist, dass beim Bremsen Energie gespeichert werden kann. Bei einem 1,5t schweres Elektroauto macht der Akku ca. 21% des Gewichts aus (vgl. Koroma et al. (2022)). Die Nutzung von E-Autos bietet die Möglichkeit hier Strom aus Erneuerbaren Energien zu Nutzen. Aufgrund ihres Gewichts kommen Li-Ionen Akkus für den Flugverkehr daher nicht in Frage. 
    Als weitere Alternative zu Autos mit Verbrennungsmotoren werden Antriebe mit Brennstoffzellen und Elektromotor gesehen. Der Treibstoff ist derzeit meist Wasserstoff, aber auch Methan, Methanol oder Ammoniak sind denkbar.
    
    Im folgenden Diagramm sind die verursachten CO₂-Emissionen pro Kilometer für Autos der Kompaktklasse (Beispiel: VW-Golf) mit verschiedenen Antrieben (HEV – Hybrid aus Elektro und Verbrennungsmotor) angegeben. Angenommen wird dabei eine Gesamtleistung des Autos von 150.000 km. Elektroautos verursachten im Jahr 2020 ca. 30 % weniger Emissionen als ein Benzin-PKW, aufgrund des höheren Anteils an Erneuerbaren Energien wird sich dieser Vorteil noch vergrößern.
    

    

    
    

    Die Emissionsbilanz von Fahrzeugen mit Brennstoffzellenantrieb ist ebenfalls deutlich besser als die von Fahrzeugen mit Verbrennungsmotoren, allerdings aufgrund des geringen Wirkungsgrads der Umwandlung von Strom zu Fahrleistung (siehe Abbildung Wirkungsgrade) schlechter als die von BEV, die mit demselben Strommix fahren.

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