Kraftstoffe der Zukunft – Die über Jahrzehnte bewährten Verbrennungsmotoren als Antriebssysteme in Fahrzeugen stehen seit geraumer Zeit in der Kritik. Begleitet durch teils massive Betrugsskandale und hohe Schadenersatzforderungen stellt sich dem mündigen Bürger langsam aber sicher die Frage nach künftigen Konzepten für die Mobilität.
Dabei ist der Verbrennungsmotor an sich ja nicht das Problem. Es sind vielmehr die Kraftstoffarten Benzin und Diesel, die bei ihrer Verbrennung sehr hohe Schadstoffbelastungen erzeugen. Gerade in Grossstädten und Ballungsgebieten führt dies zu immer höheren gesundheitlichen Risiken, die nun auch eindeutig nachgewiesen werden.
So manch einer wird nun intervenieren und behaupten, dass wir ja seit mehr als einem Jahrhundert Verbrennungsmotoren nutzen. Nun, das mag bis zu einem gewissen Punkt ja auch stimmen. Nur, die exzessive Nutzung von Kraftfahrzeugen mit Verbrennungsmotoren – vor allem für den Kurzstreckenbetrieb und die stetig steigenden Absatzzahlen weltweit – sollten uns inzwischen schon Sorgen machen und zum Nachdenken bewegen. Wieviel Russpartikel und schädlichen Feinstaub werden den Bürgern in Metropolen und an Verkehrs-Knotenpunkten noch zugemutet?
Sind biologische Kraftstoffe eine Lösung?
Sowohl aus politischer als auch aus wirtschaftlicher Sicht stellt sich die Frage nach alternativen Kraftstoffen. Wie wir bereits in der Ausgabe (1) zum Thema „Antriebe der Zukunft“ angesprochen haben, stehen uns ja seit geraumer Zeit auch interessante Alternativen zur Verfügung. Um den schmutzigen Treibstoffen Benzin und Diesel den Rücken kehren zu können, müssten wir wesentlich saubere Treibstoffe wie Ethanol, Biodiesel, Gas oder Strom in den Fokus setzen. Alle genannten Treibstoffarten gibt es seit geraumer Zeit, aber nicht zuletzt die Petrol- und Chemieriesen steuern das Angebot und damit die Nachfrage.
Biodiesel stellt dabei noch die schlechteste Alternative dar. Hier werden pflanzliche Rohstoffe raffiniert und die Öle zur Treibstoffgewinnung verwendet. Vor allem in Europa steht hier Rapsöl an oberster Stelle.
Auch das berüchtigte Palmöl und Massen an Sojaöl aus den USA kommen zur Verwendung. Gleiches passiert auch mit tierischen Fetten.
Die jeweiligen Endprodukte durchlaufen dann einen Prozess der Spritgewinnung, der auch als „Umesterung“ bekannt ist. Wird Biodiesel im Motor verbrannt, entstehen vergleichsweise geringe Mengen an Schwefeldioxid. Allerdings entstehen dafür vermehrt Stixoxide und die berüchtigten, als krebserregend eingestuften PAK’s (polyzyklische aromatische Kohlenwasserstoffe).
Saubere Varianten mit Gasantrieben
Einen Schritt weiter gehen Antriebs-Kraftstoffe in Gasform. Die als LPG (Liquified Petroleum Gas) und CNG (Compressed Natural Gas) bezeichneten Kraftstoffe stellen eine kostengünstige und wesentlich sauberere Alternative zu Benzin und Diesel dar. Autogas besteht in erster Linie aus Butan und Propan und hat eine deutlich bessere Umweltbillanz vorzuweisen. Es verbrennt ohne feste Rückstände, setzt bis zu 80% weniger Stickstoffe frei und erzeugt fast keine Rückstände an Schwefeldioxid.
Kraftstoffe der Zukunft
Erdgas hingegen bildet eine Sonderform des biologischen Kraftstoffs. Es besteht aus Methan und besitzt leider eine geringe Energiedichte. Zudem ist es nicht einfach in Verbrennungsmotoren zu verwenden. Die Einlagerung in einen Tank erfolgt unter hohem Druck von bis zu 200 Bar.
Eine entsprechende Umrüstung ist aber sehr einfach realisierbar. Allein bei der Anwendung von Erdgas ist ein höherer technischer Umrüstaufwand erforderlich. Zudem werden von einigen Herstellern bereits spezielle Gasfahrzeuge angeboten.
Der ewig alte Dauerbrenner – Wasserstoff
Viele kennen den Treibstoff bereits aus der Raumfahrttechnik. Aber nur weniger werden wissen, dass Wasserstoff als Antriebsmöglichkeit genutzt werden kann. Erstaunlich ist hierbei die Tatsache, dass nicht der Wasserstoff an sich der Treibstoff ist.
Vielmehr wird unter Zuhilfenahme einer weiteren bekannten Technologie – der Brennstoffzelle – aus Wasserstoff und Sauerstoff Strom erzeugt, der dann für beispielsweise Elektromotoren genutzt werden kann. Als Endprodukt kommt die derzeit sauberste Emission aus dem Auspuff: reines Wasser in Dampfform.
Allerdings ist auch hier ein Haken an der Sache zu finden. Zum einen ist die Brennstoffzelle sehr teuer. Um den Wasserstoff zu erzeugen, muss andererseits Wasser in seine beiden Bestandteile Wasserstoff und Sauerstoff zerlegt werden. Für das als Elektrolyse bekannte Verfahren muss jedoch sehr viel Energie in Form von Strom investiert werden.
Allerdings wird der vermeintliche Nachteil zum Grossteil wieder wettgemacht, indem mit den bisher umstrittenen „Dauerenergiequellen“ Solar- und Windkraft gut gearbeitet werden kann. Immer dann, wenn hiermit grosse Mengen Strom erzeugt werden, kann dieser zur Elektrolyse verwendet, Wasserstoff erzeugt und als Energiespeicher genutzt werden. Man schlägt hier also die berühmten „zwei Fliegen“ mit einer Klappe.
Alternative Bio-Kraftstoffe im Fokus der Entwickler
Eine sehr spannende Entwicklung für Antriebsstoffe der Zukunft zeigt ein Projekt von SGI (Syntetics Genomic Inc.) in Zusammenarbeit mit dem weltweit aktiven Konzern Exxon Mobil. Seit 2009 forschen beide Partner an der Umsetzung von Algen in einen rentablen Transportkraftstoff. In den letzten Jahren konnten hier respektable Fortschritte erzielt werden.
Kraftstoffe der Zukunft
Im Jahre 2010 eröffnete SGI ein Gewächshaus in Kalifornien – USA mit Bio-Reaktoren und Teichen für die Algenzucht. Bereits 2 Jahre später zeigt die Grundlagenforschung erste Ergebnisse. Die Effizienz der Algen, welche energiereiche Lipide für die Kraftstoffgewinnung produzieren sollen, konnte signifikant gesteigert werden.
In 2017 konnten Exxon und SGI einen grossen Durchbruch vermelden. Es gelang die Züchtung eines speziellen Algenstammes, der normalen Kohlenstoff in eine Rekordmenge an energiereichen Fett umwandeln konnte. Dieser Erfolg führte sogar zu einem Fachartikel in der bekannten Publikation „Nature Biotechnology“.
Das gesteckte Ziel hierbei ist die Produktion von 10.000 Barel (das sind umgerechnet ca. 1,6 Mio. Liter) Algen-Biokraftstoff pro Tag bis 2025.
Dies sind dann auch Werte im industriellen Massstab, die weiter ausbaufähig sind. Das dies noch lang nicht global verwertbar ist liegt auf der Hand, die Richtung jedoch stimmt.
Kraftstoffe der Zukunft – Die Alge als Energielieferant
Wenn man sich näher mit dem Thema Kraftstoff und Algen befasst wird schnell klar, dass es bereits seit einiger Zeit entsprechende Verfahren gibt, die Biokraftstoffe auf Algenbasis forcieren. Grundsätzlich kann man hier zwischen derzeit 4 bekannten Algen-Kraftstoffarten unterscheiden:
- Biodiesel wird aus speziellen Algenkulturen, die Öle produzieren können, gewonnen. Wie weiter oben bereits kurz beschrieben werden dann mit dem Umesterungs-Verfahren entsprechende Dieselkraftstoffe für Verbrennungsmotoren erzeugt.
- Biogas kann durch eine Vergärung spezieller Algenkulturen und deren Biomasse erreicht werden. Als Endprodukt entsteht hier unter anderem Methan (CH4) und Kohlendioxid (CO2). Diese Komponenten ergeben dann ein energiereiches Biogas für dafür ausgelegte Motorentypen.
- Bioethanol erzeugt man bereits im grossen Massstab durch eine Art alkoholische Gärung von Kohlenhydraten in der Algenmasse. Das so erzeugte Ethanol dient dabei als effektiver Kraftstoff.
- Bio-Wasserstoff kann durch spezialisierte Algenstämme und unter bestimmten Bedingungen hergestellt werden. Der Wasserstoff-Anteil kann damit in Brennstoffzellen für die Stromgewinnung eingesetzt werden.
Auch in der Schweiz am PSI (Paul Scherrer Institut) forschen Wissenschaftler an der Möglichkeit, aus Algen entsprechende Energie für Treibstoffe zu gewinnen. Dort wird eine Algen-Biomasse direkt in Gas umgewandelt.
Hierbei wird die in Fotobioreaktoren gezüchtete Algenmasse bei hohen Temperaturen und mit grossem Druck – in sogenanntem überkritischen Wasser – in seine Einzelbestandteile zerlegt. Am Ende dieses Prozesses entsteht dann Methangas, das sich sehr leicht als Kraftstoff in Fahrzeugen nutzen lässt. Die Effizienz liegt derzeit bei respektablen 65 bis 75 Prozent.
Kraftstoffe der Zukunft – Wirtschaftlichkeit und Effizienz
Eine der wichtigsten Fragen ist wohl jene, ob sich die Algenzucht für die Herstellung von alternativen Biokraftstoffen auch lohnt. Nun, der technische Aufwand für beispielsweise Fotobioreaktoren ist vergleichsweise hoch, dem gegenüber steht die Möglichkeit der Freiflächenkultur von Algen in Farmen. Inzwischen ist es am PSI in der Schweiz auch gelungen, einen geschlossenen Nährstoffkreislauf zu erzeugen. Hier werden die wichtigen Nährstoffe für Algen und das Kulturwasser wieder zurückgewonnen und der nächsten Algengeneration zur Verfügung gestellt.
Ein gewichtiges Argument bleibt aber immer an erster Stelle. Gegenüber fossilen Brennstoffen gelten Brennstoffe aus nachwachsenden Rohstoffen wie die Algen als CO2-neutral. Algen benötigen unter anderem CO2 als Nährstoff, welches der Umwelt daher in grossen Mengen entzogen werden könnte.
Im Gegenzug könnte man die Gärreste aus den Algenreaktoren auch als Düngemittel auf den Feldern ausbringen. Damit würde das darin enthaltene Rest-CO2 von den dort angebauten Kulturpflanzen wie beispielsweise Weizen wieder gebunden. Somit wären beide Faktoren Wirtschaftlichkeit und Effizienz auf jeden Fall erreicht.
Fazit
Die Forschung an Algen als Ersatz für Kraftstoffe aus fossilen Brennstoffen hat noch viel ungenutztes Potential. Erst rund 160 von insgesamt 80.000 bekannten Algenarten werden derzeit für Reaktoren genutzt. An der Hochschule Anhalt in Köthen hat Frau Dr. Carola Griehl ein neues Verfahren zur Herstellung von Algenkraftstoff entwickelt und bereits patentiert.
Die Grünalge Botryococcus ist in der Lage, bereits während des Wachstum entsprechende Öle aus der Zelle abzugeben. Durch diesen Umstand und mit neuen Verfahren können die Herstellungskosten um 80% gesenkt werden. Und eine Tatsache wird uns unumstösslich einholen: Unsere fossilen Brennstoffe haben wir in naher Zukunft vollständig und regelrecht verheizt. Und die Frage ist doch, was kommt danach?