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Alternative Kraftstoffe - Überblick

Erstellt am: 28.02.2010 | Stand des Wissens: 15.03.2023
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Ansprechpartner
IKEM - Institut für Klimaschutz, Energie und Mobilität e.V.

Die Knappheit fossiler Rohstoffe, insbesondere von Öl und Gas, bei gleichzeitig steigendem Energiebedarf, und fortschreitendem Klimawandel haben die Suche nach alternativen Kraftstoffen für den Transportsektor in den Fokus wissenschaftlicher und politischer Anstrengungen gerückt. Diese Alternativen sollen einen Beitrag leisten zur Schonung fossiler Ressourcen, zur Reduktion von Treibhausgas-Emissionen und Umweltbelastungen, zur Verringerung der Importabhängigkeit von Erdölprodukten und damit zur nachhaltigen Sicherung der Mobilität. Alternative Kraftstoffe sind Kraftstoffe, die herkömmliche, aus Mineralöl hergestellte Kraftstoffe im Verkehr ersetzen können. Sie sind sowohl für Otto- als auch für Dieselmotoren verfügbar. Dazu gehören vor allem:

Erdgas (Compressed Natural Gas, CNG oder Liquified Natural Gas, LNG)
Autogas (Liquified Petroleum Gas, LPG) - bedingt
Wasserstoff
Methanol
Bioethanol
Biodiesel
Biomass-to-Liquid (BtL)
Biogas (Biomethan)
Strombasierte synthetische Kraftstoffe

Im Vergleich zu den konventionellen Kraftstoffen Benzin und Diesel können alternative Kraftstoffe die Emission von Treibhausgasen wie Kohlenstoffdioxid (CO2) teilweise deutlich senken. Zudem ermöglichen sie oftmals geringere Rußpartikelemissionen und sind praktisch schwefelfrei. Zu erwartende CO2- Emissionsvorteile sind jedoch stark abhängig von der Art und der Gewinnung der verwendeten Rohstoffe und dem zur Herstellung des Kraftstoffs genutzten Produktionsverfahren. Eine allgemein gültige Aussage über die entstehende CO2-Belastung lässt sich für das sehr heterogene Feld der alternativen Kraftstoffe nicht treffen und wird daher in den entsprechenden Teilkarten diskutiert. Aufgrund des oftmals geringeren Energiegehalts bezogen auf das Volumen und der zum Teil noch innovativen Produktionsprozesse können mit der Verwendung von alternativen Kraftstoffen eine eingeschränkte Reichweite und teilweise höhere Kraftstoffkosten (bei Methanol und insbesondere bei Wasserstoff) verbunden sein.
Alternative Kraftstoffe.pngAbb. 1: Energetischer Vergleich von Kraftstoffen [Kraf22; vanB15, S. 58]
Abb. 1: Energetischer Vergleich von Kraftstoffen [Kraf22; vanB15, S. 58] (Grafik zum Vergrößern bitte anklicken)
Der physikalische Vergleich der Heizwerte in Kilowattstunden pro Liter (kWh/l), wie in Abbildung 1 dargestellt, zeigt, dass die Vorteile bestimmter Treibstoffe auf dem höheren Energiegehalt pro Liter beruhen. Der Energiegehalt pro Liter gibt letztlich an, wie weit die Reichweite mit einer Tankfüllung ausfallen kann bei sonst gleichen Parametern (zum Beispiel dem gleichen Motorenwirkungsgrad). Hiervon auszunehmen ist gasförmiges Erdgas (CNG), welches in Kilogramm getankt wird.Die alternativen Kraftstoffe konkurrieren auf dem Markt mit konventionellen Kraftstoffen aus Mineralöl in Bezug auf die Umweltverträglichkeit, Verfügbarkeit, Wirtschaftlichkeit und soziale Akzeptanz. Um sich gegen diese behaupten zu können, müssen alternative Kraftstoffe insbesondere für den Verbraucher spürbare Vorteile bieten, dies geschieht in der Regel über den Preis. [AgVe17]
Im Verkehrsbereich kann insbesondere der Straßenverkehr durch Einführung geeigneter alternativer Kraftstoffe in erheblichem Umfang zu einer Verringerung der Fahrzeugemissionen beitragen. Die Möglichkeit, alternative Treibstoffe in Motoren einzusetzen, hängt nicht nur von den Brenneigenschaften ab, sondern auch von der Auslegung des Motors und seiner Treibstoffzufuhr für die jeweiligen chemischen Eigenschaften eines Treibstoffes und der ihm beigemischten Additive. [Stan20, S.215ff.]
Um eine Verringerung der CO2-Emissionen zu verwirklichen, unterstützt die Bundesregierung die Suche nach möglichen Kraftstoffen der Zukunft auf der Grundlage erneuerbarer Energien mit niedrigen CO2-Emissionen in der gesamten Energiekette. So hat die Bundesregierung im Jahr 2013 die Mobilitäts- und Kraftstoffstrategie (MKS) verabschiedet, welche stetig weiterentwickelt wird. Das Bundesministerium für Digitales und Verkehr generiert mit der MKS neues Wissen und fördert Technologien mithilfe von Pilotprojekten sowie Förderrichtlinien [BMVI18r]. Zudem wird mit dem Nationalen Investitionsprogramm Wasserstoff- und Brennstoffzellentechnologie der Grundaufbau eines Wasserstofftankstellennetzes gefördert [BMVI18e]. Mit diesen und weiteren Förderprogrammen unterstützt die Bundesregierung die Markteinführung alternativer Kraftstoffe und innovativer Antriebstechnologien in Deutschland.

Zudem werden im Rahmen der EU-Richtlinie für erneuerbaren Energien (RED) im Jahr 2009, welche in Deutschland als Nationaler Aktionsplan umgesetzt wurde, Vorgaben bezüglich des Einbezugs erneuerbarer Energiequellen im Verkehrssektor gegeben [BMWI22]. Die Richtlinie wurde als [EU 2018/2001] im Jahr 2018 erneuert (RED II) und befindet sich derzeit erneut in Bearbeitung [EK21a].
Ansprechpartner
IKEM - Institut für Klimaschutz, Energie und Mobilität e.V.
Zugehörige Wissenslandkarte(n)
Alternative Kraftstoffe (Straßenverkehr) (Stand des Wissens: 15.03.2023)
https://www.forschungsinformationssystem.de/?304332
Literatur
[AgVe17] Christian Hochfeld, Alexander Jung, Anne Klein-Hitpaß, Urs Maier, Kerstin Meyer, Fritz Vorholz Mit der Verkehrswende die Mobilität von morgen sichern: 12 Thesen zur Verkehrswende, 2017/03
[BMVI18e] Bundesministerium für Verkehr und digitale Infrastruktur (BMVI) (Hrsg.) Energie auf neuen Wegen: Aktuelles zur Weiterentwicklung der Mobilitäts- und Kraftstoffstrategie der Bundesregierung, 2018/04
[BMVI18r] Bundesministerium für Verkehr und digitale Infrastruktur (BMVI) (Hrsg.) Die Mobilitäts- und Kraftstoffstrategie der Bundesregierung (MKS), 2018/08/07
[BMWI22] BMWI (Hrsg.) EU-Richtlinie für erneuerbare Energien, 2022
[EK21a] Europäische Komission (Hrsg.) Vorschlag für eine Richtlinie des Europäischen Parlaments und Rates zur Änderung der Richtlinie (EU) 2018/2001, der Verordnung (EU) 2018/1999, zur Aufhebung der Richtlinie
(EU) 2015/65 , 2021/07/14
[Kraf22] Kraftstoff-Info (Hrsg.) Vergleich der Kraftstoffe nach Energiegehalt und Dichte, 2022
[Stan20] Stan, Cornel (Hrsg.) Alternative Antriebe für Automobile, 2020
[vanB15] van Basshuysen, Richard (Hrsg.) Erdgas und erneuerbares Methan für den Fahrzeugantrieb, 2015
Rechtsvorschriften
[EU 2018/2001] Erneuerbare-Energien-Richtlinie
Glossar
CNG Compressed natural gas = komprimiertes Erdgas (CH4) wie es zum Beispiel in Fahrzeugen getankt werden kann. Durch die Kompression auf ca. 200 bar erhöht sich der Energiegehalt bezogen auf das Volumen und somit z.B. die Reichweite eines Fahrzeuges bei gleichem Tankvolumen.
LNG
Liquified natural gas = Flüssigerdgas (CH4) wie es zum Beispiel in Fahrzeugen getankt werden kann. Durch Abkühlen auf -164 Grad Celsius schrumpft das Volumen auf ein sechshundertstel des Normvolumens. Damit erhöht sich der Energiegehalt bezogen auf das Volumen und somit zum Beispiel die Reichweite eines Fahrzeuges bei gleichem Tankvolumen. Für die aufwendige Verflüssigung werden circa 10 bis 25 Prozent der im Erdgas gespeicherten Energie aufgewendet, daher findet man im Straßenverkehr hauptsächlich compressed natural gas = komprimiertes Erdgas (CNG).
CH3OH = Methanol. Ist eine farblose, brennend schmeckende, giftige, bei Einnahme durch den Menschen zur Erblindung oder zum Tod fuehrende, leicht brennbare und sehr fluechtige Fluessigkeit. Methanol verbrennt mit blauer, fast unsichtbarer Flamme und bildet mit Luft explosionsfaehige Gemische. In der Natur kommt es in Baumwollpflanzen, Heracleum-Fruechten, Graesern und in aetherischen Oelen vor. Methanol ist eines der wichtigsten Ausgangsstoffe fuer Synthesen in der chemischen Industrie. Methanol ist giftig. Seine giftige Wirkung beruht auf der in der Leber erfolgenden Oxidation zu Formaldehyd und spaeter zu Ameisensaeure.
LPG = Liquified Petroleum Gas. Flüssiggas (Propan, Butan und deren Gemische) ist ein Kohlenwasserstoff, der unter relativ geringem Druck verflüssigt und dann nur etwa 1/260 seines gasförmigen Volumens einnimmt.
CO
= Kohlenstoffmonoxid. CO ist eine chemische Verbindung aus Kohlenstoff und Sauerstoff und gehört damit neben Kohlenstoffdioxid zur Gruppe der Kohlenstoffoxide. Es ist ein farb-, geruch- und geschmackloses Gas. Kohlenstoffmonoxid beeinträchtigt die Sauerstoffaufnahme von Menschen und Tieren. Schon kleine Mengen dieses Atemgiftes haben Auswirkungen auf das Zentralnervensystem.
Es entsteht bei der unvollständigen Oxidation von kohlenstoffhaltigen Substanzen. Dies erfolgt zum Beispiel beim Verbrennen dieser Stoffe, wenn nicht genügend Sauerstoff zur Verfügung steht oder die Verbrennung bei hohen Temperaturen stattfindet. Kohlenstoffmonoxid selbst ist brennbar und verbrennt mit Sauerstoff zu Kohlenstoffdioxid. Hauptquelle für die CO-Belastung der Luft ist der Kfz-Verkehr.
H2 Wasserstoff ("H2" = grch.-lat. für hydrogenium "Wassererzeuger") ist das chemische Element mit der Ordnungszahl 1. Wasserstoff stellt sowohl bezogen auf die Masse (75%) als auch bezogen auf die Zahl der Teilchen (91%) das häufigste aller im All vorkommenden Elemente dar. Wasserstoff ist ein farb- und geruchloses Gas welches in der Natur aufgrund der hohen Reaktivität nicht in seiner elementaren Form vorkommt. Wasserstoff liegt gebunden in Form von Erdöl und Erdgas, in Mineralien, in Biomasse, aber vorwiegend in Form von Wasser vor. Wasserstoff ist somit ein Sekundärenergieträger (Energiespeicher)und muss erst aus den oben genannten fossilen oder nicht fossilen Primärenergieträgern unter Einsatz von zusätzlicher Energie hergestellt werden.
kWh
= Kilowattstunde. Die Wattstunde (Einheitenzeichen: Wh) ist eine Maßeinheit der Arbeit und damit eine Energieeinheit. Eine Wattstunde entspricht der Energie, welche eine Maschine mit einer Leistung von einem Watt in einer Stunde aufnimmt oder abgibt.

Im Alltag gebräuchlich und verbreitet ist die Kilowattstunde, das Tausendfache der Wattstunde. In ihr werden vor allem Strom-, aber auch Heizwärmekosten abgerechnet.

Auszug aus dem Forschungs-Informations-System (FIS) des Bundesministeriums für Verkehr und digitale Infrastruktur

https://www.forschungsinformationssystem.de/?288978

Gedruckt am Donnerstag, 23. Mai 2024 08:33:52