Synfuels

Feste Brennstoffe: Braunkohle, Steinkohle, Pflanzenkohle, Holz, usw.

Flüssige Brennstoffe: Benzin, Heizöl, Diesel, Kerosin, Bioetahnol, usw.

Gasförmige Brennstoffe: Wasserstoff, Methan, Biogas, Propan

Gründe für e-Fuels und Synfuels:

-          Wissenschaftlich/technisch: die meisten Verfahren sind bekannt und grosstechnisch erprobt

-          Gesellschaftlich: Klimakatastrophe, erneuerbares Energiesystem, saubere Umwelt

-          Wirtschaftlich: Nutzung von Stromüberschüssen, saisonale Speicherung, Sektorkopplung, Übergangsphase für Verbrennungsmotore

-          Politisch: Ausstieg aus Verbrennungsmotoren, Unabhängigkeit von Rohstoffvorkommen, Dekarbonisierung von Flugverkehr und Schifffahrt

Politische Vorgaben EU & CH:

-          Die EU strebt bis 2050 eine 60%ige Verringerung der verkehrsbedingten Treibhausgasemissionen gegenüber 1990 an

-          Der Anteil von CO2-Emissionsarmer nachhaltiger Flugkraftstoffe soll 40 % betragen

-          Ab 2035 soll in der EU die Zulassung von Neuwagen mit Verbrennungsmotoren verboten werden

-          In der Schweiz sollen Synfuels für Flugverkehr importiert werden, bei PKWs soll elektrifiziert werden

Eigenschaften von Synfuels:

-          Sehr saubere Verbrennung, keine Störstoffe, da von Grund auf synthetisiert

-          Kein Schwefel

-          Keine Aromaten -> keine Russbildung

Aromaten, auch als aromatische Kohlenwasserstoffe bekannt, sind eine Klasse von organischen Verbindungen, die mindestens einen Benzolring in ihrer Struktur enthalten. Viele Aromaten sind toxisch.

-          Die spezifische Energiedichte ist oftmals geringer als bei konventionellen fossilen Brennstoffen

Herstellung von Heptan C7H16 mit 7CO2 + 8H2O Rest von 11O2 Molekülen.

Fischer-Tropsch-Synthese von Kohlenwasserstoffen

n CO + (2n+1) H2 -> CnH2n+2 + n H2O                     (FTS gibt alle Kombinationen (von n) mit einer Wahrscheinlichkeitsverteilung ab.

Low Temperature Fischer-Tropsch (LTFT) bei 200-250 °C und 25-30 bar –> Benzin & Diesel

High Temperature Fischer-Tropsch (HTFT) bei 300-350 °C und 25 bar –> kein Diesel

Synhelio-Verfahren (solar fuels) (Wirkungsgrad zwischen 4 – 11 % optimistisch):

Reduktion von Cer-Oxid (CeO2 –> CeO + 0.5 O2) (Energie wird verbraucht = endotherm)

Oxidation von CO2 + CeO –> CO + CeO2 sowie H2O + CeO = H2 + CeO2 (exotherme Reaktion)

CO/H2 kann anschliessend in die klassische Methanol- oder FT-Synthese eingespeist werden.

Herstellung von Methanol:

Hauptreaktion: CO + 2 H2 <–> CH3OH (exotherme Reaktion (Umgebungstemperatur sollte möglichst tief sein) von links nach rechts)

Problem: Prozess ist bei tiefen Temperaturen sehr langsam

Aktueller Stand und geplante Entwicklung von E-Fuels und Synfuels:

Weltweiter Verbrauch zurzeit: 3.25 * 10^11 l/Jahr

Synhelion geplant 2040: 10^10 -> 1/32 davon

Synhelion 2025 und Steeper 2021: 10^6 -> 1/325‘000

Wenn die Entwicklung gut verläuft, sind die Preise von synthetischen Treibstoffen 2050 etwa dreimal so hoch wie die Gestehungskosten von fossilen Treibstoffen heute (Mit Steuern nur noch ca. 20 % - wieder alles sehr optimistisch).

Well-To-Wheel mit einem Windrad (6 GWh/a):

Batterieelektrisches Fahrzeug (BEV): 1‘600 Fahrzeuge (20‘000 km/a)

Wasserstoff Fahrzeug (FCEV): 600 Fahrzeuge (20‘000 km/a)

eFuel Auto mit Verbrennungsmotor (ICE): 250 Fahrzeuge

Wirkungsgrade:

-          E-Wasserstoff (gasförmig):  61 % (potenzial 70 %)

-          E-Wasserstoff (verflüssigt): 53 % (potenzial 64 %)

-          E-Methan (gasförmig):                              52 % (potenzial 61 %)

-          E-Fuels:                                        45 % (potenzial 53 %)

Elektrolyse-Technologien:

-          Alkalisch (25-90 °C – Kommerziell): +einfache Katalysatoren, -kleine Stromdichte, -Limitation bezüglich Teillast und Dynamik; Wirkungsgrad 70-77 %

-          Proton-Austausch-Membran (PEM, 25-100 °C – Kommerziell): + sehr dynamisch und teillastfähig, + hohe Stromdichte, -Edelmetall-Katalysatoren; Wirkungsgrad 70-77 %

-          Solid-Oxide-Electrolyzer-Cell (SOEC, >700 °C – Pilot-Massstab): -sehr gute Wärmeintegration nötig; Wirkungsgrad >90 %

Farbenlehre Wasserstoff:

-          Grauer-Wasserstoff: Wasserstoff aus fossilem Brennstoff mit Dampfreformierung

-          Blauer-Wasserstoff: Wasserstoff aus fossilem Brennstoff mit Dampfreformierung & CCS

-          Türkiser-Wasserstoff: Wasserstoff mit Pyrolyse (fester Kohlenstoff) nicht erneuerbar

-          Grüner-Wasserstoff: Wasserstoff mit Elektrolyse und erneuerbaren Energien