Sprit aus Stiel und Stängel

Biokraftstoffe der zweiten Generation könnten den Teller-Tank-Konflikt lösen. Denn für diese werden nicht eigens Energiepflanzen auf Ackerflächen angebaut, die dann nicht mehr für die Nahrungsmittelproduktion zur Verfügung stehen. Weltweit arbeiten Forschende, darunter auch Ferdi Schüth, Direktor am Max-Planck-Institut für Kohlenforschung, und Walter Leitner, Direktor am Max-Planck-Institut für chemische Energiekonversion, daran, sie wirtschaftlich konkurrenzfähig zu machen – und emissionsärmer.

Text: Ralph Diermann

Millionen von Jahre hat die Natur gebraucht, um den Rohstoff zu schaffen, der uns eine nahezu grenzenlose Mobilität ermöglicht – Erdöl, entstanden aus abgestorbenen Meeresorganismen, die unter Sedimentgestein begraben wurden. Dort waren sie über einen sehr langen Zeitraum hohen Drücken und Temperaturen ausgesetzt. Kraftstoffe wie Benzin oder Diesel sind also ein Gruß aus der fernen Erdgeschichte.

Doch es geht auch viel schneller: Raffinerien produzieren aus Raps, Getreide, Mais, Zuckerrüben oder –rohr hochwertige Biokraftstoffe, die Benzin und Diesel ähneln. Sie können deshalb in modernen Verbrennungsmotoren eingesetzt werden, ohne dass diese dafür grundlegend verändert werden müssen. Biokraftstoffe lassen sich über das bestehende Tankstellennetz verteilen. Ihre Energiedichte ist fast so hoch wie die fossiler Treibstoffe, Autofahrer kommen mit einer Tankfüllung also ähnlich weit. Vor allem aber sind sie weitaus klimafreundlicher als ihre fossilen Gegenstücke, da bei ihrer Verbrennung im Motor nur so viel Kohlendioxid freigesetzt wird wie die Pflanzen zuvor aufgenommen haben. Klimaneutral ist der Biosprit allerdings nicht, weil bei ihrem Anbau und ihrer Produktion Treibhausgase entstehen.

Wer heute alternative Kraftstoffe wie Biodiesel oder Bioethanol zapft, sei es pur oder als Beimischung zu Benzin („E10“) und Diesel, füllt sich so genannte Biotreibstoffe der ersten Generation in den Tank. Sie werden aus Früchten und Samen der Pflanzen hergestellt. Damit stehen diese Biokraftstoffe jedoch in direkter Konkurrenz zur Produktion von Lebensmitteln. So lässt sich zum Beispiel aus Rapssamen nicht nur ein Kraftstoff, sondern auch ein gesundes Speiseöl herstellen. Allein in Deutschland werden heute auf 800.000 Hektar Fläche Energiepflanzen für Treibstoffe angebaut, hat die Fachagentur Nachwachsende Rohstoffe (FNR) ermittelt. Das entspricht immerhin sieben Prozent der gesamten Ackerfläche der Bundesrepublik. Angesichts der stetig wachsenden Weltbevölkerung und der knappen landwirtschaftlich nutzbaren Fläche auf der Erde entsteht mit den Biokraftstoffen der ersten Generation ein Tank-statt-Teller-Konflikt.

Cellulose als attraktiver Ausgangsstoff für Biosprit

Ein guter Grund für Forschende weltweit – darunter auch Wissenschaftler an Max-Planck-Instituten –, an Biokraftstoffen zu arbeiten, die sich aus anderen, nicht für die Ernährung geeigneten organischen Materialien herstellen lassen. Ziel ist es, das Biomasse-Angebot für klimafreundliche Kraftstoffe zu erweitern, um so den Konflikt zwischen Nahrungsmittel- und Treibstoffproduktion zu entschärfen. Dabei haben es die Forscher darauf abgesehen, möglichst viele Bestandteile der Biomasse zu nutzen. In ihrem Fokus steht dabei die Lignocellulose, die aus Cellulose, Hemicellulose und Lignin besteht und das Gerüst von Pflanzen bildet. Mit ihrem Anteilen von Kohlen- und Wasserstoff ist sie ein attraktiver Rohstoff für Alternativen zu Benzin und Diesel, die nichts anderes sind als Kohlenwasserstoffe. Aus ihnen lassen sich aber auch Substanzen gewinnen, aus denen chemische Erzeugnisse wie Kunststoffe hergestellt werden können. Für beide Anwendungen kommen als Ausgangsmaterial zum Beispiel Stroh oder die Abfälle von Baumpflegearbeiten in Frage. Allein mit der in Deutschland jährlich anfallenden Strohmenge ließen sich rechnerisch gut drei Prozent des gesamten heimischen Primärenergiebedarfs decken.

Biokraftstoffe der zweiten Generation lassen sich auf verschiedenen Wegen herstellen. Beim so genannten BtL-Verfahren (Biomass to Liquids) wird aus der Biomasse unter Hitze zunächst Synthesegas erzeugt, das vor allem aus Wasserstoff, und Kohlenmonoxid, aber auch aus Schwefel- und Stickstoffverbindungen besteht. Letztere müssen entfernt werden, da sie den weiteren Prozess behindern. Das Synthesegas wird anschließend zu flüssigen Kohlenwasserstoffen verarbeitet – zum Beispiel im Fischer-Tropsch-Verfahren, das bereits vor fast hundert Jahren entwickelt wurde, um Kohle zu verflüssigen. Schließlich wird das entstandene Gemisch verschiedener Kohlenwasserstoffe mit Prozessen aus der Raffination von Erdöl zu Biokraftstoffen verarbeitet. „Mit diesem Verfahrens ist es möglich, so genannte Drop-In Fuels herzustellen, die sich problemlos in den heutigen Verbrennungsmotoren einsetzen lassen“, erklärt Ferdi Schüth, Direktor am Max-Planck-Institut für Kohlenforschung in Mülheim an der Ruhr. Außerdem eignet sich der BtL-Prozess für nahezu alle Arten von Biomasse.

Allerdings bringt das Verfahren eine logistische Herausforderung mit sich: Wegen des gemessen am Volumen recht geringen Energiegehalts der Biomasse sind gewaltige Mengen davon nötig, um eine Anlage auslasten zu können. Das macht unzählige LKW-Fahrten nötig, um ausreichend Stroh und andere Biomasse vom Acker zur Anlage zu bringen. Lösen lässt sich dieses Problem mit einer räumlich getrennten Pyrolyse, die den Syntheseprozessen vorgeschaltet wird. Dabei entsteht unter anderem ein so genanntes Pyrolyse- oder Bioöl, das aus verschiedenen sauerstoffhaltigen organischen Verbindungen sowie Wasser besteht. Es enthält etwa drei Viertel des Energiegehalts der Biomasse – bei stark reduziertem Volumen. „Das Bioöl wird dann per Tankwagen oder Zug in die BtL-Anlage transportiert und dort mit den Standardverfahren weiter verarbeitet“, erläutert Schüth. Der Umweg über die Pyrolyse hat aber nicht nur aus logistischer Sicht Charme – sondern auch, weil Raffinerien mit dem Bioöl neben Kraftstoffen auch chemische Rohstoffe herstellen können.

Eine Alternative zum BtL-Konzept sind die enzymatischen Verfahren. „Dabei wird die Biomasse nach einer mechanischen Vorbehandlung mithilfe spezieller Enzyme zerlegt“, erklärt Schüth. Dabei liegt die Herausforderung darin, das Lignin von der Cellulose und der Hemicellulose zu trennen. Letztere können zu Ethanol vergärt werden. Als Alternative zum enzymatischen Prozess lässt sich die Biomasse aber auch auf chemischem Wege umwandeln. Auf diesem Wege kommt man zu einer breiteren Palette möglicher Kraftstoff-Komponenten, zu Furan-Derivaten zum Beispiel. Ein Pluspunkt von Ethanol und Furanen: Sie verbrennen sauberer als etwa der BtL-Sprit.

„Zu teuer für einen breiten kommerziellen Einsatz“

Weltweit könnten Biokraftstoffe der zweiten Generation einer Studie des Umweltbundesamtes zufolge bis 2050 zwischen 13 und 19 Exajoule Energie bereitstellen. Das reicht zwar längst nicht aus, um den gesamten Energiebedarf für die Mobilität zu decken – der wird 2050 global bei insgesamt 100 bis 179 Exajoule liegen, schätzt die Bundesbehörde. Für den Klimaschutz im Verkehr seien sie jedoch eine notwendige Ergänzung zur Elektromobilität sowie zu anderen alternativen Treibstoffen.

Mit ihrer Arbeit am Biosprit sind die Forscher aus Wissenschaft und Industrie bereits weit gekommen: Große Demonstrationsanlagen sowohl für BtL- als auch für enzymatische Prozesse zeigen, dass die Verfahren technisch gesehen im Grundsatz gut funktionieren. Wenn da nur nicht die hohen Kosten wären. „Die Prozesse sind derzeit alle noch viel zu teuer für einen breiten kommerziellen Einsatz“, sagt Schüth.

Beim BtL-Prozess treibt unter anderem die Reinigung des Synthesegases etwa von Schwefel- und Stickstoffverbindungen die Kosten in die Höhe. Bei den enzymatischen Verfahren wiederum gehen vor allem die Enzyme ins Geld. Zudem ist der Prozess alles andere als trivial. Das gilt auch für die Zerlegung der Biomasse auf chemischem Wege. Auch die Integration der enzymatischen und chemischen Verfahren in die Prozesse einer Bioraffinerie ist nicht gerade einfach. „Hier geht es vor allem darum, eine optimale Balance zwischen der Herstellung von Kraftstoff und Chemieprodukten zu finden“, erläutert Schüth.

Es gibt also noch viel zu tun für die Expertinnen und Experten aus Wissenschaft und Industrie – auch für Max-Planck-Institute, von denen einige schon lange zu Biokraftstoffen forschen. Das Max-Planck-Institut für Kohlenforschung zum Beispiel arbeitet derzeit unter anderem an Synthesemethoden für die Veredelung von Bioöl, das durch eine Pyrolyse von Biomasse hergestellt wird. „Wir wollen wir dazu beitragen, dass Raffinerien aus Bioöl auf wirtschaftliche Weise eher hochpreisige Chemie-Rohstoffe und Kraftstoffe im richtigen Verhältnis produzieren können.“, sagt Schüth. Das Bioöl enthält neben Wasser verschiedene Verbindungen aus Kohlenstoff, Wasserstoff und Sauerstoff – Carbonsäuren, Aldehyde oder Phenole zum Beispiel. Um das Bioöl zu Kraftstoffen und chemischen Rohstoffen verarbeiten zu können, müssen gezielt einzelne Sauerstoffatome aus den Verbindungen entfernt werden. Hier setzen die Max-Planck-Forscher an: Sie suchen nach Katalysatoren, die eine solche selektive Deoxygenierung bei geringem Energieaufwand möglich machen.

Darüber hinaus haben Forscher des Instituts einen neuartigen mechanochemischen Prozess entwickelt, bei dem Cellulose durch das Mahlen in einer Kugelmühle zerlegt wird. Das Verfahren ist schneller als herkömmliche Methoden und es fallen weniger wertlose Nebenprodukte an. „Wir müssen aber ganz ehrlich sagen: Bei der gegenwärtigen Marktsituation findet sich niemand, der diesen Prozess derzeit kommerziell anwenden könnte“, schränkt Schüth ein.

Maßgeschneiderte Bio-Kraftstoffe

Wenn für die Produktion von Biokraftstoffen der zweiten Generation die Biopolymere aus der Biomasse erst einmal gespalten und dann quasi nach Belieben zu neuen Molekülen zusammengesetzt werden – dann lässt sich vielleicht auch ein anderes Problem angehen, für das der Verkehr neben seiner schlechten CO₂-Bilanz immer wieder in die Kritik gerät: die Belastung vor allem der Innenstädte mit Schadstoffen, hauptsächlich mit Feinstaub und Stickoxiden. Denn das BtL-Verfahren lässt sich möglicherweise so gestalten, dass schadstoffärmerer Sprit entsteht.

Diesen Grundgedanken verfolgen Forschende an einem Exzellenzcluster der Rheinisch-Westfälischen Technischen Hochschule Aachen (RWTH) namens The Fuel Science Center, an dem die Max-Planck-Institute für Kohlenforschung und für Chemische Energiekonversion sowie das Forschungszentrum Jülich beteiligt sind. Dabei haben es die Wissenschaftler vor allem auf die Ruß-NOx-Schere abgesehen, die bei allen Kraftstoffen aus reinen Kohlenwasserstoffen, ob fossil oder erneuerbar, ein Problem darstellt. Sie bezeichnet einen Zielkonflikt bei der Verbrennung: Je weniger Sauerstoff dabei vorhanden ist, desto mehr Ruß in Form von gesundheitsschädlichem Feinstaub entsteht. Je mehr Sauerstoff jedoch im Spiel ist, desto mehr Stickoxide, kurz NOx stößt der Motor aus. „Man hat also vermehrt entweder den einen oder den anderen Schadstoff im Abgas“, erklärt Walter Leitner, Direktor am Max-Planck-Institut für Chemische Energiekonversion in Mülheim an der Ruhr.

Die Wissenschaftler des The Fuel Science Center haben die molekulare Zusammensetzung der alternativen Kraftstoffe daher so verändert, dass sowohl der Ruß- als auch der NOx-Ausstoß niedrig gehalten werden. „Wir haben die Kraftstoffe quasi auf die Emissionsminderung hin maßgeschneidert“, sagt Leitner. Dabei arbeiten die Forscher nicht nur mit biobasierten, sondern auch mit synthetischen strombasierten Kraftstoffen. Dieser Treibstoff, auch E-Fuel genannt, wird aus Kohlendioxid und Wasserstoff hergestellt, der per Elektrolyse mit Strom aus Windrädern, Fotovoltaik-Anlagen oder Wasserkraftwerken produziert wurde. Abstriche beim Wirkungsgrad des Motors müssen Autofahrer bei solchen Kraftstoffen nicht machen. „Hier kann man über die molekulare Zusammensetzung sogar Vorteile zum Beispiel bei der Klopffestigkeit und damit der Motorleistung erreichen“, erklärt der Wissenschaftler.

Das Exzellenzcluster setzt jedoch nicht nur bei den Kraftstoffen, sondern auch bei den Motoren an. „Die Kollegen aus den Ingenieurwissenschaften entwickeln die klassischen Otto- und Diesel-Motoren so weiter, dass sie die Vorteile der optimierten Kraftstoffe bestmöglich nutzen können, mit Blick auf die Emissionen wie auf ihre Performance“, erläutert Leitner. So arbeiten die Forscher unter anderem an Motoren, die mit unterschiedlichen Kraftstoffen aus zwei Tanks gespeist werden – einer enthält einen Kraftstoff, der besonders schnell zündet und damit die Verbrennung optimal in Gang setzt; der andere liefert den Sprit für den eigentlichen Betrieb. Von der Serienreife sind solche Motorenkonzepte allerdings noch weit entfernt. „Das liegt nicht zuletzt daran, dass die Automobilindustrie derzeit sehr stark auf andere Pferde setzt“, so Leitner.

„Der Markt muss den Einsatz von Kraftstoffen aus regenerativen Quellen belohnen“

Gut möglich, dass sich dies ändert, wenn die Politik Rahmenbedingungen schafft, die innovative Motorenkonzepte dieser Art für die Autobranche attraktiver machen. Das gilt genauso für den Einsatz von Kraftstoffen regenerativen Ursprungs. „Sie werden sich nur dann durchsetzen, wenn der Markt ihren Einsatz belohnt. Und das verlangt, dass die Politik die Weichen neu stellt“, erklärt Ferdi Schüth vom Max-Planck-Institut für Kohlenforschung.

Zwar gibt es mit dem Bundesimmissionsschutzgesetz bereits heute einen Hebel, Ökosprit an die Zapfsäulen zu bringen. Es zwingt die Kraftstoffindustrie, die CO₂-Emissionen ihrer Produkte kontinuierlich zu reduzieren. Um dem gerecht zu werden, mischen die Unternehmen dem Benzin und Diesel jedoch vor allem Biokraftstoffe der ersten Generation bei. Die sind deutlich billiger als solche aus Cellulose. Das liegt vor allem daran, dass die Branche Kraftstoffe aus Früchten, Samen wie Raps oder Zuckerrohr längst in industriellem Maßstab herstellt, was die Kosten trotz der teuren Ausgangsstoffe niedrig hält.

Um Biotreibstoffe der zweiten Generation in den Markt zu bringen, muss die Nachfrage stimuliert werden, so dass es sich für die Industrie lohnt, entsprechende Produktionskapazitäten aufzubauen. Denn desto mehr hergestellt wird, desto stärker sinken die Kosten. Immerhin hat die EU mit der Neufassung der Erneuerbare-Energien-Richtlinie (RED II) festgelegt, dass der Anteil „fortschrittlicher Biokraftstoffe im Verkehrssektor“ – gemeint sind alle Kraftstoffe aus biologischen Abfall- und Reststoffen – bis 2025 mindestens ein Prozent und bis 2030 mindestens 3,5 Prozent betragen soll. Den Anteil von Biokraftstoffen der ersten Generation hat die EU wegen möglicher Landnutzungskonflikte auf sieben Prozent begrenzt. Da Biokraftstoffe der zweiten Generation doppelt angerechnet werden dürfen, liegt das Ziel für diese real allerdings nur maximal halb so hoch.

Schüth und auch sein Forscherkollege Leitner bevorzugen allerdings statt einer Quote ein anderes Instrument: die CO₂-Bepreisung. „Eine CO₂-Abgabe auf fossile Kraftstoffe in angemessener Höhe kann dazu beitragen, dass diese ihren Kostenvorteil gegenüber klimafreundlicheren Alternativen verlieren“, sagt Schüth. Leitner weist darauf hin, dass dies aber nur dann gilt, wenn die Beimischung von biobasierten oder auch synthetischen strombasierten Kraftstoffen als emissionsmindernd anerkannt wird. „Nach den aktuellen EU-Regularien ist das derzeit noch nicht der Fall“, sagt Leitner. „Hier besteht bei der bevorstehenden Novellierung dringender Handlungsbedarf, damit in der Bilanz nicht allein der CO₂-Ausstoß am Motor betrachtet wird, sondern auch die Bindung des CO₂ bei der Produktion“, sagt Leitner. „Biokraftstoffe und E-Fuels verwerten ja zunächst CO₂, um damit erneuerbare Energie nutzbar zu machen. Sie packen sozusagen Sonne in den Tank.“

Auf den Punkt gebracht:

• Biokraftstoffe aus Pflanzenabfällen wie etwa Stroh stehen nicht in Konkurrenz zur Produktion von Nahrungsmitteln, sind aber noch zu teuer.
• Biotreibstoffe werden in Pilotanlagen bereits im Biomass-to-Liquids-Verfahren oder enzymatisch erzeugt und könnten etwa ein Zehntel des weltweiten Energiebedarfs für die Mobilität decken.
• Max-Planck-Forscher versuchen, die Nutzung von Lignocellulose rentabler zu machen, unter anderem indem sie daraus neben Treibstoffen auch eher hochpreisige Grundstoffen für die chemische Industrie gewinnen.
• Über die molekulare Zusammensetzung lassen sich sowohl die Ruß- als auch die Stickoxidemissionen von Biotreibstoffen reduzieren. Bei fossilen Treibstoffen lässt sich der Ausstoß des einen Schadstoffs nur auf Kosten erhöhter Emissionen des jeweils anderen senken.