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Alternative Kraftstoffe
Sven Geitmann
Erdgas & Flüssiggas – Biodiesel & Pflanzenöl – Wasserstoff & Strom Womit fahre ich am besten?
Sven Geitmann
Sachbuch
mit 51 Abbildungen und 30 Tabellen
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ISBN 978-3-937863-35-1
2. komplett überarbeitete und aktualisierte Auflage
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Satz: Einsdreiundsiebzig, Tobias Trost, Berlin
Lektorat: Dione Gutzmer, Berlin, www.korrekturleserin.de Alle Rechte vorbehalten! Druck auf holzfreiem Papier, voll recyclingfähig
MOTIVATION
Dieses Buch ist aus der Absicht heraus entstanden, eine fundierte Zusammenfassung herauszubringen, in der sowohl innovative Antriebstechniken als auch alternative Energiespeicher vorgestellt und allgemein verständlich erläutert werden. Leserinnen und Leser sollen angesichts der Vielzahl unterschiedlicher Antriebskonzepte in die Lage versetzt werden, selbständig über Alternativen zu den konventionellen Kraftstoffen Benzin und Diesel entscheiden zu können.
Erdgas, Flüssiggas, Biodiesel, Pflanzenöl, Ethanol, Wasserstoff, Elektrizität – Für jeden dieser so genannten Alternativkraftstoffe gibt es eine eigene Lobby, die jeweils den eigenen Stoff anpreist und die anderen mit Kritik überhäuft. Eine objektive Meinungsbildung ist somit äußerst schwierig. Es stellt sich daher die Frage: Welche Antriebsvariante ist für den jeweiligen Individualfall am besten geeignet? Welchen Kraftstoff sollte ich wählen, wenn ich mir einen Neuwagen anschaffen oder mein Gebrauchtauto umrüsten möchte?
Ehrliche Antworten darauf sind nur schwer zu bekommen. Dieses Buch soll Abhilfe schaffen, indem es das notwendige Hintergrundwissen liefert, so dass sich ein jeder Fahrzeughalter eine eigene Meinung darüber bilden kann, welche Antriebstechnik mit welchem Kraftstoff am besten zu ihm passt.
Das vorliegende Buch ist hervorgegangen aus dem Buch Erneuerbare Energien und alternative Kraftstoffe (erstmals erschienen: 2004), in dem sowohl der gesamte Kraftstoffsektor als auch der große Bereich der erneuerbaren Energien (Solarenergie, Windkraft, Bioenergie, Geothermie, Wasserkraft) behandelt wurde. Mittlerweile sind jedoch beide Bereiche, sowohl die Erneuerbare-Energien-Branche als auch der Alternative-Kraftstoffe-Sektor, so weit gediehen, dass sie problemlos jeweils ein ganzes Buch füllen können.
Das Originalmanuskript wurde daher zweigeteilt. Der hier nicht mehr enthaltene Strom- und Wärme-Bereich ist nun zu finden in dem Buch Erneuerbare Energien – Mit neuer Energie in die Zukunft. Das vorliegende Buch widmet sich ganz den alternativen Kraftstoffen, wobei es sich hierbei mittlerweile schon um die zweite, komplett überarbeitete und aktualisierte Auflage handelt.
Viel Spaß beim Lesen wünscht
Sven Geitmann
INHALT
1 Einleitung
2 Energieversorgung
2.1 Energiebedarf
2.2 Energieverbrauch
2.2.1 Primärenergieverbrauch in Deutschland
2.2.2 Weltweite Energieversorgung
2.3 Zeitliche Verfügbarkeit
2.4 Umweltbelastung
2.4.1 Limitierte Emissionen
2.4.2 Nichtlimitierte Emissionen
2.4.3 CO2-Problematik
2.4.4 Schadstofffreisetzung
2.5 Förderung & Besteuerung
2.6 Entwicklung
2.6.1 Wirtschaftliche Betrachtung
2.6.2 Technische Betrachtung
2.6.3 Thermodynamische Betrachtung
3 Diesel-Alternativen
3.1 Biodiesel
3.1.1 Eigenschaften
3.1.2 Herstellung
3.1.3 Absatz
3.1.4 Kosten
3.1.5 Technik
3.1.6 Umwelt
3.2 Pflanzenöl
3.2.1 Eigenschaften
3.2.2 Herstellung
3.2.3 Absatz
3.2.4 Kosten
3.2.5 Technik
3.2.6 Umwelt
3.2.7 Andere Pflanzenöle
4 Benzin-Alternativen
4.1 Bioethanol
4.1.1 Eigenschaften
4.1.2 Herstellung
4.1.3 Technik
4.1.4 Umwelt
4.1.5 Kosten
4.2 Biogas
4.2.1 Eigenschaften
4.2.2 Herstellung
4.2.3 Technik
4.2.4 Umwelt
4.2.5 Kosten
4.3 Flüssiggas
4.3.1 Eigenschaften
4.3.2 Herstellung
4.3.3 Technik
4.3.4 Speicherung
4.3.5 Umrüstsysteme
4.3.6 Umrüstung
4.3.7 Kosten
4.3.8 Fahrzeuge
4.3.9 Sicherheit
4.3.10 Umwelt
4.4 Erdgas
4.4.1 Eigenschaften
4.4.2 Technik
4.4.3 Speicherung
4.4.4 Betankung
4.4.5 Umrüstung
4.4.6 Fahrzeuge
4.4.7 Kosten
4.4.8 Umwelt
4.5 Wasserstoff – Ottomotor
4.5.1 Eigenschaften
4.5.2 Herstellung
4.5.3 Kosten
4.5.4 Technik
5 Synthetische Alternativen
5.1 Biomass to Liquid (BtL)
5.2 Gas to Liquid (GtL)
5.3 Coal to Liquid (CtL)
6 Elektrische Alternativen
6.1 Strom
6.1.1 Batteriebetrieb
6.1.2 Hybridbetrieb
6.2 Wasserstoff – Brennstoffzelle
6.3 Methanol
7 Energie sparen
8 Zusammenfassung
9 Anhang
9.1 Erfahrungen
9.1.1 Fahrbericht Rapsöl
9.1.2 Fahrbericht Flüssiggas
9.1.3 Fahrbericht Erdgas
9.1.4 Fahrbericht Wasserstoff
9.2 Tabellen
9.3 Abkürzungen
9.4 Einheiten
9.5 Elemente
Literatur
Index
Autor
Verlagsprogramm
1 EINLEITUNG
Der Energiesektor befindet sich in einem Wandlungsprozess. Die bestehenden Strukturen, basierend auf einer zentralistischen Energieversorgung mit fossilen Energieträgern, werden nicht nur von wissenschaftlicher Seite in Frage gestellt. Mittlerweile meldet sich auch verstärkt die politische Seite zu Wort, und sogar die Verbraucher mischen sich zunehmend in die Diskussion mit ein. Grundlegende Veränderungen in der Energiewirtschaft zeichnen sich ab: Mineralölkonzerne engagieren sich mehr denn je im Bereich alternativer Kraftstoffe, Energieversorger werben offensiv mit Energiesparmaßnahmen, und selbst die Autokonzerne, die lange gebremst haben, müssen sich mit Kohlendioxidreduzierung und Hybridlösungen auseinander setzen und angesichts der weltweiten Automobilkrise ihren gesamten Fuhrpark auf sparsamere Modelle umstellen. Auch auf der Verbraucherseite reift das Bewusstsein, dass ein nachhaltiger Umgang mit Energie nicht nur die Umwelt, sondern auch den eigenen Geldbeutel schont.
Dieser Umorientierungsprozess betrifft nicht nur Deutschland. Weltweit ist in den vergangenen Jahren die Erkenntnis gereift, dass die Energiepolitik der führenden Industrienationen aus unterschiedlichen Gründen nicht zukunftsfähig ist und daher abgelöst werden muss von einer auf Nachhaltigkeit basierenden Politik. Der zunehmende weltweite Energiebedarf, hervorgerufen durch Bevölkerungswachstum, Industrialisierung und Globalisierung, kann allein mit Mineralöl langfristig nicht gedeckt werden. Die Ausbeutung der natürlichen Erdöl- und Erdgas-Vorkommen verursacht erhebliche Umweltprobleme, während die fossilen Ressourcen immer weiter dahinschmelzen. Hinzu kommt, dass die Abhängigkeit der ölimportierenden Länder von den Fördernationen ein zunehmendes politisches Konfliktpotential birgt.
Eine Abkehr von diesen Strukturen ist daher unvermeidlich. An ihre Stelle treten zunehmend neue Strukturen basierend auf erneuerbaren Energieträgern und alternativen Techniken. Das Schlagwort für diese neue energiepolitische Ära lautet: Nachhaltigkeit.
Eine nachhaltige Politik verlangt einen im Hinblick auf kommende Generationen verantwortungsbewussten Umgang mit Energie und Umwelt. Es geht um den effizienten Einsatz erneuerbarer Energieressourcen, die innerhalb der Nutzungsdauer wieder regeneriert werden können und bei der Verbrennung nur so viel Kohlendioxid freisetzen, wie zuvor bei der Erzeugung gebunden wurde.
Eine Ablösung der heutigen konventionellen Energiepolitik, die auf fossilen Primärenergieträgern und Kernbrennstoffen basiert, durch eine nachhaltige Politik ist jedoch nicht ohne weiteres von heut auf morgen realisierbar. Das Potential der erneuerbaren Energien ist zwar beträchtlich, steht aber nicht sofort in vollem Umfang zur Verfügung. Umso wichtiger ist es daher, den Anteil alternativer Energietechniken zügig zu vergrößern und umweltschonendere Antriebstechniken dort einzusetzen, wo es heute bereits möglich ist.
Einen wesentlichen Teil der Übergangsstrategie vom fossilen zum regenerativen Energiemanagement bildet – neben der zukünftig zunehmenden Nutzung von Elektro- und Hybrid-Fahrzeugen – der verstärkte Einsatz von alternativen Kraftstoffen wie zum Beispiel Biodiesel, Pflanzenöl und Ethanol. Diese Energieträger können entscheidend dazu beitragen, dass die Mineralölreserven geschont werden, die Autarkie gefördert und gleichzeitig die Umweltbelastung durch Schadstoffemissionen vermindert wird. Auch Flüssiggas und Erdgas werden zu diesen Alternativlösungen gerechnet, obwohl es sich bei ihnen um fossile Energieträger handelt, deren Nutzung Umweltprobleme verursacht und die Ressourcen dezimiert. Als kurz- und mittelfristige Übergangslösung sind sie aber dennoch durchaus geeignet, vorausgesetzt, dass ihr Einsatz zeitlich befristet bleibt. Langfristig muss jedoch nach anderen Alternativen gesucht werden.
Im Fokus einer nachhaltigen Energiepolitik stehen derzeit die biogenen Kraftstoffe der ersten (Biodiesel, Pflanzenöl, Bioethanol) sowie der zweiten Generation (synthetische Kraftstoffe), obwohl auch hier noch einige Fragen offen sind. Hat der Anbau von Bioenergiepflanzen Sinn, wenn dafür riesige Urwaldflächen gerodet werden müssen? Ist es wirklich zielführend, große Mengen an Raps und Mais mit viel Dünger- und Pestizideinsatz erwirtschaften zu wollen, nur um anschließend einen „sauberen Kraftstoff“ einsetzen zu können? Lässt es sich verantworten, Getreide in Form von Bioethanol zu verbrennen, wenn in vielen Regionen der Welt Hunger herrscht? Nein. Hier muss sehr genau auf die gesamte Umwandlungskette der jeweiligen Kraftstoffe geachtet werden, von der Aussaat bis zum Abgas, und darauf, welcher Weg wirklich sinnvoll ist. Nicht alles, was die Vorsilbe „Bio“ trägt, ist auch wirklich nachhaltig.
Außerdem haben Maßnahmen zum Umweltschutz beziehungsweise zur Ressourcenschonung nur dann wirklich Sinn, wenn damit eine Energiesparpolitik einhergeht. Eine merkliche Effizienzsteigerung ist insbesondere vor dem Hintergrund des rasant steigenden Energiebedarfs in China, Indien und etlichen weiteren ehemaligen Entwicklungsländern von überaus großer Bedeutung.
Der derzeitige Gesamtwirkungsgrad bei der Energienutzung innerhalb Deutschlands liegt bei nur 30 %, weltweit liegt er lediglich bei 10 %. Eine derartige Verschwendung von insgesamt rund 90 % der nutzbaren Energie kann sich die Menschheit nicht länger leisten. Hier ist noch sehr großes Optimierungspotential vorhanden, um den Gesamtenergieverbrauch mit sinnvollen Einsparmaßnahmen zu reduzieren und die Effizienz signifikant zu erhöhen.
Dieses Buch soll dabei helfen, auf derartige energiewirtschaftliche Probleme hinzuweisen. Etwaige Verständnislücken sowohl bei Verbrauchern als auch bei Entscheidungsträgern können damit hoffentlich beseitigt werden, um einen bewussten Umgang mit Energien und eine nachhaltige Handlungsweise zu ermöglichen.
Um dies zu erreichen, wird im Folgenden zunächst über die derzeitige Situation im Energiesektor aufgeklärt. Es werden verschiedene alternative Kraftstoffe mit ihren Eigenschaften sowie Vor- und Nachteilen vorgestellt. Dies umfasst sowohl ihre chemischen und physikalischen Merkmale als auch ihre unterschiedlichen Herstellungsverfahren und Einsatzgebiete. Im Mittelpunkt steht dabei die Fahrzeugumrüstung, bei der aus ineffizienten Benzinmotoren relativ sauberere Gasmotoren und aus rußenden Dieselfahrzeugen biologische Allesbrenner gemacht werden. Beide Wege können heute schon auf Verbraucherseite merklich zur Kostensenkung beitragen.
Es werden zudem zahlreiche der bereits verfügbaren Pkw-Serienmodelle präsentiert, die bereits ab Werk mit alternativer Antriebstechnik ausgestattet sind. Darüber hinaus wirft dieser Ratgeber einen Blick auf die Frage, inwieweit synthetische Kraftstoffe beziehungsweise Wasserstoff als Kraftstoffe der Zukunft geeignet sind. Es folgen abschließend eine Auflistung zahlreicher Möglichkeiten der Energieeinsparung im Automobilsektor sowie mehrere Fahrberichte mit unterschiedlichen Fahrzeugtypen.
Nach der Lektüre dieses Buches sollten Sie in der Lage sein, sich ein eigenes, fundiertes Bild von der aktuellen Situation im Kfz-Bereich zu machen. Es sei an dieser Stelle nochmals ausdrücklich darauf hingewiesen, dass Sie hier vergeblich nach allgemein gültigen Tipps zur Auswahl Ihres Traumwagens suchen werden. Bei der Kraftstoff- und Fahrzeugauswahl spielen derart viele verschiedene Faktoren eine Rolle, dass jeweils ganz individuell nach der besten Lösung gesucht werden muss. Sie werden bei Ihrer Suche aber feststellen, dass es gar nicht so schwierig ist, nachhaltig unterwegs zu sein, und dass die Zukunft schon längst begonnen hat. Nachhaltigkeit ist längst keine utopische Vision mehr.
2 ENERGIE-VERSORGUNG
2.1 Energiebedarf
2.2 Energieverbrauch
2.2.1 Primärenergieverbrauch in Deutschland
2.2.2 Weltweite Energieversorgung
2.3 Zeitliche Verfügbarkeit
2.4 Umweltbelastung
2.4.1 Limitierte Emissionen
2.4.2 Nichtlimitierte Emissionen
2.4.3 CO2-Problematik
2.4.4 Schadstofffreisetzung
2.5 Förderung & Besteuerung
2.6 Entwicklung
2.6.1 Wirtschaftliche Betrachtung
2.6.2 Technische Betrachtung
2.6.3 Thermodynamische Betrachtung
2 ENERGIEVERSORGUNG
Im Laufe von Jahrhunderten und Jahrtausenden haben sich die Energiequellen der Menschheit in immer kürzeren Abständen gewandelt. In den Frühzeiten der Entwicklung wurde über zig Jahrtausende hinweg Holz als Brennstoff verwendet. Dann in der Alt-Steinzeit wurde aus Holz die höherwertige Holzkohle hergestellt. Im Altertum entdeckte man dann Braun- und Steinkohle und machte diese nutzbar.
Der Vorteil der Kohle lag gegenüber dem Holz in ihrem höheren Brennwert bedingt durch die höhere Energiedichte, die wiederum ihre Ursache in der Entstehungsgeschichte findet. Bei den Ausgangsprodukten von Kohle handelt es sich um ein komprimiertes Gemisch aus tierischen und pflanzlichen Substanzen. Die Bestandteile sind verschiedenartige Kohlenwasserstoff-Verbindungen, die über einen sehr langen Zeitraum unter der Erdoberfläche eingelagert waren und von den darüber befindlichen Erdschichten zusammengedrückt wurden, weshalb neben der Stoffdichte auch die Energiedichte besonders hoch ist.
Ähnlich sind die Entstehungsgeschichten beim Erdöl und beim Erdgas. Auch diese so genannten fossilen Primärenergieträger bedurften für ihre Entstehung besonderer Voraussetzungen hinsichtlich Temperatur, Druck und katalytischer Wirkungsmechanismen. Erdgas entstand vor ungefähr 600 Mio. Jahren aus abgestorbenen Kleinorganismen, Plankton und Algen, die sich auf dem Grund der Ozeane ablagerten und im Laufe der Zeit von Gesteins- und Erdschichten überdeckt wurden. Unter Luftabschluss und bei hohem Druck bildeten sich durch einen chemischen Prozess aus diesen organischen Substanzen Kohlenwasserstoffe.
Die Nutzung dieser fossilen Stoffe begann in den Jahren 1858/59 fast zeitgleich in Celle, Deutschland, und in Pennsylvania, USA. Einen Ölboom, wie er in Nordamerika in den Folgejahren ausbrach, konnte Deutschland allerdings nicht verzeichnen. Damals wie heute förderten die Deutschen nur ungefähr drei Prozent ihres Ölbedarfs selbst. 80 % des in Deutschland geförderten Öls kamen in der Zeit von 1910 bis 1963 aus Wietze, seit 1964 auch aus der Nordsee.
Die Förderung von Erdgas begann erst in den 1970er Jahren. Bis dahin wurde das Gas als störend empfunden und einfach verbrannt (abgefackelt).
ABB. 1: ÖLPLATTFORM IM GOLF VON MEXIKO
Alle fossilen Energieträger entstammen längst vergangenen Zeiten und haben Jahrmillionen bis zu ihrer Entstehung in der heute vorliegenden Form benötigt. Der ursprünglich in der Atmosphäre vorhandene Kohlenstoff wurde zunächst in Pflanzen und Tieren gebunden und im Laufe der Zeit in tiefer gelegenen Erdschichten eingeschlossen. Ursprünglich ist der atmosphärische Kohlenstoffanteil um einiges höher als heute gewesen, aber da mehr und mehr Kohlenstoffverbindungen unter Tage weggesperrt wurden, verringerte sich der CO2-Anteil in der Atmosphäre, da Kohlenstoff zunehmend dem oberirdischen Kreislauf entzogen wurde. Da dieser Prozess nur sehr langsam ablief, hatte die Natur damals Zeit genug, um sich auf diese Veränderung einzustellen.
Seit der industriellen Revolution Ende des 18. Jahrhunderts werden diese Kohlenwasserstoffverbindungen wieder aus ihren Verstecken hervorgeholt und durch ihre Verbrennung zurück in die Atmosphäre entlassen. Im ursprünglichen Sinne ist dieser Vorgang also ganz natürlich. Das Problem ist allerdings, dass sich die heutigen Lebensformen auf der Erde nicht in einem angemessenen Zeitraum an die veränderten Lebensbedingungen mit einem höheren Kohlenstoffanteil anpassen können, weil diese Rückführung zu schnell abläuft. Dass es tatsächlich zu Veränderungen kommt, ist nicht schwer nachzuvollziehen, wenn man sich überlegt, dass ein maßgeblicher Anteil des Kohlenstoffes, der über Jahrmillionen unterirdisch gespeichert war, innerhalb von 100 Jahren wieder freigesetzt wird. Es ist mehr als verständlich, dass das komplizierte natürliche Gleichgewicht dabei schnell aus der Balance geraten kann.
Der unbändige Energiehunger der Menschheit ist indes auch trotz dieser Ausbeutung längst noch nicht befriedigt. Als weitere Option wurde daher die Kernenergie ins Spiel gebracht, die Anfang des 20. Jahrhunderts entdeckt wurde. Mit dieser Technik können zwar beeindruckend große Energiemengen aus relativ kleinen Mengen Kernbrennstoff gewonnen werden, dafür treten aber bei deren Nutzung schwer wiegende Entsorgungs- und Gesundheitsprobleme auf, die nicht nur unsere Generation, sondern auch noch zahlreiche zukünftige Generationen in erheblichem Maße belasten werden. Dieser Ausflug in die Kerntechnik entpuppte sich folglich als Holzweg, zumindest für die Bundesrepublik Deutschland. Hier ist der Ausstieg aus der Kernenergie beschlossene Sache, obwohl einige Politiker dies regelmäßig wieder in Frage stellen.
ABB. 2: SANGACHAL-PIPELINE BEI BAKU, ASERBAIDSCHAN
Die Suche nach einer geeigneten Energieform ist demnach immer noch nicht zufrieden stellend geklärt, weshalb vorerst an den vorhandenen Energieträgern festgehalten wird. Die ungehemmte weitere Nutzung fossiler Energieträger (Kohle, Erdöl, Erdgas) beinhaltet allerdings zwei gravierende Nachteile:
1. Die natürlichen Ressourcen sind begrenzt (s. Kap. 2.3).
2. Die Verbrennungsprodukte sind umweltschädlich (s. Kap. 2.4).
Es werden zwar immer wieder neue Erdölquellen und Erdgasfelder entdeckt, aber es ist nicht zu leugnen, dass die Gesamtvorkommen endlich sind und in unbestimmter Zeit erschöpft sein werden. Hinzu kommt, dass die Emissionen, die in den Industrieländern verursacht werden, auch anderswo erhebliche Schäden verursachen: Abgasemissionen verunreinigen über Grenzen hinweg die Luft, undichte Öl- und Gas-Pipelines verseuchen Grundwasser und Böden, gekenterte Tankschiffe verdrecken Ozeane und Meeresbewohner. In vielen Fällen bezahlen unschuldige Lebewesen mit ihrer Gesundheit für die Annehmlichkeiten der Industrienationen.