Welche Rolle können E-Fuels bei Klimaschutz und Energiewende spielen?

Unter E-Fuels versteht man synthetisch hergestellte Brennstoffe, die unter Einsatz von (möglichst erneuerbarem) Strom aus Wasserstoff und Kohlendioxid erzeugt werden. Das Kurzwort steht für „electric fuels“ (zu Deutsch etwa: „elektrische Brennstoffe“). Ihre Herstellung erfordert einen hohen Energieaufwand und erfolgt – vereinfacht gesprochen – in zwei Schritten: Zunächst wird unter Einsatz von Elektrizität Wasser in Wasserstoff [einen ausführlichen Klimafakten-Text dazu finden Sie hier] und Sauerstoff gespalten (Elektrolyse). Dann wird der Wasserstoff in einem chemischen Prozess unter Druck und Hitze dazu gebracht, mit CO₂ zu reagieren (Synthese).

Obgleich in politischen Debatten meist von E-Fuels gesprochen wird, sind international und auch in deutschsprachigen Fachpublikationen auch Bezeichnungen wie „synthetic fuels“, „syn-fuels“ oder „strombasierte (bzw. wasserstoffbasierte) synthetische Kraftstoffe“ gebräuchlich (IEA 2022a; IPCC 2022; Umweltbundesamt 2020; Ragwitz/Weidlich et. al. 2023). Generell wird das Verfahren, in dem E-Fuels entstehen, auch Power-to-X genannt – das X kann dabei stellvertretend für Gas stehen (Power-to-Gas), für flüssige Kraftstoffe (Power-to-Liquids) oder für chemische Grundstoffe (Power-to-Chemicals).

In Politik, Medien und Öffentlichkeit meint der Begriff E-Fuels meist strombasierte synthetische Kraftstoffe im Verkehr (etwa Benzin und Diesel, manchmal auch Kerosin), die bisher aus fossilen Rohstoffen hergestellt werden. Darüber hinaus gibt es aber weitere E-Fuels wie synthetisch hergestelltes Methanol oder Ammoniak (der allerdings aus Wasserstoff und Stickstoff synthetisiert wird statt aus Wasserstoff und CO₂). Für diese beiden Stoffe wird sowohl ein stofflicher als auch ein energetischer Einsatz diskutiert – also eine Verwendung als Grundstoff in der chemischen Industrie oder als Treibstoff zum Beispiel im Schiffsverkehr. Ein wichtiges gasförmiges E-Fuel ist E-Methan (andere Bezeichnungen sind E-NG oder SNG), das unter anderem zur Langzeit-Speicherung von Ökostrom eingesetzt werden könnte. Einen Überblick über die verschiedenen Formen, Anwendungsbereiche und Produktionsverfahren geben u.a. Sterner und Specht (2021).

E-Fuels sind noch nicht in größerem Maßstab kommerziell verfügbar. Es gibt sie nur in kleinen Mengen, die in Laboren oder ersten Demonstrationsanlagen erzeugt werden. Wie schnell die Produktion hochgefahren werden kann, ist derzeit nicht absehbar und hängt stark von politischen Entscheidungen ab (siehe auch Abschnitt 9).

In Deutschland gibt es mehrere Forschungsprojekte zu E-Fuels. Zu den bekanntesten gehört jenes am Karlsruher Institut für Technologie (KIT), wo bis zu 200 Liter flüssige E-Fuels pro Tag erzeugt werden können. In einer weiteren Anlage, die besonders flexibel auf schwankende Strommengen reagieren soll, wird E-Methan erzeugt. Auch die ETH Zürich engagiert sich in der E-Fuels-Forschung, zum Beispiel untersucht sie etwa, wie die Herstellung von synthetischem Methan energieeffizienter gelingen kann. Das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt ist ebenfalls an mehreren Forschungsprojekten beteiligt und hat daneben gemeinsam mit anderen Forschungseinrichtungen die Potenziale der MENA-Region (Nahost und Nordafrika) für die Herstellung von E-Fuels untersucht.

In deutschen Medien ist sehr ausführlich über eine Demonstrationsanlage im Süden Chiles berichtet worden: Haru Oni, eröffnet im Dezember 2022, wird von einem Konsortium betrieben, an dem unter anderem Porsche, Exxon Mobil und Siemens beteiligt sind; die Bundesregierung fördert das Projekt mit mehr als acht Millionen Euro. In einer Pilotphase sollen zunächst 130.000 Liter synthetisches Benzin und Flüssiggas im Jahr hergestellt werden. Ab etwa 2027 soll die Produktionskapazität von Haru Oni 550 Millionen Liter betragen, in Medienberichten wurden allerdings Anlaufschwierigkeiten geschildert. Auch für synthetisches Flugbenzin (E-Kerosin) existieren in Deutschland bereits Demonstrationsanlagen, eine davon seit Oktober 2021 im niedersächsischen Werlte. Laut dem Betreiber, dem Emissions-Kompensationsanbieter atmosfair, wird dort synthetisches Kerosin produziert, das bereits am Flughafen Hamburg zum Einsatz kommt.

In Norwegen soll eine weitere Pilotanlage, an der das Dresdner Unternehmen Sunfire beteiligt ist, ab 2026 Liter E-Kerosin erzeugen – die Betreiber sprechen in einer ersten Ausbaustufe von 12,5 Millionen Liter. In Österreich baut die AVL List GmbH die nach eigenen Angaben „modernste Power-to-Liquid-Anlage Europas“, die nach Firmenangaben von 2021 etwa 500.000 Liter Dieseläquivalent pro Jahr erzeugen soll. Die genannten Mengen sind aber verschwindend gering im Vergleich zum derzeitigen Konsum fossiler, klimaschädlicher Kraftstoffe: Allein der deutsche Pkw-Verkehr hat 2021 mehr als 42 Milliarden Liter Benzin und Diesel verbraucht, deutsche Fluggesellschaften verbrannten 2019 laut Branchenangaben rund zwölf Milliarden Liter Kerosin.

Für die Herstellung von E-Fuels braucht man (wie in Punkt 1 erklärt) Strom, mit dem Wasserstoff erzeugt wird, der sich dann mit Kohlendioxid verbindet. Wie hoch der Nutzen fürs Klima ist, hängt davon ab, woher all dies kommt.

3.1. (Regenerativer) Strom

Am wichtigsten für die Produktion von E-Fuels ist – wie der Name schon sagt – Elektrizität. Damit E-Fuels beim Klimaschutz helfen, muss der Strom aus CO₂-armen bzw. -freien Quellen stammen wie etwa Solar- oder Windkraft. Doch solcher Strom ist derzeit und auch auf absehbare Zeit knapp. Der weltweite Energiebedarf steigt, und für den Klimaschutz ist entscheidend, wie schnell und in welchem Ausmaß klimafreundliche Elektrizität den Strom aus fossilen Kraftwerken verdrängt. Ein zusätzlicher Bedarf aber kann diesen Verdrängungsprozess verlangsamen. Und weil E-Fuels die verfügbare Energie nur sehr ineffizient nutzen (siehe Abschnitt 6.1.), bedeuten sie einen vergleichsweise hohen zusätzlichen Bedarf. Mit anderen Worten: Der Klimanutzen von Ökostrom ist viel größer, wenn man ihn nicht für E-Fuels nutzt, sondern direkt als Ersatz für Strom aus Kohlekraftwerken.

Zwar wächst der Anteil von klimafreundlich erzeugter Elektrizität, sowohl in Deutschland wie auch weltweit. Die Internationale Energiebehörde (IEA) prognostiziert, dass regenerative Energieträger auf lange Sicht „weltweit die dominante Stromquelle“ sein werden (IEA 2022c). Noch immer aber stammen rund 30 Prozent der globalen Stromerzeugung aus Kohle und rund 20 Prozent aus Gas (IEA 2023). In Deutschland wird – trotz des Booms der Erneuerbaren – noch immer fast die Hälfte des Stroms aus fossilen Energieträgern gewonnen. In Österreich steuern die fossilen Energieträger noch knapp 20 Prozent zum Strommix bei, in der Schweiz hingegen weniger als zwei Prozent.

3.2. (Klimaneutral hergestellter) Wasserstoff

Gemessen an den benötigten Mengen ist klimaschonend hergestellter Wasserstoff [hier ein separater Text zum Thema] nur höchst begrenzt vorhanden (Odenweller et al., 2022). Dies dürfte noch über viele Jahre so bleiben (Ueckerdt et al. 2021 und dazugehörige Vortragsfolien). Die Bundesregierung rechnet damit, dass Deutschland in den kommenden Jahrzehnten erhebliche Mengen an Wasserstoff importieren muss, etwa aus Kolumbien, Australien, Namibia oder Marokko (vgl. dazu Fraunhofer ISE 2023).

Es scheint allerdings unsicher, ob die Versorgung durch Importe in naher Zukunft problemlos möglich ist (Ragwitz/Weidlich 2023). Die Verfügbarkeit von Wasser könnte ein begrenzender Faktor sein, gerade in trockenen Ländern und Regionen wie Marokko oder dem Süden Chiles (Handelsblatt 2021; MDR 2023).

3.3. Kohlendioxid

E-Fuels werden in der Regel für die zeitnahe Nutzung produziert, der in ihnen enthaltene Kohlenstoff wird also relativ schnell (in die Atmosphäre) freigesetzt, etwa bei der Verbrennung in Motoren. Damit E-Fuels für den Klimaschutz etwas bringen, muss das für ihre Herstellung genutzte CO₂, der zweite wesentliche Ausgangsstoff, aus der Atmosphäre stammen. Es ist dort bekanntlich im Überfluss vorhanden; doch es für die E-Fuel-Produktion zu isolieren, bringt eigene Herausforderungen mit sich.

Generell lässt sich das Kohlendioxid auf drei Wegen gewinnen (Ueckerdt et al. 2021):

• Man kann es über das sogenannte Direct Air Capture (DAC) direkt aus der Atmosphäre entnehmen, doch dieses Verfahren ist noch sehr teuer und energieintensiv. Technologisch steht es erst am Anfang; wann auf diesem Wege größere Mengen Kohlendioxid für E-Fuels zur Verfügung stehen, ist nicht absehbar.

• Man kann CO₂ aus Biomasse gewinnen, zum Beispiel aus der Abluft einer Biogasanlage, wie im niedersächsischen Werlte (ähnlich der BECCS-Technologie – einen ausführlichen Klimafakten-Text zu CCS finden Sie hier). Das hat den Vorteil, dass Kohlendioxid (das vorher beim Wachsen der Biomasse aus der Atmosphäre gefiltert wurde) in diesen Abgasen in höherer Konzentration vorhanden ist als in der Umgebungsluft. Generell ist die verfügbare Menge an nachhaltig erzeugter Biomasse aber begrenzt. Und je nachdem, wie sie gewonnen wird, kann sie auch zusätzliche Emissionen (aus Landnutzungsänderungen) verursachen oder in Konkurrenz mit der Nahrungsmittelproduktion treten, was eigene Nachhaltigkeitsprobleme aufwirft.

• Schließlich kann das CO₂ aus den Abgasen fossiler Kraftwerke gewonnen werden (mit der sogenannten CCS-Technologie – einen ausführlichen Klimafakten-Text dazu finden Sie hier]) – doch dann sind die erzeugten E-Fuels nicht wirklich klimafreundlich, weil nur eine Zwischenstation, die das Treibhausgas aus fossilen Quellen vorübergehend speichern, bevor es schließlich doch in die Atmosphäre gelangt.

Im Gegensatz zu fossilen Kraftstoffen setzen E-Fuels bei der Verbrennung keine zusätzlichen klimaschädlichen Gase frei. Sie entlassen lediglich jene Menge Kohlendioxid in die Atmosphäre, die zuvor bei ihrer Synthetisierung gebunden wurde. (Das Problem von Luftschadstoffen jedoch, etwa von gesundheitsschädlichem Feinstaub oder Stickoxiden, besteht bei E-Fuel-betriebenen Autos im Unterschied zu direkter Elektro-Mobilität meist weiter.)

Um aber die Klimawirkung von E-Fuels zu beurteilen, muss man ihren gesamten Lebenszyklus betrachten. Dann sind E-Fuels klimaneutral, wenn sie

• aus Wasserstoff hergestellt werden, der klimaneutral bzw. mit klimaneutralem Strom erzeugt wurde; dies ist in der Regel „grüner“ Wasserstoff (aus Wind- oder Solarenergie – einen ausführlichen Klimafakten-Text zu Wasserstoff finden Sie hier), aber auch mittels Kernkraft produzierter, „pinker“ Wasserstoff wäre laut IPCC klimafreundlich (IPCC 2022, AR6, WG3, Kapitel 6.4.5.1);

• bei der Herstellung insgesamt nur klimaneutrale Energie zum Einsatz kommt;

• das benötigte CO₂ aus der Atmosphäre gewonnen wird (siehe Abschnitt 3.3);

• auch die Produktionsanlagen zu ihrer Herstellung klimaneutral produziert wurden;

• der Transport entlang der gesamten Wertschöpfungskette, etwa der produzierten E-Fuels zum Endverbraucher, ebenfalls klimaneutral stattfindet.

Schon die ersten drei Punkte sind nur schwer bzw. mit großem Aufwand zu erreichen, die beiden letzten erscheinen auf absehbare Zeit unrealistisch – daher kann von einer vollständigen Klimaneutralität der E-Fuels eigentlich nicht gesprochen werden (Ueckerdt et al. 2021). Diese Studie aus dem Fachjournal Nature Climate Change kommt deshalb zu dem deutlichen Ratschlag:

„Eine vernünftige Klimapolitik unterstützt die Einführung von E-Kraftstoffen und sichert zugleich gegen das Risiko ab, dass diese nicht in großem Maßstab verfügbar sind. Die Politik sollte sich an einer ‚Merit Order of End Use‘ orientieren, die Wasserstoff und E-Fuels Vorrang einräumt in Sektoren, die für eine direkte Elektrifizierung nicht zugänglich sind.“

(Zum Einsatz von E-Fuels in verschiedenen Sektoren siehe Abschnitt 7.)

E-Fuels verfügen über eine hohe Energiedichte, lassen sich besser speichern und transportieren als Strom oder Wasserstoff und lassen sich auch gut verbrennen – diese Eigenschaften machen sie zu einem „perfekten Ersatz für ihre fossilen Gegenstücke“ (Ueckerdt et al. 2021).

Das bedeutet aber auch, dass sie wirken können wie eine einfache, schnelle und attraktive Lösung des Klimaproblems – weil bei ihrem Einsatz größere Veränderungen an Infrastrukturen, technischen Geräten oder Gewohnheiten nicht nötig wären, sondern lediglich der Brennstoff ausgetauscht würde. In Politik, Medien und Öffentlichkeit gibt es bisweilen Stimmen, Wasserstoff, E-Methan oder E-Methanol einzusetzen, um etwa Gebäude zu heizen oder Autos mit Verbrennermotor zu betanken – doch dagegen sprechen aus Sicht der Forschung gewichtige Argumente (siehe dazu Abschnitt 7).

Aus den vorteilhaften Eigenschaften der E-Fuels ergeben sich laut übereinstimmender Einschätzung von Fachleuten jedoch auch verschiedene sinnvolle Anwendungsmöglichkeiten (ausführlich ebenfalls in Abschnitt 7):

• E-Fuels, vor allem Methan, eignen sich gut als Langzeitspeicher für Wind- und Solarstrom (Sterner/Specht 2021; Ueckerdt et al. 2021). Das heißt, zu Zeiten und/oder an Orten, wo Erneuerbare Energien im Überfluss vorhanden sind, können sie zur Herstellung von E-Methan genutzt werden, das dann im konventionellen Erdgasnetz transportiert oder den reichlich vorhandenen Untergrundspeichern langfristig gelagert werden und später in Strom zurückverwandelt werden kann. Laut einer Studie des Öko-Instituts im Rahmen der von der Bundesregierung geförderten Kopernikus-Initiative sind strombasierte Energieträger „ab erneuerbaren Stromerzeugungsanteilen von ca. 80 Prozent“ als Speicher sinnvoll (Öko-Institut 2019).
• E-Fuels können in Sektoren eingesetzt werden, die ohne sie kaum vollständig klimaneutral zu machen sind. In der Forschung werden hierzu etwa der Schiffs- und der Flugverkehr gezählt, ebenso Langstrecken-Schwerlasttransporte, die Chemieindustrie und bestimmte Industrieprozesse, für die hohe Temperaturen nötig sind, wie die Herstellung von Glas und Keramik [einen ausführlichen Klimafakten-Text zu Wasserstoff finden Sie hier].

E-Fuels weisen eine deutlich schlechtere Energieeffizienz auf als andere Klimaschutz-Optionen und sind auch deshalb vergleichsweise teuer. Zudem stehen sie bislang nur in geringen Mengen zur Verfügung (siehe Abschnitt 2).

6.1. Niedrige Energieeffizienz

Um E-Fuels herzustellen, muss zunächst Strom erzeugt und dann in mehreren Produktionsschritten umgewandelt werden – bei jedem Schritt geht Energie verloren. Wie viel der Ausgangsenergie letztlich in einer konkreten Endnutzer-Situation noch verfügbar ist, hängt davon ab, welches E-Fuel in welchem Verfahren für welchen Anwendungsfall produziert wird.

Ueckerdt et al. (2021) haben die Energieverluste entlang der gesamten Wertschöpfungskette für verschiedene Verwendungszwecke kalkuliert. Ihr Ergebnis: Wärmepumpen, Elektroheizungen und batteriebetriebene Elektroautos nutzten Energie deutlich effizienter als die mit E-Fuels betriebenen Alternativen. Für die gleiche Energieausbeute beim Endnutzer benötigten die E-Fuels zwei- bis 14-mal mehr Strom. Im Straßenverkehr, dem in Deutschland besonders intensiv debattierten Sektor, bräuchten sie fünfmal so viel.

Es ist nicht auszuschließen, dass die Produktion von E-Fuels in Zukunft effizienter gelingt. Welche Fortschritte bei E-Fuels möglich sind, hat das Öko-Institut 2019 in einer Überblicksstudie abgeschätzt. Seine Fachleute berechneten die langfristig mögliche Umwandlungseffizienz (also den Anteil der eingesetzten Energie, der im Endprodukt verbleibt) bei der Herstellung von Wasserstoff und E-Fuels. Dabei kamen sie – je nach konkretem Kraftstoff – auf künftig mögliche Effizienzquoten zwischen 53 und 70 Prozent. Aber ein Gutteil der Energieverluste, die bei der E-Fuel-Produktion und ihrem Verbrauch anfallen, sind physikalisch begründet und damit nicht auszugleichen. (Beim Einsatz in Pkw mit Verbrennermotoren schlägt außerdem noch deren schlechte Effizienz zu Buche, dort gehen 70 bis 80 Prozent der getankten Energie verloren geht, vor allem als Abwärme.) Batterieelektrische Autos sind erheblich effizienter, und bei dieser Technologie (etwa der Akku-Entwicklung) sind ebenfalls noch technologische Fortschritte zu erwarten.

Kurzgesagt: E-Fuels können zwar Energie gut speichern und transportieren – aber bei ihnen geht vergleichsweise viel Energie verloren. Deshalb ist die direkte Nutzung von Strom „generell und über alle Sektoren hinweg“ effizienter, wie auch der Weltklimarat in seinem neuesten Sachstandsbericht feststellt (IPCC 2022, AG III, Technical Summary, Box TS.9).

6.2. Hoher Preis

Bisher können E-Fuels nur zu vergleichsweise hohen Kosten hergestellt werden. Das Potsdam-Institut für Klimafolgenforschung (PIK 2023) hat berechnet, dass sich aus den Investitionen in der chilenischen Pilotanlage Haru Oni Produktionskosten von rund 50 Euro pro Liter ergeben. Mit steigenden Mengen dürften die Produktionskosten von E-Fuels zwar sinken. Doch selbst wenn die heute verfügbaren Technologien in großem Maßstab eingesetzt würden, lägen die Kosten laut der Überblicksstudie von Ueckerdt et al. (2021) immer noch bei rund 3,20 Euro pro Liter – zuzüglich Steuern, Abgaben und Gewinnmargen. Zwar hält das PIK (2023) langfristig „wahrscheinlich Produktionskosten von unter einem Euro pro Liter e-Fuel“ für möglich. Doch wie schnell sie erreicht werden könnten, sei unklar und hänge unter anderem davon ab, dass die Direct-Air-Capture-Technologie schnell deutlich kostengünstiger einsetzbar sei, was aber sehr ungewiss ist.

Ob E-Fuels günstiger sind als fossile Kraftstoffe, hängt auch vom CO2-Preis ab, mit dem die fossilen Energieträger (über Steuern, Abgaben oder auch einen Emissionshandel) belastet werden. Ueckerdt et al. (2021) zeigen in einer Beispielrechnung, dass E-Fuels in den kommenden Jahren – bis 2030 – nur bei „für die meisten Länder unrealistisch hohen CO₂-Preisen“ zwischen 280 und 1200 Euro je Tonne wettbewerbsfähig wären. Erst zwischen 2040 und 2050 hätten die synthetischen Kraftstoffe das Potenzial, in größerem Umfang fossile Energieträger und Grundstoffe für die Industrie zu ersetzen. Doch die Voraussetzung dafür seien rasant steigende Produktionsmengen, die nur durch bedeutende politische Unterstützungsprogramme in großem Maßstab erreicht werden könnten – und die gebe es bisher „noch nirgendwo auf dem Planeten“.

6.3. Geringe Verfügbarkeit

In der Forschung herrscht Einigkeit darüber, dass E-Fuels noch für lange Zeit knapp sein werden. Im aktuellen IPCC-Sachstandsbericht wird ihnen zwar eine entscheidende Rolle dabei zugewiesen, langfristig etwa Schiffe und Flugzeuge zu dekarbonisieren. Aber selbst für diese Einsatzbereiche klingt der Weltklimarat eher vorsichtig:

„Die Machbarkeitsbewertung alternativer Kraftstoffe für die Schifffahrt und die Luftfahrt legt nahe, dass wasserstoffbasierte Kraftstoffe wie Ammoniak und synthetische Kraftstoffe von allen in diesem Kapitel betrachteten Optionen über das geringste Niveau an technologischer Einsatzfähigkeit [„lowest technology readiness“] verfügen. … Die DAC/BECCS-Infrastruktur, die für die klimaneutrale Herstellung synthetischer Kraftstoff nötig ist, gibt es noch nicht. Aus dem Blickwinkel der Machbarkeit sieht es daher so aus, dass die Technologien zur Herstellung und Nutzung dieser wasserstoffbasierten Kraftstoffe für den Verkehr noch in den Kinderschuhen stecken.“ (IPCC 2022, AR6, WG3, Kapitel 10.8.2)

An anderer Stelle heißt es zu Klimaschutz-Optionen für den Güterfernverkehr sowie Schiff- und Luftfahrt ähnlich zurückhaltend:

„Neuere Demonstrationsprojekte deuten darauf hin, dass Ammoniak, fortschrittliche Biokraftstoffe oder synthetische Kraftstoffe in Zukunft kommerziell genutzt werden könnten. […] Doch benötigen diese Kraftstoffe noch immer bedeutende Forschung, Entwicklung und Demonstration.“

Nötig sei in jedem Fall eine veränderte und stärkere Förderung durch politische Maßnahmen auf nationaler und internationaler Ebene (IPCC 2022, AR6, WG3, FAQ10.2). Das Öko-Institut ging 2019 in einer vom Bundesforschungsministerium finanzierten Untersuchung davon aus, dass es mindestens zehn Jahre dauern werde, bis eine „großindustrielle“ Produktion möglich sei, „so dass selbst bei optimalen Förderbedingungen erst ab dem Jahr 2030 mit ersten großindustriellen Produktionsanlagen gerechnet werden kann“. Mit Blick auf Deutschland hat das Potsdam-Institut für Klimafolgenforschung (PIK 2023) bessere Investitionssicherheit und eine aktivere Politik empfohlen, „um den Hochlauf von Direct-Air-Capture und E-Fuels anzuschieben“. Das Institut empfiehlt zum Beispiel für jene Sektoren, die nur durch E-Fuels klimafreundlich werden können (also Flugverkehr, Schifffahrt oder Chemieindustrie), verbindliche und ausreichend hohe Beimischungsquoten, um den Markthochlauf zu beschleunigen.

Im aktuellen Sachstandsbericht des IPCC, für den Fachleute regelmäßig die wichtigsten wissenschaftlichen Studien der Klimaforschung weltweit auswerten, spielen E-Fuels nur eine begrenzte Rolle. Auch zahlreiche Untersuchungen für Deutschland kommen zu demselben Ergebnis (vgl. etwa Bauer/ Sterner 2020; Sterner/ Specht 2021; Ragwitz/ Weidlich 2023; Ueckerdt et al. 2021). Als Gründe für den beschränkt sinnvollen Einsatz von E-Fuels werden immer wieder ihre geringe Energieeffizienz, ihre absehbare Knappheit und hohen Kosten genannt (siehe Abschnitt 6).

Doch in manchen Bereichen gilt der Einsatz von E-Fuels wegen ihrer unzweifelhaften Vorteile (siehe Abschnitt 5) als sehr sinnvoll oder geradezu unerlässlich, um die Klimaschutzziele zu erreichen. Welche Bereiche sind dies?

7.1. Energiesystem: als Langzeit-Speicher und zur Sektorkopplung

Zahlreiche Analysen betonen die Eignung von E-Fuels als Stromspeicher und als Möglichkeit, Erneuerbare Energien in Bereichen verfügbar zu machen, die nicht direkt mit Strom (aus Sonne oder Wind) betrieben werden können (die sogenannte „Sektorkopplung“ – siehe Abschnitt 5; ebenso Bauer/ Sterner 2020; Ragwitz/Weidlich 2023). Auch der IPCC sieht E-Fuels als einen Baustein für „Energiesysteme mit netto Null CO₂-Emissionen“ – und zwar in „Anwendungen, die sich weniger gut elektrifizieren lassen“ (AR6, WG3, SPM C.4.1). Er betont aber:

„In der Regel und über alle Sektoren hinweg ist es effizienter, Strom direkt zu nutzen und die [mit jedem Verarbeitungsschritt] größer werdenden Umwandlungsverluste bei der Herstellung von Wasserstoff, Ammoniak oder synthetischen, emissionsarmen Kohlenwasserstoffen [E-Fuels] zu vermeiden." (AR6, WG3, Technical Summary, Box TS.9)

7.2. In Gebäuden? allenfalls als Ausnahme

Im Gebäudebereich sehen Ueckerdt et al. 2021 den Einsatz von E-Fuels nur in Ausnahmefällen als sinnvoll an. Die Überblicksstudie von Ragwitz/Weidlich (2023) kommt zu dem Schluss, dass allenfalls „in schwer sanierbaren Gebäuden“ der Einsatz von wasserstoffbasierten synthetischen Kraftstoffen „teilweise“ denkbar sei. Für Österreich schreibt die dortige Energieagentur in einer Analyse ebenfalls: „Grüne Öle“ (dazu gehören strombasierte synthetische Brennstoffe) sollten im Gebäudebereich „nur in schwer zu dekarbonisierenden Bereichen“ eingesetzt werden.

Der IPCC schließlich erwähnt E-Fuels in seinem jüngsten Sachstandsbericht gar nicht, wenn es um die klimaneutrale Energieversorgung von Gebäuden geht:

„Es wird erwartet, dass Elektrifizierung die vorherrschende Strategie in Gebäuden sein wird … Wärmepumpen werden zunehmend in Gebäuden und in der Industrie zum Heizen und Kühlen eingesetzt. Weil der Wechsel zu Elektrizität so einfach ist, wird Wasserstoff voraussichtlich kein dominanter Weg für Gebäude sein. Die direkte Nutzung von Strom … ist effizienter als die Verwendung von Wasserstoff etwa in Heizkesseln oder Brennstoffzellen.“ (AR6, WG3, Technical Summary, Box TS.9)

Wenn selbst für Wasserstoff [einen ausführlichen Klimafakten-Text dazu finden Sie hier] keine große Rolle erwartet wird, dürfte dies für E-Fuels erst recht gelten, die als Energieträger sogar noch ineffizienter sind, weil sie eine Verarbeitungsstufe hinter Wasserstoff liegen.

7.3. Im Verkehr: nicht für Pkw, aber eventuell für schwere Lkw …

Für Pkw kommt der IPCC-Sachstandsbericht in seiner Zusammenfassung für die politische Entscheidungsfindung ebenfalls zu einem deutlichen Schluss:

„Elektrofahrzeuge, die mit emissionsarmer Elektrizität angetrieben werden, bieten über den Lebenszyklus betrachtet das größte Dekarbonisierungspotenzial für den Verkehr an Land. … Wasserstoffe und Derivate (einschließlich synthetischer Kraftstoffe) können dazu beitragen, die CO2-Emissionen aus dem Schiffs- und Luftverkehr sowie dem Schwerlastverkehr an Land zu mindern, erfordern jedoch Verbesserungen der Produktionsprozesse und Kostensenkungen.“ (AR6, WG3, SPM, C.8)

Ergänzend heißt es im Verkehrskapitel des Reports:

„Angesichts der hohen Kosten und begrenzten Mengen wird sich die Einführung synthetischer Kraftstoffe wahrscheinlich auf die Segmente Luftfahrt, Schifffahrt und Langstrecken-Straßentransporte konzentrieren, wo die Dekarbonisierung durch Elektrifizierung eine größere Herausforderung darstellt. Insbesondere werden für die Luftfahrt werden synthetische Kraftstoffe als vielversprechender Kraftstoff angesehen.“ (IPCC 2022, WG3, Kap. 10, S. 1068)

Bei Pkw werden E-Fuels also keine wesentliche Hilfe bei den nötigen Emissionsminderungen sein, so der Stand der Forschung. Viele weitere wissenschaftliche Studien argumentieren ähnlich. In Österreich schreibt etwa die Energieagentur des Landes: Im Autoverkehr gebe es effizientere Klimaschutz-Alternativen als E-Fuels – und weil diese knapp seien, rät sie zu einer Priorisierung:

„Gesamtsystemisch sinnvoll sind E-Fuels dort, wo sie ihre Stärken der Energiedichte und Speicherbarkeit technisch gesehen bestmöglich ausspielen können, etwa im Flugverkehr oder zum Antrieb schwerer Maschinen. Auch gibt es in diesen Bereichen technisch gesehen noch keine anderen Alternativen zur Dekarbonisierung.“

Manche Wissenschaftler weisen darauf hin, dass der Einsatz von E-Fuels im Autoverkehr übergangsweise sinnvoll sein könnte, solange alte Verbrennerfahrzeuge noch in Gebrauch sind; zu ihnen gehört etwa Michael Sterner, Professor für Energiespeicher und Energiesysteme an der Ostbayerischen Technischen Hochschule Regensburg. Doch selbst er sagt: „Ich sehe die E-Fuels aber auch nicht in neuen Verbrennern.“ Die meisten Forscher betonen jedoch, wie etwa Falko Ueckerdt vom Potsdam-Institut für Klimafolgenforschung (PIK), dass E-Fuels auf längere Sicht knapp bleiben werden und sozusagen – wie es ein Wissenschaftsmagazin auf den Punkt brachte – „zu schade für Autos“ sind. Seiner Ansicht nach gilt das auch für alte Fahrzeuge: „Wir müssen akzeptieren“, sagt er, „dass der aktuelle Pkw-Bestand an fossiles Benzin verloren ist, da wir nicht genügend E-Fuels haben werden.“

Ueckerdt et al. 2021 haben in einer Überblicksstudie für verschiedene Antriebe und Fahrzeuge analysiert, wie viele Emissionen E-Fuels im Verkehr einsparen können. Dafür haben sie jeweils für einen kleineren Mittelklasse-Pkw sowie für einen Schwerlast-Lkw über die gesamte Lebenszeit hinweg den Treibhausgasausstoß verschiedener Antriebsarten verglichen. Das zentrale Ergebnis: Für die meisten Länder und Stromsysteme der Welt ist durch E-Fuels vor 2030 kein Beitrag zur Emissionsminderung zu erwarten. Auf der Basis des deutschen Strommixes aus dem Jahr 2018 verursachten E-Fuels in Autos, Lastwagen sogar etwa drei- bis viermal mehr Emissionen als ihr fossiles Pendant. Hingegen kann durch batteriebetriebene Pkw viel schneller eine Senkung der Emissionen im Verkehr erreicht werden – sogar schon „mit den heutigen Strommixen vieler Länder (z.B. Deutschland)“, so die Studie. Selbst Lastwagen unterschiedlicher Reichweite würden, wenn sie direkt elektrisch angetrieben werden (also über Batterien), ab einem Anteil von 60 bis 65 Prozent Erneuerbaren im Strommix weniger Emissionen verursachen als fossil betankte Pendants. Setzt man jedoch auf E-Fuels, wäre ein viel höherer Anteil erneuerbarer Energien nötig, damit die Fahrzeuge weniger klimaschädlich sind als konventionelle.

7.4. … aber für Schiffe und Flugzeuge

Beim weltweiten Verkehr von Güterschiffen setzt die Forschung hingegen große Hoffnungen in synthetische Kraftstoffe oder grünen Wasserstoff. Laut Studien können mit CO2-arm produziertem Ammoniak oder Wasserstoff Emissionsminderungen von bis zu 70 oder 80 Prozent gegenüber heutigem Schiffsdiesel erreicht werden (IPCC 2022, WG 3, Kapitel 10.6.4).

Auch für den Flugverkehr auf langen Strecken sind keine rein elektrischen Alternativen zu Verbrennungsmotoren bzw. -turbinen in Sicht, weil die Batterien viel zu schwer wären. Synthetisch hergestelltes Kerosin oder ähnliche klimaschonend hergestellte Kraftstoffe werden deshalb in der Forschung als unabdingbar angesehen, um den weltweiten Luftverkehr unabhängig zu machen von fossilen Treibstoffen. Der IPCC nennt sie zwar eine „realisierbare Option“, aber sie müssten ihre Einsatzfähigkeit im großen Maßstab erst noch beweisen (IPCC 2022, AR6, WG3, TS.5.3).

Doch eine Klimaneutralität wäre selbst mit CO2-freien E-Fuels nicht zu erreichen. Der Grund dafür ist eine Besonderheit bei der Klimawirkung von Flugzeugen: Sie sind nicht nur wegen ihres hohen CO2-Ausstoßes sehr klimaschädlich, sondern auch wegen anderer Emissionen, die vor allem in der auf Langstreckenflügen nötigen großen Reisehöhe besonders schädlich wirken – beispielsweise Wasserdampf oder Schwefeldioxid. Diese Nicht-CO2-Emissionen sind für schätzungsweise zwei Drittel der Klimaschäden verantwortlich (IPCC 2022, AG III, Kap 10, Abschnitt 10.5.2). E-Fuels können also die Treibhausgas-Wirkung von Flugzeugen allenfalls ein Drittel vermeiden, wie auch Einzelstudien immer wieder betonen (Ueckerdt et al. 2021).

7.5. In der Industrie: für gewisse Fälle als Energie- und Stofflieferant

Ein begrenztes Einsatzfeld für E-Fuels sieht die Forschung langfristig auch in der Industrie. Dort gibt es einige Bereiche, bei denen in der Produktion hohe Temperaturen erforderlich sind, beispielsweise bei Glas und Keramik (Ueckerdt et al. 2021). Auch der IPCC sieht synthetische Brennstoffe als eine (nachrangige) Möglichkeit zur Emissionsminderung in verschiedenen Industriezweigen (IPCC 2022, AR6, WG3, Kapitel 11.3.5)

In geringem Umfang könnten E-Fuels etwa in der chemischen Industrie auch als Grundstoff eingesetzt werden, hier geht es beispielsweise um synthetisch hergestelltes E-Methanol (IRENA und Methanol Institute 2021). Geeigneter erscheint aber bei diesen Verwendungen meist der Einsatz von Grünem Wasserstoff [einen ausführlichen Klimafakten-Text dazu finden Sie hier], bei deren Herstellung geringere Umwandlungsverluste als bei E-Fuels auftreten.

Für den Verbund der deutschen Wissenschaftsakademien hat eine Forschungsgruppe mehrere Szenarien verglichen, die verschiedene Wege in eine klimaneutrale Zukunft Deutschlands bis 2045 oder 2050 beschreiben (Ragwitz/Weidlich 2023). Die Rolle von E-Fuels ist dabei sehr unterschiedlich: Für das Zieljahr 2045 oder 2050 erwarten die Szenarien Anteile am Endenergieverbrauch für synthetische Brenn- und Kraftstoffe zwischen null und 27 Prozent (Ragwitz/Weidlich 2023, S. 70). In ihrer daraus abgeleiteten Stellungnahme betonen die Forschenden, dass klimafreundliche Energie knapp bleiben wird.

Es könnte jedenfalls schwer sein, den künftigen Bedarf an E-Fuels zu decken – selbst wenn sie nur in jenen Sektoren eingesetzt werden, die alternativlos auf synthetische Brennstoffe angewiesen sind, um klimafreundlich zu werden. Darauf deutet auch eine Abschätzung des PIK hin (PIK 2023). Sie kommt zu dem Ergebnis: Würden alle Investitionen zur Herstellung flüssiger E-Fuels tatsächlich umgesetzt, die gegenwärtig auf der ganzen Welt bis 2035 angekündigt sind, entspräche die Produktionskapazität immer noch nur etwa zehn Prozent der deutschen Nachfrage des Jahres 2019 bloß aus den Bereichen, die ohne e-Fuels nicht klimafreundlich werden können, also dem Flug- und Schiffsverkehr und der Chemieindustrie.

Ueckerdt et al. 2021 schreiben:

„In der OECD machen diese […] Sektoren bis zu einem Viertel der gesamten Endenergie aus (Grundstoffe eingeschlossen), was […] eine weitere Priorisierung innerhalb dieser Auswahl nötig machen könnte.“

Für E-Fuels ist ebenso klar wie für Wasserstoff [einen ausführlichen Klimafakten-Text dazu finden Sie hier], dass die künftig notwendigen Mengen nicht im Inland hergestellt werden können. Wer sie nicht nur in Bereichen einsetzen will, wo sie alternativlos sind, sondern etwa auch in Autos oder Heizungen, erhöht die Mengen weiter, die aus dem Ausland herangeschafft werden müssen. Eine „Fokussierung auf Wasserstoff und E-Fuels führt zu einer erhöhten Importabhängigkeit“, konstatiert denn auch ein Report des Ariadne-Forschungskonsortium, der verschiedene „Wege in die Klimaneutralität 2045“ verglichen hat (Luderer et al. 2021). Ragwitz/Weidlich (2023) verweisen ebenfalls darauf, dass der Import von synthetischen Brennstoffen neue Abhängigkeiten schafft. Es sei dann „nur bedingt von Deutschland beeinflussbar […], in welchem Umfang diese Energieträger zur Verfügung stehen werden“. Daraus resultiere eine „Unsicherheit bezüglich des Erreichens der Klimaziele“.

In ihrer Überblicksstudie kommen Ueckerdt et al. (2021) zu dem Schluss, dass E-Fuels erst zwischen 2040 und 2050 – und nur, falls bis dahin bestimmte Bedingungen erfüllt werden – ein nennenswertes Potenzial haben können, in manchen Sektoren fossile Energieträger und Grundstoffe zu ersetzen. Das Öko-Institut kommt in seiner Untersuchung für das Bundesforschungsministerium zu einem ähnlichen Ergebnis (Öko-Institut 2019):

„Die Szenarioanalysen verschiedener Klimaschutzszenarien zeigen, dass strombasierte Stoffe bis zum Jahr 2030 keinen nennenswerten Beitrag zum Klimaschutz leisten werden (…). Ein steiler Anstieg der Nachfrage nach strombasierten Stoffen stellt sich in den Szenarien vor allem zwischen den Jahren 2040 und 2050 ein.“

Doch damit dann E-Fuels in größerer Menge zur Verfügung stehen können, sind noch sehr hohe Investitionen und unterstützende politische Rahmenbedingungen nötig.