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Büro für Technikfolgen-Abschätzung beim Deutschen Bundestag Büro für Technikfolgen-Abschätzung beim Deutschen Bundestag

Zusammenfassung der Untersuchung

Das Potenzial algenbasierter Kraftstoffe für den Lkw-Verkehr

Themenbereich: Energie, Ressourcen, Umwelt
Analyseansatz: Monitoring
Themeninitiative: Ausschuss für Bildung, Forschung und Technikfolgenabschätzung
Status: abgeschlossen
Laufzeit: 2016 bis 2018

Zusammenfassung

Inhalt
Klimaschutzziele und Rolle des Straßengüterverkehrs
Einsatz von Biokraftstoffen in Deutschland
Diskussion um Biokraftstoffe und erwartete Vorteile algenbasierter Kraftstoffe
Wissensstand zu algenbasierten Biokraftstoffen
Optionen der Algenkultivierung
Erzeugung von algenbasierten Biokraftstoffen
Abschätzung der Kosten und erzeugbaren Mengen algenbasierter Biokraftstoffe
Nachhaltigkeit von Algenkraftstoffen
Antriebsoptionen und Kraftstoffbedarfe im Straßengüterverkehr
Mögliche Rolle von Algenkraftstoffen für den Straßengüterverkehr
Resümee und Handlungsoptionen

Im Kontext der klimapolitischen Ziele Deutschlands widmet sich der vorliegende Bericht mit der Abschätzung des Potenzials algenbasierter Biokraftstoffe zur Erreichung eines treibhausgas (THG) neutralen Lkw-Fernverkehrs. Es wird dargelegt, welche Vor- und Nachteile die Kultivierung von Algen gegenüber landbasierten Ausgangsstoffen für die Herstellung von Biokraftstoffen mit sich bringt und welche Art und Menge von Biokraftstoff potenziell zur Verfügung gestellt werden könnten. Zudem wird anhand der spezifischen technischen und institutionellen Rahmenbedingungen des Lkw-Fernverkehrs diskutiert, welchen Beitrag algenbasierte Biokraftstoffe für die Erreichung eines THG-neutralen Straßengüterverkehrs leisten können. Der Lkw-Fernverkehr (mit Streckenlängen über 150 km) erbrachte im Jahr 2016 knapp 70 % der gesamten Transportleistung inländischer Lkw und war für etwa 60 % des dadurch verursachten Endenergieverbrauchs verantwortlich. Zugleich stellen die Jahresfahrleistungen der Fahrzeuge zwischen 80.000 und 150.000 km hohe Anforderungen an Zuverlässigkeit und Energiedichte alternativer Kraftstoffe.

Klimaschutzziele und Rolle des Straßengüterverkehrs

Heute kommen im Straßengüterverkehr ganz überwiegend schwere Gespanne und Sattelzugmaschinen zum Einsatz, die fast ausschließlich mit Dieselmotoren ausgerüstet sind. Alternative Antriebsoptionen, z. B. gasbetriebene Ottomotor-Lkw, Brennstoffzellen-Lkw oder elektrisch betriebene Fahrzeuge (mit Batterie bzw. als Oberleitungs-Lkw), sind derzeit Nischenprodukte.

Eine Analyse der Realverbräuche schwerer Lkw zeigt, dass es in den letzten zwei Jahrzehnten gelungen ist, den Kraftstoffverbrauch bei etwa 35 l Diesel je 100 km Fahrleistung weitgehend konstant zu halten, obwohl die gesetzlichen Anforderungen im Hinblick auf die Minderung von Schadstoffemissionen (Stickstoffoxide, Partikel) stark gestiegen sind. Verbesserungen an den Antriebssystemen konnten den höheren Aufwand für die Abgasnachbehandlung nahezu kompensieren. Durch weitere Optimierung des Gesamtsystems könnte der Verbrauch schwerer Lkw bis 2030 um bis zu 40 % reduziert werden, wenn bei Aerodynamik, Motor (insbesondere Hybridisierung des Antriebs), Wärmerückgewinnung, Rollwiderstand, Gewicht sowie beim Fahrverhalten Verbesserungen vorgenommen werden. Auf dieser Grundlage wird geschätzt, dass sich der Gesamtenergiebedarf für den Straßengüterverkehr durch schwere Lkw bei stark steigender Verkehrsnachfrage dennoch leicht erhöhen würde, während bei geringerer Verkehrsnachfrage eine langfristig spürbare Reduktion denkbar wäre. Da die Umrüstung der Lkw-Flotte und der Aufbau entsprechender alternativer Infrastrukturen, z. B. für Oberleitungen für elektrisch betriebene Fernverkehr-Lkw, Zeit und finanzielle Ressourcen benötigt, kommt dem Dieselantrieb zumindest mittelfristig nach wie vor eine herausgehobene Stellung zu.

Einsatz von Biokraftstoffen in Deutschland

Eine wichtige Rolle für die THG-Minderungen des Verkehrs spielen Biokraftstoffe. Diese werden aus Biomasse, d. h. organischen Stoffen pflanzlichen oder tierischen Ursprungs, gewonnen und können fossile Ressourcen als Kraftstoffausgangsstoffe ersetzen. Da sie aus nachwachsenden Rohstoffen produziert werden, sind Biokraftstoffe im Prinzip weitgehend THG-neutral. Auch können Biokraftstoffe mit der derzeitigen und über Jahrzehnte optimierten Lkw-Antriebstechnik und der existierenden Versorgungsinfrastruktur im In- und Ausland genutzt werden. Biokraftstoffe sind deshalb ein wichtiger Bestandteil der Bioökonomiestrategie und der Mobilitäts- und Kraftstoffstrategie der Bundesregierung.

Der Anteil der Biokraftstoffe am gesamten Endenergieverbrauch des Verkehrs im Jahr 2015 lag bei 4,6 %. Aus Pflanzenölen (z. B. Raps) gewonnener Biodiesel ist mit einem Anteil von fast 65 % am gesamten Biokraftstoffverbrauch in Deutschland der mengenmäßig wichtigste Biokraftstoff. Aus zucker- und stärkehaltigen Pflanzenteilen lässt sich Bioethanol herstellen, das konventionellem Ottokraftstoff beigemischt werden kann. Marktgängig sind Kraftstoffe mit 5- bis 10%iger Beimischung (E5 bzw. E10). Bioethanol ist mit einem Anteil von gut 26 % der zweitwichtigste Biokraftstoff in Deutschland. Darüber hinaus kann aus Biomasse auch Biomethan produziert, können Pflanzenöle als Reinkraftstoff genutzt oder über die Erzeugung von Synthesegas aus Biomasse synthetische Kraftstoffe gewonnen werden. Der gemeinsame Anteil dieser drei Kraftstofftypen am gesamten Biokraftstoffverbrauch in Deutschland liegt bei unter 10 %.

Der Einsatz von Biokraftstoffen ist geprägt von der rahmengebenden europäischen und nationalen Gesetzgebung zum Klimaschutz und der Förderung des Einsatzes erneuerbarer Energien. Nach Abschaffung zuvor geltender Quoten müssen nun Biokraftstoffe in einem Umfang genutzt werden, der sich aus ihrer THG-Minderung gegenüber fossilen Kraftstoffen bemisst. Bis 2020 ist eine Minderung von 6 % die Zielvorgabe (bezogen auf 1990). Dieses Ziel kann sowohl durch den Einsatz größerer Mengen an Biokraftstoffen erreicht werden als auch durch technologische Weiterentwicklungen, die zu geringeren THG-Emissionen bei ihrer Herstellung führen.

Diskussion um Biokraftstoffe und erwartete Vorteile algenbasierter Kraftstoffe

In den letzten Jahren standen Biokraftstoffe in der Kritik, durch den Anbau von Energiepflanzen auf Agrarflächen – neben anderen negativen Umwelteffekten einer Intensivlandwirtschaft – Landnutzungsänderungen und -konflikte sowie eine Erhöhung der Lebensmittelpreise bewirkt zu haben (sogenannte Tank-Teller-Debatte). Mit der Weiterentwicklung von Biokraftstoffen wird daher auch das Ziel verfolgt, alternative Quellen von Biomasse zu nutzen, die nicht oder in weitaus geringerem Maße mit Landnutzungskonflikten verbunden sind.

Der Untersuchung liegt eine gängige Einteilung der Biokraftstoffe in Generationen anhand der Herkunft der verwendeten Biomasse zugrunde: Biokraftstoffe der 1. Generation werden mit Biomasse erzeugt, die speziell zu diesem Zweck angebaut wird (z. B. Raps oder Soja). Die Kraftstofferzeugung steht damit potenziell in Konkurrenz mit einer Produktion von Nahrungsmitteln. Biokraftstoffe der 2. Generation werden auf Basis von Reststoffen (z. B. aus landwirtschaftlichen und anderen organischen Abfällen) oder aus Energiepflanzen (z. B. Holz oder Pflanzenreststoffe wie Stroh) gewonnen, die nicht mit der Nahrungsmittelproduktion in Konkurrenz stehen. Für Biokraftstoffe der 3. Generation wird aquatische Biomasse von Algen verwendet.

Mit algenbasierten Biokraftstoffen der 3. Generation sind große Hoffnungen verbunden. Der Anbau der Algenbiomasse kann auf Standorten erfolgen, die nicht für die landwirtschaftliche Produktion geeignet sind, z. B. Konver¬sionsflächen. Auch kann die Nutzung von Flächen vermieden werden, die aus Naturschutzgründen besonders schützenswert sind. Zudem verspricht die gegenüber terrestrischen Energiepflanzen höhere Produktivität der Algen eine insgesamt geringe Flächenbeanspruchung für die Erzeugung der benötigten Biomasse für die Kraftstoffherstellung. Aus der Algenbiomasse lassen sich überdies energiereiche Substitute für fossile Dieselkraftstoffe erzeugen, sodass die Antriebs- und Motorenkonzepte der Lkws und die bestehende Tank- und Versorgungsinfrastruktur weiter verwendet werden können. Die Aufarbeitung der wissenschaftlichen Erkenntnisse zu diesen Erwartungen war Gegenstand des vorliegenden Berichts.

Wissensstand zu algenbasierten Biokraftstoffen

Die potenziellen Vorteile der Produktion von algenbasierten Biokraftstoffen, die in der wissenschaftlichen Literatur herausgearbeitet werden, konnten bisher in der Praxisanwendung nicht realisiert werden. Produktionsanlagen für Algen existieren bislang nur in einem Versuchsstadium oder zur Herstellung hochpreisiger Produkte jenseits der Kraftstofferzeugung, z. B. für Nahrungsergänzungspräparate oder Kosmetika.

Die stoffliche und energetische Nutzung von Algen wird zwar seit rund 80 Jahren erforscht, dennoch befindet sich die Algentechnologie noch immer im Forschungsstadium. Seit der ersten Ölpreiskrise (1973) rückt die Kraftstoffentwicklung in Zyklen regelmäßig in den Blick, und in den letzten 10 Jahren ist international eine deutliche Zunahme wissenschaftlicher Publikationen zum Thema zu erkennen. Insbesondere werden die technische Machbarkeit und ökonomische Rentabilität von Algenkraftstoffen aus verschiedenen Produktionssystemen untersucht. Darüber hinaus fokussiert die Forschung auf die (Weiter-)Entwicklung von Kraftstoffgewinnungsoptionen aus Algenbiomasse. Schließlich wird versucht, potenziell erzeugbare Algenkraftstoffmengen abzuschätzen.

Die Ergebnisse basieren jedoch auf Hochrechnungen kleinskaliger Pilotbetriebe oder theoretischen Modellierungen, sodass die Angaben zur Produktivität der Algenbiomasseerzeugung, zur Effizienz der Gewinnung der für die Kraftstoffherstellung relevanten Inhaltsstoffe sowie der insgesamt maximal erzeugbaren Algenkraftstoffmenge in hohem Maße unsicher sind bzw. in erheblichen Bandbreiten schwanken. Insgesamt ist zu konstatieren, dass bislang wenig konsolidiertes Wissen und vor allem kaum publizierte empirische Belege über die Prozesskette der Algenproduktion bis hin zur Erzeugung von Kraftstoff vorliegen.

Optionen der Algenkultivierung

Unter den Sammelbegriff Algen wird eine Vielzahl von im Wasser lebenden Organismen gefasst, die Photosynthese betreiben. Algen werden grundsätzlich nach Makro- und Mikroalgen unterschieden. Makroalgen besitzen gut erkennbare Stängel sowie Blätter und sind oft verwurzelt. Mikroalgen sind wesentlich kleiner, ein- oder wenigzellig, divers und anpassungsfähig. Ihre Größe bewegt sich im Nano- bis Millimeterbereich. Konservative Schätzungen gehen von mehr als 70.000 Mikroalgenarten aus.

Sowohl Makro- als auch Mikroalgen können im Prinzip als Rohstoff für die Kraftstofferzeugung verwendet werden. Im vorliegenden Bericht wird sich vor allem auf Mikroalgen konzentriert. Der Anbau von Makroalgen wäre nur in natürlichen Gewässern möglich und zöge daher stark schwankende Erträge und Produktqualitäten nach sich. Hinzu kommt, dass als Standorte primär fruchtbare Küstengebiete infrage kämen, sodass dies auch aus Nachhaltigkeitsgesichtspunkten ungünstig wäre. Für die Zucht von Mikroalgen sprechen auch die höheren Wachstumsraten durch effizienteren Nährstoffumsatz in der Alge und die größere technische Kontrollierbarkeit der Produktion, sodass besonders die Bildung gewünschter Algeninhaltstoffe gefördert werden kann. Für die Produktion von Mikroalgen gibt es eine Vielzahl an Systemvariationen, die grund¬sätzlich in offene (sogenannte Open Ponds) und geschlossene Produktionssysteme (sogenannte Photobioreaktoren) unterschieden werden.

In offenen Produktionssystemen wird das Kulturmedium aus Wasser und Nährstoffen in einem etwa 20 bis 30 cm tiefen Becken umgewälzt, sodass eine gleichmäßige Sonnenbestrahlung der Algen gewährleistet wird. Vorteile liegen in der vergleichsweise einfachen Technik und Handhabung der Anlagen sowie im relativ geringen Energieaufwand. Nachteilig wirken sich die saisonalen Schwankungen der Wärme- und Lichtverhältnisse sowie Verdunstung aus. Um die Bedingungen für die Mikroalgen im optimalen Bereich zu halten, müssen deshalb Teile des Kulturmediums immer wieder ausgetauscht werden. Eine weitere Herausforderung besteht in der Gefahr von Kontaminationen, die durch Einträge von Abgasen oder Verunreinigung durch Mikroorganismen, Insekten, Vögel und andere Tiere entstehen können.

Solche Kontaminationen lassen sich in geschlossenen Produktionssystemen vermeiden. Die Photobioreaktoren bestehen entweder aus langen transparenten Röhren oder flachen, vertikal errichteten Platten, durch die das Nährmedium beständig gepumpt wird. So ist es möglich, Temperatur- und Strahlungsschwankungen auszugleichen. Durch die kontrollierten Bedingungen können Algen in hoher Reinheit und mit gewünschten Eigenschaften produziert werden. Sie gewährleisten daher eine höhere Produktivität als offene Systeme. Nachteilig sind die aufwendigere und kostenintensivere Technik und der mitunter erheblich höhere Energieeinsatz bei der Produktion der Algen.

Die enorme Diversität von Algen hat zu großen Forschungsanstrengungen geführt, besonders geeignete Algenarten zu identifizieren. Mikroalgen können selbst unter vergleichbaren (natürlichen) Bedingungen und innerhalb einer Art eine große Variabilität der biochemischen Zusammensetzung aufweisen und sie reagieren sensibel auf die Umgebungsverhältnisse. Eine genetische Modifikation von Algen zur gezielten Erzeugung gewünschter Eigenschaften erscheint jedoch wegen der sehr kurzen Reproduktionszyklen und der hohen Anpassungsfähigkeit von Mikroalgen an die jeweiligen Umweltbedingungen als wenig sinnvoll. Gentechnisch modifizierte Algen müssten entsprechend ständig überprüft werden, ob sich in diesen dynamischen Prozessen die besonderen und gentechnisch hervorgebrachten Eigenschaften nicht sehr schnell wieder verflüchtigten.

Erzeugung von algenbasierten Biokraftstoffen

Der Kraftstoffpfad, der im Bericht den breitesten Raum einnimmt, ist die Gewinnung von Algenölen (Lipide), die sich in herkömmlichen Raffinerien zu Kraftstoff verarbeiten lassen. Hier sind sowohl der Wissensstand als auch die technologische Reife der Verfahrensschritte in der Prozesskette am weitesten fortgeschritten.

Zur Gewinnung der Algenöle muss die Algenbiomasse zunächst aus der Nährlösung geerntet und anschließend für eine Extrahierung der Inhaltsstoffe getrocknet werden. Für Ernte, Trocknung und Ölextraktion können verschiedene Verfahren eingesetzt werden, einige befinden sich noch in der Entwicklungsphase. Gemeinsam ist allen Verfahren, dass sie technisch anspruchsvoll und energieintensiv sind. Teilweise muss auch mit umweltgefährdenden Flockungs- und Lösungsmitteln gearbeitet werden.

Die aus den Algen gewonnen Lipide lassen sich durch eine Vielzahl unterschiedlicher Verfahren zu Biokraftstoffen umwandeln. Für eine Defossilisierung bzw. Dekarbonisierung – also die Umstellung von fossilen bzw. kohlenstoffhaltigen hin zu erneuerbaren Energieträgern – des Straßengüterfernverkehrs sind vor allem jene Verfahren relevant, die Biokraftstoffe erzeugen, die fossilem Diesel beigemischt werden oder ihn komplett ersetzen könnten. Dazu stehen verschiedene technologische Wege zur Verfügung.

So ist es möglich, die in Algen enthaltenen Lipide durch eine physikalisch-chemische Ver- bzw. Umesterung zu Fettsäuremethylester (Fatty Acid Methyl Ester [FAME]) umzusetzen. Das Verfahren ist für die Verwendung von Pflanzenölen und tierischen Fetten etabliert, weltweit werden rund 25 Mio. t FAME-Diesel produziert. Obwohl die Nutzung von Algenlipiden schon länger beforscht wird, gibt es derzeit keine kommerziell produzierende Anlage für algenbasierten FAME-Diesel.

Auch lassen sich Dieselsubstitute durch Hydrierung von Ölen oder Lipiden (Hydrotreated Vegetable Oils [HVO] bzw. Hydrotreated Esters and Fatty Acids [HEFA]) herstellen. Dieses Verfahren wird mit anderen pflanzlichen Ölen ebenfalls schon eingesetzt, weltweit wurden im Jahr 2015 rund 3 Mio. t HEFA-Kraftstoffe produziert. Bei Algen ist der Prozess jedoch noch im Forschungsstadium.

Um den aufwendigen Prozess der Extrahierung der Algenöle zu vermeiden, werden derzeit auch Kraftstoffpfade erforscht, die die ganze Alge nutzen können. So wird untersucht, wie aus Algenbiomasse synthetische Kraftstoffe erzeugt werden können; ein Verfahren, dass für andere nachwachsende Rohstoffe, wie Stroh und Holz, bereits gut erforscht ist. Noch größere Hoffnungen ruhen auf dem Kraftstoffpfad der hydrothermalen Verflüssigung, bei dem zusätzlich auf eine Trocknung der Algenbiomasse verzichtet werden kann. Beiden Optionen der Algenkraftstofferzeugung wird zwar großes Potenzial zugesprochen, allerdings besteht bei beiden Verfahren auch noch erheblicher Entwicklungsbedarf.

Statt Dieselsubstituten können potenziell auch gasförmige Kraftstoffe für den Lkw-Antrieb genutzt werden. Dazu müssten Lkw mit Ottomotoren ausgerüstet werden, bislang ist dies nur ein Nischenmarkt. Ein hierfür nutzbarer Kraftstoff wäre Algenmethan, der aus der Vergärung von Algenbiomasse und der Aufarbeitung des entstehenden Biogases gewonnen werden kann.

Abschätzung der Kosten und erzeugbaren Mengen algenbasierter Biokraftstoffe

Die Abschätzungen erzeugbarer Mengen an Algenbiomasse beruhen auf Hochrechnungen kleinskaliger Pilotbetriebe oder theoretischen Modellierungen. Sie sind daher mit erheblichen Unsicherheiten behaftet. Dies gilt entsprechend auch für die Bestimmung potenziell erzeugbarer Biokraftstoffmengen. Zudem ist die Weiterverarbeitung der Algenbiomasse zu Kraftstoffen noch in einer frühen Entwicklungsphase und somit sind viele Prozessparameter noch unsicher. Folglich lassen sich auch die Kosten einer Algenkraftstoffproduktion nur sehr grob abschätzen.

Unter den klimatischen Bedingungen in Deutschland kann im Mittel von Jahreserträgen von ca. 30 bis 50 t/ha in offenen und 30 bis 100 t/ha in geschlossenen Systemen ausgegangen werden. Wissenschaftliche Metastudien schätzen, dass Erträge höher als 60 t/ha/a selbst in Regionen mit hoher Sonneneinstrahlung unwahrscheinlich sind.

Die neben dem Jahresertrag entscheidende Größe für die Ausbeute an Bio¬kraftstoffen ist der Lipidgehalt der Algen. Er kann in einer großen Bandbreite variieren und ist am höchsten, wenn man die Algen durch Nährstoffentzug in einen kontrollierten Hungerzustand versetzt. Es ist daher unmöglich maximales Algenwachstum und maximalen Lipidgehalt gleichzeitig zu erreichen.

In Vergleichsrechnungen werden häufig durchschnittliche Lipidgehalte von 25 bis 30 % der erzeugten Algenbiomasse angesetzt. Demnach ließen sich etwa 7,5 t bis max. 30 t biokraftstoffrelevante Algenlipide pro ha in Deutschland erzeugen. Ein Vergleich mit Raps, der in Deutschland mit Abstand bedeutendsten Ölpflanze, macht das grundsätzliche Potenzial von Algen als Ausgangsrohstoff für die Kraftstofferzeugung deutlich: Bei einem mittleren Jahresertrag von 3,5 t/ha und einem Standardölgehalt von 40 % erhält man einen Rapsölertrag von lediglich 1,2 t/ha.

Wesentliches Hindernis zur Erschließung dieses Potenzials ist jedoch die Produktion von Algen als Kraftstoffsubstrat zu wettbewerbsfähigen Kosten. Die Produktionskosten für 1 t Algenbiomasse werden in offenen Systemen auf 500 bis 20.000 Euro, in geschlossenen Systemen sogar auf 500 bis 100.000 Euro geschätzt. Im Vergleich dazu liegt das Erzeugerpreisniveau für die Biomasse zur Herstellung bei den Biokraftstoffen der 1. Generationen mindestens um den Faktor 3 bis 4 darunter. Die wesentlichen Kostentreiber liegen auf Seiten der Algenproduktion. Die Kostenstruktur der Erzeugung von Algenkraftstoffen aus den Algenlipiden ist unabhängig vom Verfahren grundsätzlich mit denen anderer Biokraftstoffe auf Basis von Pflanzenölen oder Reststoffen vergleichbar.

Nachhaltigkeit von Algenkraftstoffen

Betrachtet man die Nachhaltigkeitswirkungen von algenbasierten Biokraftstoffen, so zeigt sich einerseits das theoretische Potenzial dieser Technologie. Die höhere Flächenproduktivität gegenüber Landpflanzen und die Möglichkeit, auf Standorten zu produzieren, die nicht in Konkurrenz zur Erzeugung von Nahrungsmitteln stehen, sind günstig für den Flächenbedarf je Energieeinheit des gewonnenen Kraftstoffs. Zudem können Algenkraftstoffe mit einem gegenüber anderen Biokraftstoffen geringeren Wasserbedarf erzeugt werden. Jedoch finden sich optimale Produktionsbedingungen für Algen oft in Ländern mit hoher Wasserknappheit, sodass sinnvolle Aussagen nur standörtlich differenziert getroffen werden können.

Andererseits muss vor dem Hintergrund der bislang vorhandenen wissenschaftlichen Erkenntnisse gefolgert werden, dass die Herstellung von Algenkraftstoff aus energetischer Sicht nicht sinnvoll ist. In der überwiegenden Mehrheit der Studien zeigt sich, dass Algenkraftstoffe unter den gegenwärtig plausiblen Annahmen hinsichtlich Produktivität, Lipidkonzentration und Aufwand zur Extraktion der Lipide zur Gewinnung der Ausgangsrohstoffe der Kraftstofferzeugung eine negative Nettoenergiebilanz aufweisen. Für die Erzeugung der Algenlipide muss also mehr Energie investiert werden, als letztlich im Algenkraftstoff enthalten ist. Vergleicht man dies mit anderen Biokraftstoffen, so zeigt sich, dass deren Nettoenergiebilanz positiv ist: für Bioethanol (durchschnittliche Nettoenergiebilanz von 5, d. h., der Energiegehalt des Kraftstoffs ist 5-mal höher als die zur Herstellung aufgewendete Energie) etwas höher als für konventionellen, also nicht algenbasierten Biodiesel (durchschnittliche Nettoenergiebilanz von 2). Wesentliche Anknüpfungspunkte für die Verbesserung der Energiebilanz von Algenkraftstoffen sind die Optimierung der Selektion von Algenarten speziell für die Kraftstoffproduktion sowie die Reduzierung des Energieeinsatzes bei der Kultivierung und der Extrahierung der Algeninhaltsstoffe. Daher werden große Hoffnungen in die (weitere) Erforschung von Kraftstofferzeugungsverfahren gesetzt, die die Verwertung der gesamten Algenbiomasse ohne Trocknung und Extrahierung der Algenlipide ermöglichen. Eine seriöse Schätzung, ob und wann Algenkraftstoffe eine positive Energiebilanz erreichen werden, ist derzeit aber nicht möglich.

Aus diesem Grund müssen auch die Erwartungen hinsichtlich der THG-Bilanz von Algenkraftstoffen relativiert werden. Zwar ist gegenüber fossilen Rohstoffen eine bessere THG-Bilanz möglich, wenn unterstellt wird, dass die Prozessenergie aus erneuerbaren Quellen stammt. Gegenüber anderen Biokraftstoffen ist eine spürbare Verbesserung der THG-Bilanz – mindestens unter den klimatischen Bedingungen in Deutschland – aber unwahrscheinlich. Denn berücksichtigt werden müssen neben den energieintensiven Prozessen der Algenkultivierung und Extrahierung der Algeninhaltsstoffe auch die in den Vorprodukten (z. B. Düngemittel für die Algenzucht) enthaltenen THG-Emissionen. Insbesondere der Stickstoffbedarf von Algen ist deutlich höher als bei landbasierter Biomasse für die Kraftstoffherstellung. Je nach Quelle und Verwertung hat Stickstoff einen mehr oder weniger starken negativen Effekt auf die Klimabilanz der Algenproduktion.

Antriebsoptionen und Kraftstoffbedarfe im Straßengüterverkehr

Heute kommen im Straßengüterverkehr ganz überwiegend schwere Gespanne und Sattelzugmaschinen zum Einsatz, die fast ausschließlich mit Dieselmotoren ausgerüstet sind. Alternative Antriebsoptionen, z. B. gasbetriebene Ottomotor-Lkw, Brennstoffzellen-Lkw oder elektrisch betriebene Fahrzeuge (mit Batterie bzw. als Oberleitungs-Lkw), sind derzeit Nischenprodukte.

Eine Analyse der Realverbräuche schwerer Lkw zeigt, dass es in den letzten zwei Jahrzehnten gelungen ist, den Kraftstoffverbrauch bei etwa 35 l Diesel je 100 km Fahrleistung weitgehend konstant zu halten, obwohl die gesetzlichen Anforderungen im Hinblick auf die Minderung von Schadstoffemissionen (Stickstoffoxide, Partikel) stark gestiegen sind. Verbesserungen an den Antriebssystemen konnten den höheren Aufwand für die Abgasnachbehandlung nahezu kompensieren. Durch weitere Optimierung des Gesamtsystems könnte der Verbrauch schwerer Lkw bis 2030 um bis zu 40 % reduziert werden, wenn bei Aerodynamik, Motor (insbesondere Hybridisierung des Antriebs), Wärmerückgewinnung, Rollwiderstand, Gewicht sowie beim Fahrverhalten Verbesserungen vorgenommen werden. Auf dieser Grundlage wird geschätzt, dass sich der Gesamtenergiebedarf für den Straßengüterverkehr durch schwere Lkw bei stark steigender Verkehrsnachfrage dennoch leicht erhöhen würde, während bei geringerer Verkehrsnachfrage eine langfristig spürbare Reduktion denkbar wäre. Da die Umrüstung der Lkw-Flotte und der Aufbau entsprechender alternativer Infrastrukturen, z. B. für Oberleitungen für elektrisch betriebene Fernverkehr-Lkw, Zeit und finanzielle Ressourcen benötigt, kommt dem Dieselantrieb zumindest mittelfristig nach wie vor eine herausgehobene Stellung zu.

Mögliche Rolle von Algenkraftstoffen für den Straßengüterverkehr

Algenbasierter Biodiesel könnte als Dieselsubstitut in reiner Form oder fossilem Diesel beigemischt ohne große Anpassung der Motorentechnik eingesetzt werden. Für gasbetriebene Ottomotoren könnte Algenmethan zum Einsatz kommen. Allerdings können, wie zuvor bereits angedeutet, Algenkraftstoffe derzeit keinen Beitrag zur Erreichung eines THG-neutralen Straßengüterverkehrs leisten. Aufgrund der derzeit noch negativen Energiebilanz der Algenkraftstoffe und der damit einhergehenden THG-Emissionen wird ein möglicher Beitrag auch auf absehbare Zeit begrenzt bleiben.

Eine Simulation der THG-Bilanz des Einsatzes verschiedener Antriebs- und Kraftstoffalternativen im Straßengüterverkehr zeigt, dass eine Reduktion der THG-Emissionen um mehr als 95 % auch langfristig nur mit strombasierten Antrieben möglich ist. Auch unter der optimistischen Annahme, dass für die Erzeugung der Algenlipide ausschließlich erneuerbarer Strom und erneuerbare Wärme eingesetzt würde, würde dieses Ziel von algenbasierten Kraftstoffen verfehlt. Höhere THG-Minderungen wären theoretisch denkbar, wenn auch die Bereitstellung der Düngemittel für die Algenzucht, insbesondere des benötigten Stickstoffs, vollständig auf Basis erneuerbarer Energien erfolgen würde. Weitere Optionen wären Nährstoffrecycling durch die Nutzung organischer Abwässer. Wie dies praktisch umgesetzt werden könnte, ist allerdings derzeit noch unklar. Zudem kann nicht davon ausgegangen werden, dass in absehbarer Zeit Algenreaktoren finanziert und aufgebaut werden, durch die mehrere 10.000 t Kraftstoff pro Jahr produziert werden, da der Aufbau entsprechender Kapazitäten aus betriebswirtschaftlicher Sicht für die Marktakteure nicht attraktiv ist. Darüber hinaus ist es unter den Bedingungen in Deutschland unwahrscheinlich, dass im Inland eine ausreichend große Menge an Algenkraftstoffen erzeugt werden könnte, um einen spürbaren Beitrag zu einem klimaneutralen Straßengüterverkehr zu leisten.

Resümee und Handlungsoptionen

Biokraftstoffe aus Mikroalgen bieten das theoretische Potenzial, durch die Substitution von Dieselkraftstoff aus fossilen Ressourcen THG-Minderungen im Straßengüterverkehr zu ermöglichen. Gegenüber Biokraftstoffen aus ackerbaulich erzeugten Energiepflanzen (sogenannte Biokraftstoffe der 1. Generation) würden sich algenbasierte Biokraftstoffe durch eine Reihe weiterer potenzieller Vorzüge auszeichnen. So ließen sich Landnutzungskonflikte mit der Erzeugung anderer landwirtschaftlicher Produkte (z. B. Nahrungsmittel) vermeiden und Energie- und Kraftstofferzeugung auch auf nicht landwirtschaftlich nutzbaren Flächen (z. B. Brachen oder Konversionsflächen) realisieren. Überdies könnte durch eine bessere Umsetzung der zugeführten (Sonnen-)Energie und der Nährstoffe für das Wachstum der Algenbiomasse eine höhere Flächenproduktivität gegenüber der Biomasseerzeugung durch konventionelle Energiepflanzen erreicht werden. Dies könnte auch Konflikte mit anderen gesellschaftlichen Zielen wie dem Naturschutz abmildern.

Allerdings existieren derzeit keine Anlagen zur Erzeugung von Algenbiomasse in einem für die Kraftstoffproduktion relevanten Umfang, sodass Abschätzungen der Potenziale wesentlich auf theoretischen Überlegungen und Modellierungen beruhen und mit entsprechenden Unsicherheiten behaftet sind. Klar ist, dass für eine großtechnische und aus Nachhaltigkeitsaspekten sinnvolle Realisierung der Erzeugung algenbasierter Kraftstoffe wesentliche Fortschritte insbesondere hinsichtlich der Energie- und THG-Bilanz erforderlich sind. Die gezieltere Auswahl von Algenarten sowie Prozessinnovationen bei der Extrahierung der Inhaltsstoffe bzw. bei der Weiterverarbeitung zu Kraftstoffen sind hier Ansatzpunkte.

Der Vergleich mit anderen Kraftstoffen zeigt, dass die Herausforderungen vor allem bei der Produktion der Algenbiomasse bestehen. In technischer Hinsicht gibt es zwar auch auf der Kraftstoffproduktionsseite noch spezifischen Entwicklungsbedarf. Der eigentliche Engpass ist jedoch die für eine Kraftstoffproduktion notwendige Massenproduktion von Algen. Dabei zeigen Abschätzungen zu den theoretischen Produktionspotenzialen, dass mit der Menge an Algenbiomasse, die unter den in Deutschland herrschenden Bedingungen auf den zur Verfügung stehenden Flächen erzeugt werden könnte, lediglich ein geringer Anteil des Kraftstoffbedarfs in Deutschland gedeckt werden könnte.

Zusammenfassend kann festgehalten werden, dass ein spürbarer Beitrag zur Verbesserung der THG-Bilanz des Straßengüterverkehrs bis zum Jahr 2050 von algenbasierten Biokraftstoffen nicht erwartet werden kann. Hierfür wären wissenschaftlich-technische Durchbrüche und Prozessinnovationen vonnöten, die derzeit nicht absehbar sind. Strombasierte Antriebskonzepte scheinen für die Erreichung eines THG-neutralen Verkehrs unausweichlich.

Entsprechend äußert sich auch der Rat von Sachverständigen für Umweltfragen in seinem Verkehrsgutachten. Die für die Einführung und Verbreitung strombasierter Mobilität notwendige (Weiter-)Entwicklung von Antriebs- und Energieversorgungsystemen (Oberleitung, Batterie, Brennstoffzelle) ist zeitnah anzustreben, da die für die Zielerreichung bis 2050 notwendige möglichst vollständige Flottendurchdringung Zeit benötigt und ansonsten eine Zielerreichung mit immer größeren Schwierigkeiten verbunden ist. Der Einsatz synthetischer Kraftstoffe sowie begrenzter Mengen nachhaltig produzierter Biokraftstoffe wäre dagegen eher auf jene Einsatzbereiche zu beschränken, in denen eine direkte Elektrifizierung technisch oder ökonomisch nicht realisierbar ist (z. B. im Luft- und Seeverkehr). Um sich den theoretischen Potenzialen der Algentechnologie sinnvoll anzunähern, wird derzeit eine möglichst umfassende Verwertung der Algenbiomasse in Bioraffinerien angestrebt. Hierbei steht die Erzeugung hochpreisiger algenbasierter Produkte mit hohem Vermarktungspotenzial (z. B. Nahrungsergänzungsmittel, Kosmetika, andere chemische Verbindungen) im Vordergrund. Dieser Ansatz, in dem die Kraftstoffproduktion nur ein nachgeordneter Aspekt ist, könnte dabei helfen, die Kosten der Algenkraftstofferzeugung auf ein marktfähiges Niveau zu senken sowie deren Ökobilanz entscheidend zu verbessern.

Als zweite Möglichkeit ist die Nutzung von Abwässern als Nährmedien für die Algenzucht hochinteressant. Die sich hier ergebenden Synergien zwischen Nährstoffbereitstellung und Abwasserreinigung könnten ein aussichtsreicher Weg für eine langfristige Kostensenkung der Algenkraftstoffproduktion sein. Hier ergeben sich in der komplexen und vielgliedrigen Prozesskette von der Algenproduktion bis zur Produktion der algenbasierten Produkte allerdings noch zahlreiche Forschungsfragen, für deren Beantwortung vor allem praktische Versuchs- und Pilotanlagen sinnvoll erscheinen.

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