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04 | 2018

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EnergieForum ohne Partikelfilter [11] ausreichend. Weiteres Entwicklungspotenzial bietet möglicherweise der direkt einspritzende Ottomotor. Zum Vergleich der Kraftstoff kosten (Bild 8) wurden aktuelle Marktpreise für Kraftstoffe, CNG und importiertes M 100 mit 330 €/t zugrunde gelegt [30; 31]. Zusätzlich wurde angenommen, dass auch bei M 100 die CNG-Energiesteuer zur Anwendung kommt. Der günstigere 3-Zylinder-Motor für M 100 und der Mehrpreis für die CNG-Ausrüstung wurde anhand von OEM-Verkaufsliteratur abgeschätzt [29]. Zum Ausgleich des deutlich schwereren CNG-Drucktanks ist ein größerer Motor erforderlich, mit entsprechenden Nachteilen bei Verbrauch, CO 2 -Emission und Kraftstoffkosten. Der Bauraumbedarf des Tanks geht zu Lasten des Kofferraums. Die zukünftigen, CO 2 -neutralen Herstellverfahren Power-to-Gas (PtG) und Power-to-Liquid (PtL) für CNG und M 100 sind hier noch nicht berücksichtigt. Bei der Hochrechnung wurde monovalenter Betrieb der einzelnen Energieträger betrachtet. Für die Zeit der Einführung von M 100 stehen erprobte Technologien wie Flex-Fuel-Motoren oder der Betrieb mit Benzin/M 100-Gemischen zur Verfügung. Mit diesen Annahmen erspart das Methanol-Fahrzeug bei einer jährlichen Fahrleistung von 20 Tkm mehr als 500 € gegenüber der Dieselausführung (Bild 9). Mit dem Antriebskonzept M 100-Motor stehen dem Autohersteller folgende Antriebsvarianten für den globalen Markt Bild 8 Kraftstoffkosten verschiedener Energieträger. Bild 9 Jähr - liche Betriebskosten verschiedener Energieträger (20 Tkm) ohne Versicherung und Service. zur Verfügung: > M 100-Motor mit Handschaltgetriebe, Anwendung zum Beispiel in Kleinwagen und Transporter (Ersatz von Diesel- und Benzinmotoren, Übergangstechnologie für entsprechende Märkte), > Hybridantrieb mit kleiner, rein elektrischer Reichweite, > „Plug-In“-Hybrid mit erweiterter, rein elektrischer Reichweite (Eignung für Städte mit Fahrverbot für Verbrenner), > Plug-In-Hybrid (serieller Hybrid) mit hoher, rein elektrischer Reichweite und geringem Gesamtenergieverbrauch, > Nutzfahrzeuge, Busse, Off-Road-Fahrzeuge. Mit der Technologie Methanol-Motor liegen neben Versuchsergebnissen bereits Erfahrungen vor. Hier sei an die umfangreiche und erfolgreiche Feldstudie von OEM, Verbrauchern und der EPA in den 1980er- und 1990er-Jahren in Kalifornien erinnert. Dabei waren 15 000 Pkw im Einsatz. Aus dieser Studie stammt auch die Beurteilung der Giftigkeit und Sicherheit der Handhabung von Methanol als Kraftstoff [27]. Die EPA setzt M 100 hinsichtlich Giftigkeit mit Benzin und Diesel gleich. Große Vorteile wurden hinsichtlich der Sicherheit bei Herstellung, Verteilung, Betankung und Betrieb von M 100 bestätigt. Die EPA schätzte das Gefährdungspotenzial um eine Größenordnung kleiner ein als Benzin. Bekanntlich beendete die Einführung von MTBE (Methyltert-butylether) bei der Reformulierung von Benzin die Versuche, M 100 als Kraftstoff zu etablieren [32]. Heute ist China und insbesondere Geely als Hersteller bei Motorenentwicklung und der Erprobung von M 100 führend. Es gibt umfangreiche Pkw-, Taxi- und Lkw- Flotten mit denen dieser Kraftstoff erprobt und demonstriert wird [33]. Möglicherweise etabliert sich hier ein neues Kompetenzfeld bei chinesischen Autoherstellern. Die Anwendung von M 100 in Nutzfahrzeugmotoren ist durchaus möglich und wird ebenfalls bereits in China erprobt. Die Tianjin-Universität betreibt eine Flotte von 70 Lkw zur Erprobung von „Dual fuel“-Motoren [20]. Auf Basis bekannter Technik für Lkw-Gasmotoren ist die Entwicklung eines monovalenten M 100-Lkw-Motors möglich. Geely Yuanchong stellte am 27. Mai 2017 einen neuen M 100-Lkw-Motor vor [34]. Geplante, jährliche Produktion: 100 000 Stück. Warum Range Extender mit M 100-Motor? Dieses Konzept verbindet alle Vorteile des Elektrofahrzeugs mit der effizienten Energiespeicherung und der problem - losen und sicheren Betankung mit M 100. Neben der effektiven und effizienten Rekuperation der Bremsenergie liefert der gute Gesamtwirkungsgrad des M 100- Motors einen weiteren Beitrag zum sehr niedrigen Energieverbrauch dieses Antriebskonzepts. Batterie- und M 100-Tankdimensionierung können für die Zielanwendung des Fahrzeugs erfolgen, Reichweiten über 700 km im kombinierten Betrieb sind machbar. Aufgrund des hohen Batteriegewichts sind rein elektrische Reichweiten von über 200 km unwirtschaftlich. Wie beim CNG-Fahrzeug steigen Herstellkosten, Leergewicht, Leistungsbedarf, Energieverbrauch und damit Betriebskosten stark an. Der Ladevorgang von Batterien hoher Kapazität (> 50 kWh) erfordert Zeit und hohe zusätzliche Investitionen in die Versorgungsstruktur. Auch kursiert die Angst vor dem unterwegs Liegenbleiben [35]. Auch wenn lediglich relativ kleine Batterien von „nur“ rund 20 kWh von Elektro- beziehungsweise Plug-In-Hybrid- Fahrzeugen in den Kommunen aufgeladen werden sollen, kann dies zu Problemen führen: Viele Haus-, Wohnanlagen und Tiefgaragenanschlüsse sind nicht ausreichend elektrisch versorgt [36]. Insgesamt ist mit Kosten für die Ertüchtigung der Haus- und Garagenladestationen von etwa 30 Mrd. € zu rechnen. Die Aufwen- 46 BWK Bd. 70 (2018) Nr. 4

EnergieForum dungen für die Einrichtung von Schnellladestationen in Höhe von bis zu rund 240 Mrd. € können eingespart werden [37]. EnBW plant beispielsweise an 119 Autobahnraststätten die Installation sogenannter Multi-Charger mit einer Leistung von 50 kW, die nach und nach auf 150 kW aufgerüstet werden sollen [38]. Der sich abzeichnende Engpass bei den Batterierohstoffen – insbesondere Lithium und Kobalt – verzögert die geplante, zügige Einführung rein elektrisch angetriebener Fahrzeuge mit Batterien hoher Kapazität über rund 50 kWh [39]. Die steigende Nachfrage wird sich zusätzlich ungünstig auf die Einkaufspreise auswirken. Methanol als Energieträger und Speicher Der Gesamtwirkungsgrad der Energiespeicherung als Methanol liegt deutlich über dem der Power-to-Gas-Konzepte [40; 41], wie Studien von Siemens, Linde und Lurgi/TU Bergakademie Freiberg zeigen. Der Vergleich der Reaktionsenthalpien bei der Synthese von Methan beziehungsweise Methanol weist auf der Basis des unteren Heizwertes (LHV) mit 59 % einen deutlichen Vorteil zugunsten von Methanol aus, während die Methansynthese einen Wirkungsgrad von nur 55 % erreicht (Bild 10). Die Produktionskosten von Methan beziehungsweise Methanol als Funktion der Strompreise und der Anlagenlaufzeit unterscheiden sich kaum (Bild 11). Dies ist auf den großen Kostenanteil für die Polymerelektrolyse mit etwa 70 % des Gesamtprozesses zurückzuführen. Außer dem besseren Wirkungsgrad trägt insbesondere der höhere Methanolpreis zur besseren Wirtschaftlichkeit der Methanol-Synthese im Vergleich zur Methan-Synthese bei. Methanol wird aktuell (2017) mit rund 330 €/t gehandelt, was etwa 15 €/GJ entspricht, während der Erdgaspreis bei nur rund 3 €/GJ liegt. Die technische Herstellung von Methanol erfolgt katalytisch, bevorzugt bei Drücken von 40 bis 110 bar und Temperaturen von 220 bis 280 °C. Besonders wirtschaftlich arbeiten Großanlagen mit Tageskapazitäten von 5 000 t Methanol (1,8 Mio. t Methanol Jahreskapazität) und Anschlussleistungen von 2,2 GW. Bei einer Auslastung von 75 % und Strom - kosten von 0,03 €/kWh betragen die Produktionskosten 27 €/GJ. Solche Anlagen produzieren mit Erdgas als Rohstoff in rund 50 Anlagen weltweit jährlich insgesamt rund 50 Mio. t Methanol (2015). Bild 10 Wirkungsgrade der Umwandlung von CO 2 zu Methan oder Methanol. Bild 11 Herstellkosten für Methan und Methanol aus erneuerbaren Energien in Großanlagen (2 190 MW (el.)) (durchgezogene Linien: Methanol; gestrichelte Linie: Methan). Bild 12 Blockfließbild für Methanol- Synthese [43]. Die Kosten der Produktion von Methanol gemäß Bild 11 berücksichtigt den Aufwand CO 2 mit 40 €/t. Kosten für die Gewinnung von CO 2 aus Luft wurden in [42] untersucht. Demnach variieren die Kosten noch stark zwischen 30 und 1 000 €/t CO 2 ; daraus lassen sich zwei Erkenntnisse ableiten: > Großtechnische Verfahren müssen zügig entwickelt werden und > Kosten und Energieaufwand für die Herstellung „grüner“ Kraftstoffe sind nicht vernachlässigbar: Methanol hat unter den flüssigen Kraftstoffen den geringsten Kohlenstoffanteil und wird deshalb diesbezüglich immer einen großen Vorteil gegenüber Kraftstoffen aus der Fischer-Tropsch (FT)-Synthese haben. Anmerkung: Im Blockfließbild (Bild 12) wird auf die aufwendige Herstellung von Benzin, Kerosin und Diesel im FT-Verfahren verzichtet. Der Wirkungsgrad der FT- Synthese beträgt gemäß [43] nur rund 37 %, was dazu führen würde, dass jährlich etwa 100 TWh mehr regenerativ erzeugte Energie bereitgestellt werden müsste als bei der Methanol-Synthese, die mit einem Wirkungsgrad von 50 % arbeitet [52]. FT-Kraftstoffe benötigen deshalb rund 20 000 Windkraftanlagen zusätzlich in Deutsch- BWK Bd. 70 (2018) Nr. 4 47

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