Das Potenzial algenbasierter Kraftstoffe für den Lkw-Verkehr. Sachstandsbericht zum Monitoring »Nachhaltige Potenziale der Bioökonomie – Biokraftstoffe der 3. Generation«

Der Verkehr trägt aktuell insgesamt zu etwa einem Fünftel der gesamten Treibhausgasemissionen Deutschlands bei, woran der Straßengüterverkehr durch Lkw einen Anteil von etwa 35 % hat. Da aus Algen Kraftstoffe erzeugt werden können, die als Dieselsubstitute in reiner Form oder mit Diesel gemischt ohne große Anpassung der Infrastruktur in Lkw einsetzbar wären, könnte dies interessante Möglichkeiten eröffnen, die bisherige Abhängigkeit des Lkw-Verkehrs von fossilen Kraftstoffen zu mindern. Hierzu wurde eruiert, ob bzw. welche Menge algenbasierten Biokraftstoffs umweltverträglich zur Verfügung gestellt werden könnte und wie sich der aktuelle Forschungsstand zur gesamten Energiebilanz der neuen Kraftstoffe inklusive der Herstellung darstellt.
Der Bericht verdeutlicht, dass algenbasierte Biokraftstoffe unter den derzeit als plausibel angenommenen Produktionsoptionen auf kurz- und mittelfristige Sicht keinen Beitrag für einen klimaneutralen Verkehr leisten können. Ein spürbarer Beitrag zur Verbesserung der THG-Bilanz des Straßengüterverkehrs kann bis 2050 von algenbasierten Biokraftstoffen wohl nicht erwartet werden. Hierfür wären wissenschaftlich-technische Durchbrüche und Prozessinnovationen vonnöten, die derzeit nicht absehbar sind. ... mehrFür eine großtechnische und aus Nachhaltigkeitsperspektive sinnvolle Erzeugung algenbasierter Kraftstoffe sind wesentliche Fortschritte insbesondere hinsichtlich ihrer Energiebilanz erforderlich. Analysiert und diskutiert wird zudem, welche forschungs- und wirtschaftspolitischen Strategien und Instrumente zur Verfügung stehen oder ggf. notwendig wären, um relevantes Potenzial zu heben.

Inhalt
Zusammenfassung 9
1 Einleitung 21
2 Biokraftstoffe zur Reduzierung der THG-Emissionen des Verkehrs 27
2.1 Bioökonomie, Klimawandel und internationale Verpflichtungen zum Klimaschutz 27
2.2 Klassifizierung von Biokraftstoffen 28
2.3 Regulatorischer Rahmen für Biokraftstoffe 30
2.3.1 Regelungen auf europäischer Ebene 31
2.3.2 Regelungen in Deutschland 32
2.4 Gegenwärtige Lage auf dem Biokraftstoffmarkt 34
3 Algen als Rohstoff für Biokraftstoffe 39
3.1 Definition und Diversität 41
3.2 Die Kultivierung von Algen 43
3.2.1 Stoff- und Energiewechsel: photo-, hetero- und mixotrophe Nährmedien 43
3.2.2 Produktion von Makroalgen offshore 45
3.2.3 Produktion von Mikroalgen in offenen Systemen 46
3.2.4 Produktion von Mikroalgen in geschlossenen Systemen 47
3.3 Ernte, Entwässerung und Extraktion von Inhaltsstoffen 48
3.4 Mögliche Produktionsmengen von Mikroalgen 51
3.4.1 Produktivität verschiedener Produktionssysteme 51
3.4.2 Hochrechnungen zu Produktionspotenzialen für Algenbiomasse 55
3.5 Mögliche Produktionskosten von Mikroalgen 55
4 Kraftstoffherstellung aus Algenbiomasse 61
4.1 Konversionspfade für algenbasierte Kraftstoffe 61
4.1.1 Biodiesel durch Umesterung 63
4.1.2 Kraftstofferzeugung durch Hydrierung 64
4.1.3 Kraftstoffe via hydrothermale Verflüssigung 65
4.1.4 Synthetische Kraftstoffe 66
4.1.5 Verflüssigtes Biogas 67
4.2 Produktionskosten algenbasierter Kraftstoffe 68
4.3 Erzeugbare Algenkraftstoffmengen 70
5 Nachhaltigkeitsaspekte algenbasierter Kraftstoffe 73
5.1 Flächenbedarf für die Biomasseerzeugung 74
5.2 Energieeinsatz und -verbrauch 76
5.3 THG-Emissionen und Klimarelevanz 79
5.4 Wasserverbrauch und Wasserverschmutzung 81
5.5 Fazit 84
6 Zur Rolle algenbasierter Biokraftstoffe für einen THG-neutralen Lkw-Fernverkehr 87
6.1 Verkehrsaufkommen und Infrastruktur im Lkw-Fernverkehr 88
6.2 Kraftstoffverbrauch von Lkw: technische Entwicklungen
und Einsparmöglichkeiten 94
6.3 Antriebs- und Kraftstoffalternativen für Fern-Lkw 100
6.3.1 Dieselmotor 101
6.3.2 Gasbetriebener Ottomotor 102
6.3.3 Brennstoffzelle 103
6.3.4 Elektromotor 104
6.4 Modellierung verschiedener Antriebs- und Kraftstoffalternativen für einen THG-neutralen Lkw-Verkehr 106
6.4.1 Grundannahmen der Modellierung 107
6.4.2 Annahmen zu einzelnen erneuerbaren Kraftstoffalternativen 109
6.4.3 THG-Minderungsleistung durch Einsatz der Antriebsund Kraftstoffalternativen im Jahr 2050 118
6.5 Herausforderungen für die Umstellung des LkwFernverkehrs auf alternative Antriebe bzw. Kraftstoffe 121
6.6 Fazit 123
7 Resümee und Handlungsoptionen 125
7.1 Bedeutung algenbasierter Biokraftstoffe für einen klimaneutralen Lkw-Verkehr 125
7.2 Entwicklung von Bioraffineriekonzepten 126
7.3 Förderung von Forschung und Entwicklung 128
7.3.1 Kontinuierliche Förderung und Zugänglichkeit von Forschungsergebnissen 128
7.3.2 Algenselektion und genetische Modifikation 129
7.3.3 Optimierung der Algenkultivierung 129
7.3.4 Weiterentwicklung spezifischer Herstellungsverfahren für Algenkraftstoffe 130
8 Literatur 130
8.1 In Auftrag gegebene Gutachten 131
8.2 Weitere Literatur 131
9 Anhang 148
9.1 Abbildungen 148
9.2 Tabellen 149
9.3 Abkürzungen 150