Kraftstoff

Flüssige Kraftstoffe

• Kerosin, Motorpetroleum bzw. Petroleum
• Benzin (Ottokraftstoff)
• Zweitaktgemisch (Ottokraftstoff mit Ölzusatz)
• AvGas (Flugbenzin) / MoGas (Ottokraftstoffe für Otto- oder Wankel-Flugmotoren)
• Benzin-Benzol-Gemisch (Bibo) (Ottokraftstoff)
• Dieselkraftstoff
• Marinedieselöl
• Biodiesel
• XtL-Kraftstoffe, darunter GtL-Kraftstoff (Gas-to-Liquid), BtL-Kraftstoff (Biomass-to-Liquid) und CtL-Kraftstoff (Bsp.: Leuna-Benzin (Coal-to-Liquid))
• Emulsionskraftstoff (meist Wasser in Diesel, zur Schadstoffminderung durch Temperaturabsenkung)
• Leichtbenzin
• Alkylatbenzin
• Ethanol-Kraftstoff, darunter Bioethanol und Cellulose-Ethanol
• Butanol, darunter Biobutanol
• Flüssigerdgas (auch: LNG Liquefied Natural Gas)
• Flüssiges Biomethan (auch: LBM – Liquefied Biomethane, Bio-LNG)
• komprimiertes (verflüssigtes) Power-to-Gas-Brenngas (Hauptbestandteil Methan)
• Flüssiggas (Hauptbestandteile Propan/Butan-Gemisch, auch: Autogas, Campinggas, LPG bzw. Liquefied Petroleum Gas)
• Methanol
• Pflanzenöl
• Hydriertes Pflanzenöl
• Schweröl
• Benzol
• Gasöl
• Nitromethan

Gasförmige Kraftstoffe

• Erdgas – auch: Methan, CNG (Compressed Natural Gas) oder LNG (Liquid Natural Gas)
• Wasserstoff, darunter Biowasserstoff
• Ammoniak
• Kompogas
• Biogas
• Methan – auch: Erdgas, darunter Biomethan
• Ethan
• Dimethylether
• Holzgas
• Deponiegas
• Blaugas

Feste Kraftstoffe

• Festbrennstoffe (zum Beispiel für Antriebe von Feststoffraketen)

Alternative Kraftstoffe, die klimaschädlich sind

• Erdgas (CNG) ist seit den 1990er Jahren in Deutschland verfügbar. In Argentinien, Brasilien und Italien fahren bereits Millionen Automobile damit. Der Vorteil von Erdgas liegt wie bei Autogas in der gegenüber Benzin und Diesel saubereren Verbrennung. Natürliches Erdgas ist aber wie Benzin und Diesel auch ein klimaschädlicher Kraftstoff, da bei der Verbrennung CO₂ entsteht. Der Hauptbestandteil von Erdgas ist Methan, das klimaschädlich ist, wenn es in die Umwelt gerät, was bei Transport und Verwendung in Motoren häufig geschieht (siehe unten unter Methan).
• Autogas besteht hauptsächlich aus Propan und Butan, die sehr gut zu transportieren sind. Diese Gase fallen bei der Erdgas- und Erdölförderung als „nasses Bohrgas“ sowie bei der Raffinierung von Erdöl (z. B. zur Gewinnung von Benzin oder Diesel) als Nebenprodukt an.

Erdgas und Autogas verbrennen zwar sauberer als Benzin und Diesel, sie sind aber klimaschädlich, da ihre Verbrennung das Treibhausgas CO₂ erzeugt, das zur Erderwärmung beiträgt.

Alternative Kraftstoffe, die auch aus regenerativen Energiequellen hergestellt werden können

• Methan und methanhaltige Kraftstoffe wie z. B. Erdgas, Biogas, LNG oder Bio-LNG sind als alternative Kraftstoffe problematisch, da Methan sowohl bei der Herstellung als auch bei Lagerung, dem Transport und der Nutzung als Kraftstoff häufig unverbrannt als Treibhausgas in die Umwelt entweicht wo es etwa 20 bis 25 mal klimaschädlicher als CO₂ ist (nach manchen Quellen bis zu über 70 mal schädlicher). In Motoren kommt es häufig zum sogenannten „Methanschlupf“, bis zu ca. 2 % des Methans werden nicht verbrannt und treten als umweltschädliches Treibhausgas in die Atmosphäre aus. Auch wenn Methan, das mit Hilfe von erneuerbaren Energien hergestellt wird, eigentlich klimaneutral wieder in Energie umgewandelt werden kann, ist die Verwendung in Schiffsmotoren daher i. d. R. klimaschädlicher als Diesel. In manchen Zweitaktmotoren soll dieses Problem nicht auftreten. Auch bei der Herstellung von methanbasierten Kraftstoffen ist Methanschlupf problematisch und soll bis zu 8 % betragen.
• Wasserstoff (siehe Hauptartikel Wasserstoffantrieb) lässt sich mit Verbrennungsmotoren oder Brennstoffzellen nutzen, ist allerdings als Naturstoff nicht direkt gewinnbar und ist weder kostengünstig zu speichern noch zu transportieren. Die Wasserstoffherstellung kann auf verschiedene Weise klimaneutral oder klimaschädlich geschehen. Wasserstoff kann z. B. aus Wasser (H₂O) mittels Elektrolyse gewonnen werden, was nur dann klimaneutral ist, wenn der dazu benötigte Strom auch klimaneutral produziert wird. Kostengünstiger ist allerdings die Gewinnung durch direkte chemische Umwandlung von Erdgas nach dem Steam-Reforming-Verfahren, das allerdings klimaschädlich ist, da dann CO₂ entsteht. Im Kværner-Verfahren kann aus Kohlenwasserstoffen wie Erdöl, Erdgas oder Methan Wasserstoff und reiner Kohlenstoff erzeugt werden. Solange der Kohlenstoff in der weiteren Verwendung nicht klimaschädlich umgewandelt würde, wäre dies ein Verfahren, um Erdöl und Erdgas klimafreundlich zu verwenden. Insgesamt ist der Aufwand zur Bereitstellung der Antriebsenergie für Kraftfahrzeuge hoch, die Well-to-Tank-Effizienz in Folge gering.
• Methanol ist klimafreundlich und kann u. a. mit elektrischer Energie hergestellt werden und in Brennstoffzellen oder als Brennstoff u. a. in Verbrennungsmotoren zum Einsatz kommen. Auch die Produktion von erneuerbarem Methanol aus Hausmüll wird bereits wirtschaftlich angewandt. Es verbrennt an der Luft sauber zu Kohlendioxid und Wasser. Methanol wird von manchen Fachleuten als möglicher klimaneutraler Kraftstoff insbesondere für den Schwerlastverkehr und die Schifffahrt gesehen. Der Kraftstoff Methanol (M100) ist bereits genormt. In China wird Methanol bereits als Kraftstoff in Pkw und Lkw genutzt. In Schweden wird eine Autofähre mit Methanol betrieben. Methanol eignet sich eventuell auch als Zwischenspeicher in Fahrzeugen, die mit Wasserstoffbrennstoffzellen angetrieben werden. Methanol kann auch in Benzin umgewandelt und Polyoxymethylendimethylether als Kraftstoff, kurz OME, gewonnen werden. An der Pennsylvania State University war 1999 ein Verfahren entwickelt worden, mittels eines Katalysators Methan bei weniger als 100 °C in Methanol umzuwandeln. (siehe auch: Methanolwirtschaft)
• Polyoxymethylendimethylether kurz OME (mit n zwischen 3 und 5) können als Dieselkraftstoffkomponenten oder vollständige Alternative zum Dieselkraftstoff verwendet werden. Sie bewirken dabei eine Minderung der Rußemissionen während des Verbrennungsprozesses. Die Produktionskosten für die Herstellung von OME sind vergleichbar mit der Herstellung von Dieselkraftstoff. Der Primärrohstoff zur Herstellung von OME ist Methanol, das sowohl aus konventionellem Erdgas, als auch regenerativ aus COx und Wasserstoff hergestellt werden kann. Auch andere Ether werden auf ihre Eignung in Kraftstoffen untersucht.
• Ammoniak ist klimafreundlich und kann als kohlenstofffreier Brennstoff mit elektrischer Energie hergestellt werden, und u. a. in Verbrennungsmotoren oder in Brennstoffzellen zum Einsatz kommen. Vorteil ist der flüssige Aggregatzustand bei geringer Kühlung bzw. der geringe Druck flüssigen Ammoniaks bei Raumtemperaturen. Praktische Anwendungen befinden sich (Stand 2020) noch im Labormaßstab. In den USA wurden aber schon in den 1870er Jahren Straßenbahnen mit Ammoniak angetrieben und im Zweiten Weltkrieg in Belgien Busse. In Verbrennungsmotoren von PKWs wird Ammoniak aber wohl voraussichtlich nicht zum Einsatz kommen, da es zu giftig ist. Sofern das Ammoniak aus erneuerbaren Energien gewonnen wird, ist es ein klimaneutraler Kraftstoff. Der Vorteil gegenüber Wasserstoff liegt in der einfacheren Transportmöglichkeit. Der Nachteil liegt in der potentiellen Giftigkeit, wobei Vergiftungen aufgrund des unangenehmen Geruchs selten vorkommen sollen, sowie im Ammoniakschlupf, also von geringen Mengen die ungenutzt im Abgas verkommen, an dessen Beseitigung derzeit geforscht wird und der aber im Gegensatz zum Methanschlupf nicht klimaschädlich ist. Hersteller bieten auch bereits Ammoniakschlupfkatalysatoren an, die den Schlupf zu unschädlichen Produkten Stickstoff (N2) und Wasser (H₂O) oxidieren können sollen. Da Ammoniak sehr häufig z. B. als Dünge- oder umweltfreundliches Kältemittel eingesetzt wird, ist die Herstellung von Ammoniak weit verbreitet, derzeit sollen hierfür weltweit etwa 2 – 3 % des gesamten gewerblichen Energiebedarfs aufgewendet werden. Werden dabei keine erneuerbaren Energien eingesetzt, fallen pro Tonne Ammoniak etwa 1,5 Tonnen klimaschädliches CO₂ an. siehe auch: Power-to-Ammonia

Unter dem Begriff Elektrokraftstoffe (engl. Electrofuels; kurz: E-Fuels) wird eine Reihe von alternativen Kraftstoffen zusammengefasst, die mit Hilfe von elektrischer Energie hergestellt werden (z. B. Wasserstoff, Ammoniak, Methan). Die Vorteile gegenüber mittels Akku betriebenen Fahrzeugen sind, dass i. d. R. bei gleichem Gewicht deutlich mehr Energie als in einem Akku gespeichert werden kann, dass keine Akkus produziert werden müssen, dass ein Tank i. d. R. viel schneller befüllt werden kann als ein Akku aufgeladen, und dass die Kraftstoffe auch z. B. mittels Solarenergie in entfernten Wüstenregionen produziert werden könnten. Der Nachteil gegenüber akkubetriebenen Fahrzeugen liegt in dem stets deutlich geringeren Gesamtwirkungsgrad. So benötigen mit Power-to-Liquid-Treibstoffen betriebene Autos mit Verbrennungsmotor etwa vier- bis sechsmal so viel Energie wie batterieelektrische Fahrzeuge, wobei allerdings die sehr energieaufwändige Batterieproduktion nicht eingerechnet ist. Aufgrund dieser Eigenschaften empfahl der Sachverständigenrat für Umweltfragen 2017 in einem Gutachten, den Einsatz von strombasierten synthetischen Brennstoffen vor allem auf den Flug- und Schiffsverkehr zu beschränken, um den Stromverbrauch nicht zu sehr ansteigen zu lassen. Dieser Nachteil entfällt, wenn die Kraftstoffe mittels erneuerbaren Energien im Ausland, z. B. in Wüstenregionen, zu konkurrenzfähigen Preisen produziert werden könnten. Eine 2018 veröffentlichte Dokumentation der Wissenschaftliche Dienste des Deutschen Bundestages führt aus: „Die Kosten für E-Fuels sind derzeit noch hoch (bis zu 4,50 € pro Liter Dieseläquivalent). Ein Zielkostenniveau von ca. 1 € pro Liter Dieseläquivalent erscheint mit Importen aus Regionen mit hohem Angebot an Sonne und/oder Wind aus heutiger Perspektive erreichbar.“ Der Preis ist wohl ohne Energiesteuer, die derzeit 65,45 ct pro Liter Benzin beträgt, sowie ohne Umsatzsteuer von 19 %. Insgesamt betrüge der Preis also voraussichtlich ca. 2,-- Euro, so die Besteuerung nicht anders ausfällt.

Um klimaneutral zu sein, sollten Elektrokraftstoffe sinnvollerweise auf regenerativem Weg, also z. B. in Solar-, Wind- oder Wasserkraftwerken, gewonnen werden. Mittels Elektrolyse von Wasser wird Wasserstoff erzeugt, der entweder direkt als Kraftstoff (z. B. für Brennstoffzellenfahrzeuge) verwendet werden kann oder mit CO₂ zu unterschiedlichen gasförmigen („Power-to-gas“) oder flüssigen („Power-to-liquid“) Kohlenwasserstoffen reagieren kann; auf diesem Weg lassen sich Kraftstoffe herstellen, die in konventionellen Verbrennungsmotoren eingesetzt werden können. Dies bietet die Möglichkeit, auch den Langstreckenverkehr weitgehend CO₂-neutral anzutreiben, für den aktuell noch keine tragfähigen Elektrifizierungskonzepte bestehen.

Alternative Kraftstoffe, die aus Pflanzen hergestellt werden können

• Ethanol-Kraftstoff (Bio-Ethanol) wird aus Zuckerrüben, Zuckerrohr oder Weizen gewonnen. Seit 2005 wird es in Deutschland in geringen Mengen dem normalen Benzin beigemischt. In Brasilien fahren viele Automobile damit, siehe Flexible Fuel Vehicle. Verfahren zur Gewinnung von Cellulose-Ethanol aus pflanzlicher Biomasse befinden sich in der Entwicklung.
• Biodiesel wird aus mit Methanol veresterten Pflanzenölen (vorwiegend Rapsöl) hergestellt. Da Biodiesel unter Umständen Dichtungen und Schläuche im Kraftstoffsystem angreift, müssen Motoren dafür geeignet sein bzw. umgerüstet werden. Biodiesel kann eine große Menge Wasser aufnehmen, was zu Korrosionsproblemen an der Einspritzausrüstung führen kann. Er dient auch als Beimischung zu normalem Dieselkraftstoff; der Anteil ist so begrenzt, dass auch nicht umgerüstete Dieselmotoren mit diesem Gemisch betrieben werden können. Nachteilig ist der hohe Aufwand zur Herstellung und die Ineffizienz bzw. Lebens-/Futtermittelkonkurrenz bei der Flächennutzung.
• Biogas kann für stationäre Motoren und zu Heizzwecken in der Nähe der Erzeugeranlagen eingesetzt werden, aber auch Erdgasfahrzeuge können damit betankt werden. Für die Verwertung von Biogas ist der potentiell klimaschädliche Methananteil am wichtigsten. Zu den Nachteilen siehe daher unten unter „Methan“.
• Biokerosin ist ein Luftfahrtkraftstoff, der auf Basis hydrierter Pflanzenöle wie Raps-, Palm- oder Jatrophaöl oder aus Algen hergestellt wird. Das Präfix Bio- weist hier nicht auf eine Herkunft aus ökologischer Landwirtschaft hin, sondern auf den pflanzlichen (biologischen) Ursprung. Biokerosin, das bestimmten Nachhaltigkeitskriterien entspricht, kann als biobasiertes Sustainable Aviation Fuel (SAF) bezeichnet werden.
• BtL-Kraftstoff (Biomass to Liquid) wird auch unter dem Markennamen SunDiesel vertrieben. Er wird aus Biomasse, wie z. B. Holz oder Stroh gewonnen. BtL befindet sich noch in der Erprobungsphase und hat noch einen großen Forschungsbedarf. Bei ihm können alle Bestandteile der Pflanze genutzt werden und er besitzt eine hohe Energiedichte. Auch konventionelle Dieselfahrzeuge können damit fahren. Eine Gesamtenergiebilanz der BTL-Prozesse liegt derzeit noch nicht vor.
• Reine Pflanzenöle z. B. aus Raps, Sonnenblume oder Leindotter, auch „Pöl“ oder Naturdiesel genannt, können als Kraftstoff in Dieselmotoren eingesetzt werden. Insbesondere die höhere Viskosität gegenüber Dieselkraftstoff führt dazu, dass zum dauerhaften Betrieb von Dieselmotoren mit Pflanzenöl eine Anpassung des Kraftstoff- und Einspritzsystems notwendig wird. Pflanzenöle neigen unter Lufteinfluss zum Verharzen und können im Winter erstarren. Nachteilig ist die geringe Ausnutzung der Sonnenenergie und die Lebens-/Futtermittelkonkurrenz bei der Flächennutzung. Ein Vorteil von Pflanzenöl ist das geringe Gefahrenpotential für Mensch und Umwelt (nicht wassergefährdend, kein Gefahrgut, ungiftig, hoher Flammpunkt).
• Holzgas war in den 1940er Jahren eine verbreitete Alternative unter dem Druck von akutem Kraftstoffmangel. In Finnland sind Fahrzeuge mit selbstgefertigten Holzvergasern auch heute noch anzutreffen. Bei dem Verfahren verschwelt normales Holz, oft Holzabfälle, unter Luftabschluss in einem Druckkessel oder zersetzt sich unter Luftmangelverbrennung. Die entstehenden brennbaren Gase (überwiegend Methan bei Luftabschluss, überwiegend Kohlenstoffmonoxid, Wasserstoff und Methan bei Luftmangelzersetzung) werden nach Kühlung und Reinigung einem Motor zugeführt. Stationäre Holzgasanlagen werden zu Heizzwecken und in Kraft-Wärme-Kopplungs-Anlagen eingesetzt.

Wenn für die Kraftstoffe eigens Pflanzen angebaut werden, ist dies problematisch, da die Flächen nicht für die Nahrungsproduktion verwendet werden können und der Erzeuger dazu neigen könnte, deutlich mehr Pestizide und Düngemittel zu verwenden, und somit die Umwelt und die Gesundheit von Anwohnern zu schädigen. Zudem können Naturflächen, etwa Regenwälder, der Produktion zum Opfer fallen. Verfahren, die aus Pflanzen Methan produzieren, sind grundsätzlich klimaschädlich, auch wenn sie nur Pflanzenreste verwenden, die ohnehin anfallen (siehe oben unter „Methan“).

Fachjournale

• Brennstoff-Chemie (1920–1969)
• Frontiers in Fuel ISSN 2813-6217
• Fuels ISSN 2673-3994
• Journal of Combustion ISSN 2090-1976

Fachbücher

• Boverton Redwood: Petroleum: Its Production and Use. D. Van Nostrand, New York 1887 (englisch, Online). 
• Bruno Riediger: Brennstoffe · Kraftstoffe Schmierstoffe. Springer Berlin Heidelberg, Berlin, Heidelberg 1949, ISBN 978-3-642-92536-8, doi:10.1007/978-3-642-92535-1. 
• Shell: The Petroleum Handbook. 4. Auflage. Balding and Mansell, Amsterdam, NL 1959, ISBN 978-0-444-42118-0 (englisch, Online). 
• Carl Zerbe (Hrsg.): Mineralöle und verwandte Produkte. Band 1. Springer Berlin Heidelberg, Berlin, Heidelberg 1952, ISBN 978-3-642-53012-8, doi:10.1007/978-3-642-53011-1. 
• Carl Zerbe (Hrsg.): Mineralöle und verwandte Produkte. Band 2. Springer Berlin Heidelberg, Berlin, Heidelberg 1969, ISBN 978-3-642-87510-6, doi:10.1007/978-3-642-87509-0. 
• Wilhelm S. Scheel: Technische Betriebsstoffe - Kraftstoffe, Kohle, Öl, Wasser. 3. Auflage. VEB Deutscher Verlag für Grundstoffindustrie, Leipzig 1962. 
• Bruno Riediger: Das Rohöl und die daraus gewonnenen Produkte. In: Die Verarbeitung des Erdöles. Springer Berlin Heidelberg, Berlin, Heidelberg 1971, ISBN 978-3-642-52167-6, S. 1–106, doi:10.1007/978-3-642-52166-9_1. 
• Douglas M. Considine (Hrsg.): Energy Technology Handbook (= McGraw-Hill Handbooks). McGraw-Hill Book Company, New York 1977 (englisch, Online). 
• Karl Griesbaum, Dieter Hönicke: Kraftstoffe der Zukunft. In: Chemie in unserer Zeit. Band 14, Nr. 3, 1980, S. 90–101, doi:10.1002/ciuz.19800140304. 
• G.G. Nasr, N.E. Connor: Natural Gas Engineering and Safety Challenges: Downstream Process, Analysis, Utilization and Safety. Springer International Publishing, Cham 2014, ISBN 978-3-319-08947-8, doi:10.1007/978-3-319-08948-5 (englisch). 
• Chang Samuel Hsu, Paul R. Robinson: Petroleum Science and Technology. Springer International Publishing, Cham 2019, ISBN 978-3-030-16274-0, doi:10.1007/978-3-030-16275-7 (englisch). 
• Wolfgang Maus (Hrsg.): Zukünftige Kraftstoffe: Energiewende des Transports als ein weltweites Klimaziel. Springer Berlin Heidelberg, Berlin, Heidelberg 2019, ISBN 978-3-662-58005-9, doi:10.1007/978-3-662-58006-6.