Die Vereinigten Staaten könnten den Bedarf an Rohöl eliminieren, indem sie eine Kombination aus Kohle, Erdgas und Non-Food-Pflanzen zur Herstellung von synthetischem Kraftstoff verwenden, hat ein Forscherteam aus Princeton herausgefunden.
Neben wirtschaftlichen und nationalen Sicherheitsvorteilen hat der Plan potenzielle Umweltvorteile. Da Pflanzen Kohlendioxid zum Wachsen absorbieren, könnten die Vereinigten Staaten die Treibhausgasemissionen von Fahrzeugen in den nächsten Jahrzehnten um bis zu 50 Prozent senken, indem sie Non-Food-Pflanzen verwenden, um flüssige Kraftstoffe herzustellen, sagten die Forscher.
Synthetische Kraftstoffe würden sich leicht für das Transportsystem eignen, da sie direkt in Automotoren verwendet werden könnten und fast identisch mit aus Rohöl raffinierten Kraftstoffen sind. Das unterscheidet sie von derzeit verfügbaren Biokraftstoffen wie Ethanol, die mit Gas gemischt werden müssen oder spezielle Motoren benötigen.
In einer Reihe von wissenschaftlichen Artikeln im vergangenen Jahr bewertete ein Team unter der Leitung von Christodoulos Floudas, Professor für Chemie- und Bioingenieurwesen in Princeton, Szenarien, in denen die Vereinigten Staaten ihre Fahrzeuge mit synthetischen Kraftstoffen antreiben könnten, anstatt sich darauf zu verlassen auf Öl. Das Team von Floudas analysierte auch die wahrscheinlichen Auswirkungen, die Anlagen für synthetische Brennstoffe auf lokale Gebiete haben könnten, und identifizierte Standorte, die die regionalen Stromnetze oder Wasserversorgungen nicht überlasten würden.
"Das Ziel ist es, ausreichend Treibstoff zu produzieren und auch die CO2 Emissionen oder das Äquivalent um 50 Prozent zu senken", sagte Floudas, der Stephen C. Macaleer '63 Professor für Ingenieurwissenschaften und angewandte Wissenschaften. „Die Frage war nicht nur, ob es möglich ist, sondern auch, ob es wirtschaftlich attraktiv ist. Die Antwort ist in beiden Fällen positiv."
Dies zu erreichen wäre weder einfach noch schnell, sagte Floudas. Ein realistischer Ansatz würde eine schrittweise Einführung der synthetischen Kraftstofftechnologie erfordern, und Floudas schätzte, dass es 30 bis 40 Jahre dauern würde, bis die Vereinigten Staaten synthetische Kraftstoffe vollständig eingeführt hätten. Es wäre auch nicht billig. Er schätzt den Preis für das gesamte System auf etwa 1,1 Billionen US-Dollar.
Die Forschung bildet einen wichtigen Teil eines White Papers, das kürzlich vom American Institute of Chemical Engineers (AIChE), dem landesweit größten Verband für Chemieingenieurwesen, herausgegeben wurde. In dem Papier fordern die Chemieingenieure eine stärkere Integration von Energiequellen und fordern die politischen Entscheidungsträger auf, chemische Umwandlungsprozesse als potenzielle Methode zur Herstellung sauberer und billigerer Kraftstoffe in Betracht zu ziehen.
"Im Moment gehen wir so viele Energiepfade", sagte June Wispelwey, Direktorin des Instituts und Absolventin von Princeton aus dem Jahr 1981. "Es gibt Möglichkeiten, das System stärker zu integrieren und viel effizienter zu machen."
Das Papier wurde von Vern Weekman, einem der Co-Forscher von Floudas, geschrieben. Weekman, Dozent in Princeton, ist ehemaliger Direktor der Mobil Central Research Laboratories und ehemaliger Präsident von AIChE.
Weekman sagte, der Hauptgrund, warum die Industrie sich nicht für synthetische Kraftstoffe entschieden habe, seien die Kosten gewesen. Obwohl er sagte, dass die Wirtschaft „immer noch am Rande“sei, bemerkte Weekman, dass steigende Preise für Rohöl und Verbesserungen in der Effizienz der Produktion synthetischer Kraftstoffe den Prozess weitaus rentabler als zuvor gemacht haben.
"Der Hauptgrund, warum wir das Papier geschrieben haben, war, die Planungsbehörden - die nationalen Akademien, das Energieministerium, die Umweltschutzbehörde, das Verteidigungsministerium - dazu zu bringen, darüber nachzudenken", sagte Weekman. Er fügte hinzu, dass es wichtig sei, dass die Behörden „diese Schlüsselverbindung der Verwendung chemischer Prozesse zur Herstellung konventioneller Kraftstoffe“berücksichtigen.
In der Princeton-Forschung fand das Team von Floudas heraus, dass Anlagen für synthetische Kraftstoffe Benzin, Diesel und Flugkraftstoffe zu wettbewerbsfähigen Preisen produzieren können, abhängig vom Rohölpreis und der Art des Ausgangsmaterials, das zur Herstellung des synthetischen Kraftstoffs verwendet wird. Laut der Federal Energy Information Administration (EIA) werden etwa zwei Drittel des von den Vereinigten Staaten verbrauchten Rohöls als Kraftstoff für den Transport verwendet. Laut EIA importieren die Vereinigten Staaten etwa 45 Prozent ihres jährlichen Rohölverbrauchs.
"Synthetische Kraftstoffe können selbst unter Berücksichtigung der Kapitalkosten immer noch profitabel sein", sagte Richard Baliban, ein Chemie- und Bioingenieur-Student, der 2012 seinen Abschluss machte und der Hauptautor mehrerer Arbeiten des Teams war. „Solange Rohöl zwischen 60 und 100 Dollar pro Barrel kostet, sind diese Prozesse je nach Rohstoff wettbewerbsfähig“, sagte er.
Der Kern des Plans ist eine Technik, die Hitze und Chemie verwendet, um Benzin und andere flüssige Brennstoffe aus kohlenstoffreichen Rohstoffen herzustellen, die von Kohle bis Rutenhirse reichen, einem einheimischen nordamerikanischen Gras, das in den Great Plains verbreitet ist. Das als Fischer-Tropsch-Verfahren bezeichnete Verfahren wurde in den 1920er Jahren in Deutschland entwickelt, um Kohle in flüssige Brennstoffe umzuwandeln.
Die Chemie ist kompliziert, aber sie nimmt im Grunde den Kohlenstoff und den Wasserstoff aus dem Ausgangsmaterial und fügt sie wieder zu den komplexen Ketten zusammen, aus denen Kraftstoffe wie Benzin und Diesel bestehen. Im Wesentlichen wird das Ausgangsmaterial auf 1.000 bis 1.300 Grad Celsius erhitzt und in Gas umgewandelt, und unter Verwendung des Fischer-Tropsch-Verfahrens wird das Gas in Ketten von Kohlenwasserstoffmolekülen umgewandelt. Diese Kohlenwasserstoffketten werden dann über Katalysatoren wie Nickel oder Eisen verarbeitet. Zu den Endprodukten gehören Kraftstoffe, Wachse und Schmiermittel, die normalerweise aus Rohöl hergestellt werden.
Die Methode des Princeton-Teams fügt einen Schritt hinzu, um CO2 durch den Prozess zu recyceln, um die Menge des von den Anlagen abgegebenen Gases zu reduzieren. Baliban sagte, dass es eine Grenze dafür gibt, wie viel CO2 wirtschaftlich recycelt werden kann, obwohl Anlagen auch ungenutzte CO2-Emissionen für eine spätere Speicherung einfangen könnten.
Im Laufe der Jahre haben Ingenieure die ursprüngliche Fischer-Tropsch-Methode verfeinert, um die Effizienz zu steigern. Aber die hohen Kosten für den Bau neuer Anlagen für synthetische Kraftstoffe in Verbindung mit dem niedrigen Rohölpreis haben synthetische Kraftstoffe für eine breite Akzeptanz zu teuer gemacht.
Mit dem Anstieg des Ölpreises sind synthetische Kraftstoffe jedoch praktischer geworden. Die US-Regierung hat eine Reihe von Projekten durchgeführt, um den Prozess zu untersuchen; insbesondere hat das Verteidigungsministerium synthetische Kraftstoffe untersucht, um Transportkraftstoffe bereitzustellen, ohne von ausländischen Lieferanten abhängig zu sein.
Das Princeton-Team betrachtete bei seiner Arbeit ein breiteres Bild. In einem Juli-Artikel im AIChE Journal stellte das Team fest, dass die Vereinigten Staaten ihren gesamten Bedarf an Transportkraftstoffen durch den Bau von 130 Anlagen für synthetische Kraftstoffe im ganzen Land decken könnten. Der Artikel mit Josephine Elia, einer Doktorandin in Chemie- und Bioingenieurwesen als Hauptautorin, hat seine Bewertung anhand von drei Rohstoffen vorgenommen: Kohle, Erdgas und Biomasse. Um zu vermeiden, dass Ackerland von der Nahrungsmittelproduktion auf Pflanzen für die Kraftstoffproduktion umgestellt wird – was die Nahrungsmittelversorgung beeinträchtigen würde – berücksichtigten die Forscher nur nicht essbare Pflanzen wie mehrjährige Gräser, landwirtschaftliche Reststoffe und Waldreste.
Die in ihrem Szenario modellierten Anlagen wurden in der Nähe sowohl der Rohstoffversorgung als auch der Brennstoffmärkte platziert. Die Analyse berücksichtigte externe Kosten wie Wasserversorgung und Strom für die Maschinen der Fabrik.
Letztendlich empfahl das Team den Bau von neun kleinen, 74 mittleren und 47 großen Anlagen, die jeweils 1 Prozent, 28 Prozent und 71 Prozent des Brennstoffs produzieren. Die meisten Anlagen würden im zentralen Teil des Landes und im Südosten angesiedelt. Der Staat mit der höchsten Kraftstoffproduktion wäre Kansas, das über 11 große Anlagen für synthetische Kraftstoffe verfügen würde. Texas hätte die größte Anzahl an Anlagen, aber aufgrund der verstreuten Natur der Rohstoffe in diesem Bundesstaat wären die meisten dieser Anlagen mittelgroß.
Die Forscher fanden heraus, dass der größte Beitrag zum Preis von synthetischem Kraftstoff die Kosten für den Bau der Anlagen sind, gefolgt vom Kauf von Biomasse und dann von Strom. Sie schätzten, dass die landesweiten Durchschnittskosten für die Herstellung des synthetischen Äquivalents eines Barrels Rohöl 95,11 $ betragen würden, obwohl die Kosten regional variieren. Die Kosten in Kansas, wo die meiste Produktion stattfinden würde, würden durchschnittlich 83,58 $ für das Äquivalent eines Barrels Rohöl betragen.
Die Kosten könnten viel niedriger sein, wenn die Anlagen Biomasse eliminieren und nur Kohle und Erdgas verwenden würden, um den Prozess zu betreiben, sagte Floudas, aber das würde den größten Teil des Nutzens für die Umwelt eliminieren.
"Wenn Sie eine 50-prozentige Reduzierung der Emissionen erreichen wollen, brauchen Sie die Biomasse", sagte er.
In vielerlei Hinsicht sind synthetische Kraftstoffe sauberer als Erdölkraftstoffe. Die Schwermetall- und Schwefelverunreinigungen von Erdölbrennstoffen können in den synthetischen Anlagen eingefangen werden, bevor der Brennstoff versendet wird. Synthetische Kraftstoffe können im Gegensatz zu vielen Biokraftstoffen auch in Benzin- und Dieselmotoren ohne Modifikationen verwendet werden. Der Biokraftstoff Ethanol beispielsweise wird häufig mit Benzin gemischt, aber hohe Ethanolkonzentrationen erfordern Modifikationen an Automotoren und stellen besondere Herausforderungen für das Starten bei niedrigen Temperaturen dar.
Floudas sagte, dass synthetische Kraftstoffe auch eine CO2-Reduzierung mit der derzeit auf der Straße befindlichen Fahrzeugflotte ermöglichen würden. Selbst wenn das Land sofort auf emissionsfreie Elektro- oder Brennstoffzellenfahrzeuge umsteigen würde, würden immer noch Millionen von Verbrennungsmotoren fahren. Durch die Umstellung auf synthetische Kraftstoffe hätte das Land die Möglichkeit, diese Emissionen zu reduzieren, auch wenn sie nicht vollständig beseitigt würden.
"Dies ist eine Gelegenheit, eine neue Wirtschaft zu schaffen", sagte Floudas. „Die Menge an Erdöl, die die USA importieren, ist sehr hoch. Was ist der Preis dafür? Welche anderen Ressourcen haben wir? Und was können wir dagegen tun?“
