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Nachdem wir uns im letzten Artikel ausführlich mit dem Gas-to-Liquids Verfahren beschäftigt haben, geht es dieses mal  um ein sehr ähnliches Verfahren zur Herstellung flüssiger Treibstoffe: die sogenannte Kohleverflüssigung (englisch: Coal-to-Liquid). Dieses Verfahren wird häufig als die Lösung für „Peak Oil“ angesehen, da sich in den Köpfen vieler Menschen festgesetzt hat, dass Kohle der Menschheit noch für Jahrhunderte zur Verfügung stehen wird. Gestatten Sie mir daher, dass ich zunächst etwas ausführlicher auf die Ressource Kohle eingehe, bevor es um deren Umwandlung in flüssige Treibstoffe geht.

Wie entsteht Kohle?

Kohle ist fossile Biomasse, die meist in Sumpfwäldern gebildet wurde. Gerät diese Biomasse unter Luftabschluss, beispielsweise, weil das Land sich langsam (wenige mm bis cm pro Jahr) absenkt und die Pflanzen diese Absenkung eine Zeit lang ausgleichen können, bevor sie von anderen Sedimenten überdeckt werden, so können auf diese Weise extrem mächtige Horizonte entstehen, die einen sehr hohen Anteil an biogenem Kohlenstoff haben. Durch Druck- und Temperaturzunahme entsteht unter Luftabschluss Kohle! Die Reihenfolge der Kohleentstehung  ist - grob gegliedert - Torf, Braunkohle, Steinkohle und in folgendem Schaubild zu sehen.

Schematische Entstehung von Kohle     Quelle: Kjell Aleklett

Dieser sogenannte Inkohlungsprozess geht mit einer Konzentration an Kohlenstoff und einem Rückgang des Wassergehaltes einher. Die größten Kohlelagerstätten der Welt stammen aus dem Erdzeitalter des Karbon, das vom lateinischen Wort für Kohle seinen Namen bekam, das zeitlich etwa vor 360 Mio. bis 300 Mio. Jahren eingeordnet wird. Der CO₂-Gehalt der Atmosphäre im Karbon war bei rund 800 ppm, also rund doppelt so hoch wie heute! Es  handelt sich also um eine stark ausgeprägte Warmzeit, die wiederum das das Pflanzenwachstum  förderte und zu gigantischen Urwäldern führte, wie dieser Filmausschnitt eindrucksvoll zeigt.

Die in den deutschen Steinkohlerevieren (Ruhrgebiet, Saarland, Aachener Revier) abgebaute Steinkohle entstammt dieser Periode, während hingegen die ebenfalls in Deutschland geförderte Braunkohle (Rheinisches Revier, Lausitz und Helmstedt) erheblich jüngeren Ursprungs ist. Sie stammt aus dem Paläogen und Neogen (früher auch Tertiär genannt) und hat ein Alter zwischen 65 Mio. und 2 Mio. Jahren vor heute. Während die höher inkohlte Steinkohle einen Energiegehalt von rund 35 MJ/kg hat, kommt die kohlenstoffärmere Braunkohle nur auf 25 MJ/kg. Wer mehr über die Entstehung  und Klassifizierung von Kohle wissen will, findet hier ein schöne Zusammenfassung.

Die industrielle Revolution – gegründet auf Kohle!

Schon von den Römern ist bekannt, dass sie Kohle zum Heizen nutzten. Dabei wurde die Kohle zunächst an Stellen, an denen sie an der Oberfläche sichtbar war abgebaut. Später wurde den Flözen bergmännisch in die Tiefe gefolgt, wobei ab einer gewissen Tiefe eindringendes Grundwasser den weiteren Abbau erschwerte. Bemerkenswert ist, dass die erste Dampfmaschine von Thomas Newcomens ab 1712 zum Abpumpen von Grubenwasser in englischen Kohleminen verwendet wurde. Durch ihren miserablen Wirkungsgrad von etwa 0,5% setzte sie sich aber nicht durch. Erst die von James Watt 1765 weiterentwickelte Maschine brachte mit einem etwa 3-mal besseren Wirkungsgrad den Durchbruch. Es wurde somit erstmals in der Geschichte der Menschheit eine fossile Energie eingesetzt um mehr fossile Energie zur Verfügung zu haben! Man kann dies als den wichtigsten, technischen „Kurzschluss“ der Menschheitsgeschichte bezeichnen! Denn bis dahin wurde jede von der Menschheit verwendete Energie (z.B. Holz, tierische Muskelkraft etc.) bei vermehrter Nutzung teurer. Mit der Verwendung von Kohle zur Förderung von mehr Kohle wurde erstmals dieses Gesetz ausgehebelt.

Allerdings bemerkte schon der englische Ökonom William Stanley Jevons in seinem berühmten Buch „The Coal Question“ 1865, das durch den verbesserten Wirkungsgrad nicht weniger Kohle verbraucht wurde, sondern erheblich mehr! Er postulierte, dass  Effizienzsteigerungen nicht zwangsläufig zu Einsparungen führen, sondern meist das Gegenteil zutrifft. „Jevons Paradoxon“ war geboren, das heute jedoch eher unter dem Namen Rebound-Effekt bekannt ist.

Kohleverbrauch in England und Entwicklung der Dampfmaschine Quelle: Florian Arndt via wiki commons

Wie wird Kohle abgebaut?

Während zu Beginn der industriellen Revolution die Kohle meist Untertage mit Hilfe von Förderstreben und Schächten abgebaut wurde, stammt heute ein großer Teil der weltweit geförderten Steinkohle aus Tagebauen. Dies ist möglich, da in Ländern wie z.B. Südafrika, USA und Australien aufgrund von tektonischen Bedingungen die Kohleflöze heute nah unter der Erdoberfläche lagern. Die Förderung im Tagebau ist erheblich günstiger als der arbeitsintensive Untertageabbau, was auch der wesentliche Grund für die Stilllegung aller deutschen Steinkohlezechen bis 2018 ist. Dass der Tagebau mit einer erheblichen Landschaftszerstörung einhergeht, ist weitgehend bekannt. Das für den Abbau von Steinkohle aber auch ganze Bergkuppen gesprengt und abgetragen werden und mit dem Abraum ganze Täler zugeschüttet werden, dürfte weniger geläufig sein. Der vor allem in den USA praktizierte, lapidar als „mountaintop removal mining“ bezeichnete Abbau stellt einen massiven Eingriff in diverse Ökosysteme dar.

Mountaintop removal mining in den Appalachen/USA     Quelle: JW Randolph via wiki commons

 Wie viel Kohle gibt es?

Genauso wie es beim Erdöl Disput um Reserven und- Ressourcenangaben gibt, sind auch die Angaben bezüglich Kohle nicht unumstritten. Der aktuelle BP statistical review von 2012 gibt für Kohle folgende Reserven (zu heutigen Preisen, mit heutiger Technologie förderbar) an:

404 Mrd. Tonnen Anthrazit und bituminöse Kohle  (hoher Inkohlungsgrad, geringer Wassergehalt)

456 Mrd. Tonnen subbituminöse Kohle und Braunkohle (geringerer Inkohlungsgrad, höherer Wassergehalt)

Die Welt verbrauchte 2011 rund 7,7 Mrd. Tonnen. Die statische Reichweite von Kohle liegt also bei 112 Jahren. Bei gleich bleibendem Verbrauch und gleichbleibender Förderrate könnte die Menschheit bei heutigen Reserven also 112 weiter Jahre Kohle fördern! Interessant wird es, wenn man sich diese Zahl im Verlauf der letzten Jahre ansieht, denn sie hat sich stark verändert:

Entwicklung der statischen Reichweite für Kohle      Quelle: BP statistical review 1999 - 2012

Beim Anblick dieser Grafik wird klar, warum vielen Menschen die Zahl "200 Jahre" im Kopf hängengeblieben ist: Das ist noch gar nicht so lange her! Dann kam der China-Boom, der im wesentlich mit Kohle befeuert wird. Inzwischen wird jede 2. Tonne der weltweit geförderten Kohle in Chinas Kohlekraftwerken verbrannt. Dabei kann China seinen Kohlebedarf zurzeit noch aus eigenen Reserven bestreiten. Der Moment, ab dem China zum Netto-Kohleimporteur wird, wird den gesamten Kohlemarkt massiv beeinflussen. Dass sich in den letzten 10 Jahren auf dem Kohlemarkt auch so schon massive Veränderungen vollzogen haben, kann man an der Preisentwicklung für verschiedene Kohlesorten ablesen.

Entwicklung des Preises für verschiedene Kohlearten      Quelle: BP statistical review 2012

Gibt es auch "Peak Coal"?

Jede endliche Ressource wird im Zeitverlauf den Moment ihrer höchsten Produktionsrate erleben - auch die noch massenhaft vorhandene Kohle! Über die Frage des "Peak Coal" wurde aber bisher noch weniger geforscht als über "Peak Oil". Ähnlich wie bei Peak Oil stehen sich zwei wissenschaftliche Fraktionen recht unversöhnlich gegenüber. Die einen sagen, dass Kohle der Menschheit noch für Jahrhunderte zur Verfügung stehen wird. Andere wie beispielsweise der  amerikanische Wissenschaftler Ted Patzek bestreiten dies. Er hat 2011 eine Studie veröffentlicht, in der er argumentiert, dass die weltweite Kohleproduktion aktuell schon nah an ihrem Maximum operiert. Er sieht die Schwelle von deutlich mehr als 8 Mrd. Tonnen pro Jahr als schwierig zu erreichen an, wie er in diesem Artikel der NY Times erläutert. Er bezweifelt nicht, dass es noch große Reserven an Kohle gibt, sondern eher, dass man in der Lage sein wird, große Teile dieser Kohle wirtschaftlich auszubeuten. Als Beispiel nennt er Alaska, von dem man weiß, dass im sog. "North Slope" in etwa so große Kohleressourcen lagern, wie in den restlichen USA, sie aufgrund der klimatischen und infrastrukturellen Bedingungen aber nahezu unmöglich zu fördern sind. Ein weiteres Problem bei Reserveangaben bzgl. Kohle liegt darin, dass viele Reservenangaben von nationalen Behörden stammen und oft seit Jahrzehnten nicht mehr aktualisiert wurden. Dort wo aktualisiert wurde, hat man in vielen Ländern die Kohlenreserven deutlich nach unten korrigiert. Drastisches Beispiel dafür ist die Bundesrepublik Deutschland, deren Bundesanstalt für Geowissenschaften (BGR) im Jahr 2004 die nationalen Kohlereserven um satte 99% nach unten korrigiert hat. Die Korrektur erfolgte im Zusammenhang mit dem für 2018  beschlossenen Ausstieg aus dem deutschen Steinkohlenbergbau und der damit verbundenen Flutung zahlreicher Zechen. Die Kohle ist also vorhanden, wird aber durch die Flutung der Zechen quasi unerreichbar und daher nicht mehr zu den Reserven gezählt! Damit keine Missverständnisse aufkommen: Die weltweite Kohleproduktion wird sich wahrscheinlich noch auf Jahrzehnte hinaus in heutigen Größenordnungen bewegen.

Kohleverflüssigung - wie viel Kohle braucht man?

Für die sogenannte Kohleverflüssigung gibt es verschiedene Verfahren, von denen sich aus Effizienzgründen das bereits besprochene Fischer-Tropsch-Verfahren gegenüber dem Bergius-Pier-Verfahren durchgesetzt hat. Weltmarktführer im Bereich Gas-to- Liquids und Coal-to-Liquids ist die südafrikanische Firma South African Synthetic Oil Limited  - kurz SASOL. Da Südafrika zur Zeit der Apartheid mit umfangreichen Sanktionen belegt wurde, war die Versorgung mit Rohöl schwierig, während Kohle preiswert gefördert werden konnte. Daher entwickelte SASOL auf Basis des Fischer-Tropsch-Verfahrens die Herstellung von synthetischem Treibstoff auf Basis von Steinkohle. Laut Dr. Michael Höök von der Uppsalla University gibt es aktuell nur ein kommerziell operierendes SASOL-Werk (Secunda CTL), welches nach eigenen Angaben eine Kapazität von 160.000 Barrel Öl pro Tag hat und zwischen 1 bis 1,4 Barrel synthetisches Öl aus einer Tonne bituminöser Kohle erzeugt. Grundsätzlich gilt: Je höherwertig die Kohle, desto höher die Konversionsrate. Höök stellt weiterhin fest, dass die meisten bisher veröffentlichten CtL-Studien einerseits von wesentlich höheren Konversionsraten, andererseits von deutlich niedrigeren Kohlepreisen ausgehen. Das amerikanische Energieministerium EIA rechnet in einer CtL-Studie  mit zukünftigen Konversionsraten von 2,5 Barrel pro Tonne Kohle, während das World Coal Counsil von 2,3 Barrel pro Tonne Kohle ausgeht. Man darf das als sehr optimistisch bezeichnen, wenn die einzige Firma der Welt, die in diesem Bereich über mehr als 50 Jahre Erfahrung verfügt, nur Konversionsraten von 1,4 Barrel Öl pro Tonne Kohle erreicht! Allerdings hängen die Konversionsraten von sehr vielen Faktoren ab, wie z.B. dem Anlagendesign, dem Prozessdesign und der Qualität des Kohle-Inputs. Schauen wir uns das Potential des Coal-to-Liquid-Prozesses mal in einem Schaubild von Dr. Michael Höök an.

Potential des Coal to Liquid Prozesses    Quelle: Höök, Uppsala University 2012

Das Schaubild zeigt, wie viel Kohle man benötigen würde um den Weltölverbrauch von rund 86 Mio. Fass pro Tag durch den Coal-to-Liquids Prozess zu ersetzen. Bei einer sehr hoch angesetzten Konversionsrate von 3 Barrel  Öl pro Tonne Kohle (lila) wären rund 11 Mrd. Tonnen Kohle notwendig, also rund 50% mehr als die aktuelle Weltjahresförderung von Kohle, die durch die gestrichelte Linie dargestellt wird! Setzt man die derzeit technisch nachgewiesene Konversionsrate von rund 1,5 Barrel pro Tonne an (rot), wären rund 21 Mrd. Tonnen Kohle notwendig, also rund 3-mal die heutige Weltjahresproduktion von Kohle. Ich gebe an dieser Stelle nochmals zu bedenken, dass große Teile der entstehenden Verluste bei diesem Prozess thermodynamisch begründet sind. Bessere, neuere Technologie wird an diesem Umstand nur marginal etwas ändern! Aktuell werden auf der Welt etwa 210.000 Fass pro Tag mit Hilfe des Coal-to-Liquids Verfahrens in Südafrika und China erzeugt, also etwa 0,25% der aktuellen Welterdölproduktion!

Könnte Deutschland sich selber mit Treibstoff auf Basis von CtL versorgen?

Deutschland verfügt theoretisch über große Vorkommen an Steinkohle und vor allem an Braunkohle. Folgende überschlägige Rechnung versucht auszuloten, wie viel synthetischen Treibstoff man aus dem  heutigen, gesamten in Deutschland produzierten Stein- und Braunkohle gewinnen könnte, und wie hoch diese Menge im Vergleich zum heutigen Ölverbrauch Deutschlands ist:

Mit den 2010 noch geförderten rund 54 Mio. Tonnen Steinkohle und etwa 168 Mio. Braunkohle ließe sich etwas mehr als ein Drittel des deutschen Ölverbrauchs decken! Selbst mit der Maximalproduktion der 70er bzw. 80er Jahre hätte Deutschland seinen Ölverbrauch durch Kohleverflüssigung allein nicht decken können. Legt man die  gesamtdeutsche Steinkohleförderung von 1970 (mit 108 Mio. Tonnen etwa das Maximum der deutschen Steinkohleproduktion) und die gesamtdeutsche Braunkohleproduktion von 1988 ( mit 417 Mio. Tonnen etwa das Maximum der gesamtdeutschen Braunkohleproduktion) zu Grunde, so wären bei einer optimistischen Konversionsrate von 2 Barrel Öl pro Tonne Steinkohle und optimistischen 1,5 Barrel pro Tonne Braunkohle rund 95%  des heutigen deutschen Ölverbrauchs auf diese Art zu decken. Dabei bleibt unberücksichtigt, dass die Produkte des CtL-Verfahrens nicht direkt mit Rohöl zu vergleichen sind, eine Weiterverarbeitung also die Energieausbeute verringert. Außerdem gelte in solch einem Szenario zu beachten: Heute liefert die Braunkohle immerhin rund 27% des deutschen (Grundlast-!)Stroms, bei einer Verflüssigung für den Verkehrs-, Chemie- und Heizöl-Sektor müßte entweder der Strombedarf aus anderen Quellen gedeckt werden oder die Kohleförderung massiv ausgebaut werden. Wie viele Dörfer müssten dafür weggebaggert werden? Wie viele tausend Brunnen müssten für die extrem aufwändige Wasserhaltung der Großtagebaue gebohrt und (mit Energieeinsatz) betrieben werden? Welcher zusätzliche CO2-Ausstoß entstünde, welch negativer Einfluss auf Landschaft und Umwelt?

Coal-to-liquids Verfahren sind mit immensen Investitionen verbunden und brauchen um wirtschaftlich zu sein, dauerhaft Ölpreise von 60 - 80 $/Barrel, wobei steigende Kohlepreise die Gewinnschwelle solcher Anlagen weiter nach oben treiben. Für eine Produktionsanlage mit einer Kapazität von 50.000 Barrel pro Tag ist mit Investitionskosten in Höhe von etwa 5 Mrd. Dollar zu rechnen. Rund 50 solcher Anlagen wären notwendig, um Deutschlands heutigen Ölverbrauch zu substituieren. Mit einem Barrel synthetischem Öl aus dem CtL-Prozess sind rund doppelt so hohe CO2-Emissionen verbunden, wie mit einem konventionell geförderten Barrel Rohöl! Theoretisch ließe sich das CO2 im CtL-Prozess abscheiden, was die Kosten aber wieder deutlich erhöht. Außerdem ist bis heute unklar ist, wie sich die großen CO2 Mengen dauerhaft sicher lagern lassen!

Aufgrund der hohen Investitionskosten und wahrscheinlich weiter steigenden Kohlepreisen wird CtL meiner Meinung nach auch in Zukunft nur eine Nischenrolle spielen. Die "Rettung" unseres heutigen Verbrauchsniveaus ist es mit Sicherheit nicht.