Für die Logistikbranche steigt der Druck, fossilfreie Transportdienstleistungen anzubieten. Ein Team der OST – Ostschweizer Fachhochschule hat zusammen mit dem Transportunternehmen Krummen Kerzers AG und der Lidl Schweiz AG im Projekt «HelloLBG» die Treibhausgasreduktionen untersucht, die mit biologisch hergestelltem und verflüssigtem Methan (LBG) für schwere Nutzfahrzeuge in der Schweiz erreicht werden können. Darüber hinaus untersuchten die Partner die Wirtschaftlichkeit und die relevanten technoökonomischen Aspekte für den Import von LBG und eine mögliche LBG-Produktion in der Schweiz.

Europaweit wird zunehmend verflüssigtes Methan (Liquefied Natural Gas, LNG) als Treibstoff für den Schwerlastverkehr eingesetzt. Verschiedene Berichte weisen darauf hin, dass im Schwerlastverkehr mit dem Umstieg von Diesel auf LNG eine CO₂-Minderung von bis zu 20% erreicht werden kann [1–3]. Ein «Fuel Switch» von fossilem LNG auf erneuerbares verflüssigtes Biomethan (Liquefied Biogas, LBG) ist danach nutzerseitig ohne zusätzliche technische Anpassungen möglich. Gleich verhält es sich beim «Blending», das eine teilweise und sukzessive Reduktion der Treibhausgasemissionen bewirkt.

Noch ist der Markt für verflüssigtes Biomethan klein. Während es in der Schweiz noch keine Produktionsstätten gibt, sind in Europa (v. a. in Skandinavien) einige Anlagen bereits seit mehreren Jahren in Betrieb, und es ist eine zunehmende Anzahl Anlagen in der Planungs- oder Realisierungsphase zu beobachten

LBG – Herstellung und Import

LBG ist tiefkaltes, verflüssigtes Methan (ca. –162 °C bei 1 bar Absolutdruck), das im Gegensatz zu LNG aus biologischen Rohstoffen hergestellt wird. Zur Herstellung von LBG werden nachwachsende Rohstoffe oder biologische Abfälle verwendet. In der Schweiz existiert aktuell keine LBG-Produktion, aber in verschiedenen europäischen Ländern gibt es Anbieter von verflüssigtem Biomethan. Der Import gestaltet sich jedoch nicht leicht; für eine Schweizer Anerkennung als Biogas muss beispielsweise nachgewiesen werden, dass das LBG aus Substraten produziert wird, die den Vorgaben der Eidgenössischen Zolldirektion bzw. den entsprechenden Gesetzen und Verordnungen entsprechen. Diese sind beispielsweise erfüllt, wenn das Substrat aus Abfallprodukten gewonnen wird, die sich nicht für die Tierfütterung eignen, und wenn das Substrat nicht extra für die Biogasproduktion erzeugt wird. Durch die Verwendung von biologischen Rohstoffen kann der Kohlenstoffkreislauf bei der Verbrennung von LBG geschlossen werden, sodass kein zusätzliches CO₂ in die Atmosphäre abgegeben wird. Dennoch muss für eine belastbare ökologische Bewertung die Vorkette bei Produktion, Transport und Zwischenspeicherung des LBG berücksichtigt und quantifiziert werden, um die ökonomisch relevante Befreiung von der Mineralölsteuer und die Reduktion der LSVA-­Abgabe zu erreichen [4].

Ideal für den Einsatz im Schwerlastverkehr

Flüssiges Methan hat eine ca. 600-fach höhere Energiedichte als gasförmiges Methan bei Standardbedingungen und ist deshalb für den Einsatz im Schwerlastverkehr sehr gut geeignet. Zur Verflüssigung werden Kühlkreisläufe eingesetzt. Die eingesetzte Technologie ist abhängig von der Anlagengrösse. LBG-Produktionsstandorte haben heute Jahresproduktionskapazitäten zwischen 1000 und mehreren 10'000 Tonnen LBG. Zum Vergleich: Bei LNG werden international Mengen < 500'000 Tonnen pro Jahr als «small-scale LNG Production» bezeichnet. Im Zusammenhang mit LBG müsste also eher «nano-scale» als Einordnung verwendet werden.

Für die Verflüssigung von Biomethan wird aktuell überwiegend die «Mixed Refrigerant Technology» verwendet, die auf mehreren verschiedenen Kältemitteln basiert [5]. Es gibt jedoch auch weitere Technologien und laufende Entwicklungsprojekte für die kleinmassstäbliche Verflüssigung. Der Energiebedarf für kleine Verflüssigungsanlagen liegt derzeit im Bereich von 0,7 bis 1,8 kWh pro kg LNG.

Well-to-Wheel-Analyse

Zentrales Ziel des Projekts «HelloLBG» ist die Untersuchung, ob und wie LBG ökologisch und ökonomisch sinnvoll in der Schweiz im Schwerlastverkehr eingesetzt werden kann. Hierzu analysierte das Projektteam den Energiebedarf und die Emissionen während der ganzen Wertschöpfungskette: von der Produktion des LBG über den Transport und die Lagerung bis hin zur Verwendung im Fahrzeug. Bei dieser Well-to-Wheel-Analyse wurden nicht nur die direkten CO₂-Emissionen bestimmt, sondern auch zusätzliche relevante Treibhausgasemissionen als CO₂-Äquivalente berücksichtigt. Bei der Verbrennung des Treibstoffes wurden zudem weitere Schadstoffemissionen, beispielsweise NOx und Feinstaub, gemessen. Dazu wurden eigens für das Projekt zwei Lkw mit verschiedenen Motortechnologien für LNG als Treibstoff (High Pressure Direct Injection, HPDI, und Spark Ignition, SI) und eine LNG-Tankstelle angeschafft und untersucht.

Methodik

Um die Emissionen von Methan und Kohlenstoffdioxid über die Wertschöpfungskette hinweg bestimmen zu können, wurden im Projekt einerseits Messungen an Tankstelle und Fahrzeugen durchgeführt und andererseits Betriebsdaten von bestehenden LBG-Produktionsanlagen verwendet. Für die Ermittlung der Well-to-Wheel-Emissionen (berechnet in CO₂-Äquivalenten pro Megajoule) wurde das auf europäischer Ebene breit abgestützte Berechnungs-Tool «BioGrace» verwendet und spezifisch für das Projekt weiterentwickelt, d. h. insbesondere für Verflüssigung, Transport und Speicherung von LBG bzw. LNG erweitert.

Die Messungen an der Tankstelle umfassten Methanemissionen bei der Umfüllung sowie das sogenannte «Venting», das bei der Lkw-Betankung unter speziellen Bedingungen vorkommen kann und im Rahmen des Projekts über angepasste Betriebsstrategien verringert wurde. Zusätzlich wurden der elektrische Energiebedarf, der Druck in der Tankstelle sowie die Betankungsmenge erfasst. Die detaillierten Untersuchungen der Emissionen im Betrieb unterschiedlicher LNG-Lkw erfolgten in Zusammenarbeit mit der Berner Fachhochschule. Die Untersuchungen der Lkw wurden mit LNG und nicht wie geplant und vorbereitet mit LBG durchgeführt, da während des Projektes pandemiebedingt nur limitiert LBG zur Verfügung stand.

Direkte Methanemissionen

Ein wichtiger Punkt, der bei der ökologischen Beurteilung von LBG und LNG zu beachten ist, sind direkte Methanemissionen in allen Prozessschritten. Weil Methan ein 28-fach stärker wirkendes Treibhausgas ist als CO₂ (bezogen auf 100 Jahre), fallen direkte Methanemissionen entsprechend stärker ins Gewicht als CO₂, das bei der Verbrennung von Methan entsteht und in die Atmosphäre gelangt. Dies muss bei allen Herstell- und Verwendungsschritten von LBG und LNG berücksichtigt werden (Produktion, Aufbereitung, Transport, Lagerung, Betrieb). Das bedeutet, dass Leckagen und sonstige Methanemissionen sowohl in der Produktion des Biogases sowie auch im Transport und Einsatz des LBG zu prüfen, zu quantifizieren und so weit als möglich zu vermeiden sind. Daneben sind das Substrat, der Energiebedarf der Biogas- und LBG-Produktion, der Transport des LBG an den Verwendungsort inklusive Tankstellenbetrieb sowie der Kraftstoffverbrauch der Lkw entscheidende Faktoren bei der ökologischen Beurteilung.

LBG-Lagerung

Das flüssige Methan wird sowohl im Lkw wie auch in der Tankstelle ohne aktive Kühlung in vakuumisolierten Tanks gelagert. Trotz Vakuumisolation erwärmt sich das flüssige Methan von anfänglich –162 °C (1 bar), wobei ein Teil des Methans gasförmig wird und der Absolutdruck im Tank steigt. Würde dieser im Fall der untersuchten Tankstelle 16 bar überschreiten, müsste aus Sicherheitsgründen Gas abgeführt werden. Ist kein geeignetes System zur Speicherung und/oder Verwendung vorhanden (z. B. Rückverflüssigung, Einspeisung in das Erdgasnetz, CNG-Tankstelle), wird das abgeführte Methan an die Umgebung abgegeben. Das kann beispielsweise vorkommen, wenn ein Lkw zu lange (d. h. > 5 Tage) nicht bewegt wird oder an einer Tankstelle zu wenig getankt wird. Durch die Entnahme von Gas aus den Tanks sinken Druck und Temperatur wieder.
Zur Quantifizierung solcher Emissionen wurde ein Messsystem entwickelt. Zusätzlich wurden Fahrzeuge und Tankstelle mittels einer GasCam auf Leckage geprüft. Die Verbrauchsdaten der Lkw (LNG HPDI, LNG SI, Diesel) wurden über die Flottenmanagementsysteme der Hersteller über den Zeitraum von einem Jahr untersucht und mit den Messergebnissen verglichen. Zusätzlich wurden Referenzmessungen für alle drei Motorentechnologien mittels PEMS (Portable Emission Measurement System) gemacht. Dabei durchliefen die Lkw mehrfach mit derselben Beladung ein RDE-Prüfverfahren (Real Driving Emissions).

Erfahrungen im Tankstellenbetrieb

Um Lessons Learned aus dem Betrieb einer LNG-Tankstelle und -Lkw-Flotte zu formulieren, wurden die gewonnenen Erkenntnisse an den eigenen beiden Tankstellen sowie bei der eigenen Lkw-Flotte durch die Partner der Projektgruppe protokolliert.

ZWISCHEN­ERGEBNISSE

Die detaillierten Ergebnisse werden 2022 in einem Projektabschlussbericht publiziert. Ausgewählte Zwischenergebnisse sind in den folgenden Abschnitten festgehalten.

LBG-Produktion

Im Rahmen des «HelloLBG»-Projekts fand ein Austausch mit verschiedenen LBG-Produktionsanlagen in Europa statt, die sich in vielem unterschieden:

• Anlagengrösse
• verwendete Technologien
• Energieeinsatz bei Biogasproduktion
• Aufbereitung und Verflüssigung
• Verwendung von Substraten

Verallgemeinert konnte dabei festgestellt werden, dass

• es ökonomisch valable Optionen für Verflüssigungsanlagen bereits ab Produktionsmengen von etwa fünf Tonnen pro Tag gibt,
• die Erneuerbarkeit der Strom- und ggf. Wärmezufuhr bei der Produktion entscheidend ist und
• die transportbedingten Emissionen dann eine untergeordnete Rolle für die Well-to-Wheel-Bilanz spielen – sogar, wenn die (einfache) Transportdistanz > 2000 km beträgt.

Die bisherigen Berechnungen für eine Anlage in Nordskandinavien (Produktionskapazität etwa 20 t pro Tag) zeigen, dass Emissionsminderungen von bis zu 82% gegenüber fossilem Diesel (gerechnet mit 95,1 g CO_2,eq/MJ, was den durchschnittlichen Emissionen von in Europa verwendetem Diesel bezogen auf die benötigte Energie entspricht, vgl. [6]) erreicht werden können, sofern erneuerbare Energie für die Produktion eingesetzt wird. Stammen Wärme und/oder Strom für die Produktion und Verflüssigung des Biogases nicht aus erneuerbaren Quellen, reduziert sich die Emissionsminderung zum Teil erheblich, im spezifischen Fall fast um die Hälfte auf 46%. Die LBG-Produktion einschliesslich Verflüssigung wurde mit 8 g CO_2,eq/MJ berechnet, die verbleibenden Emissionen von nochmals etwa 9 g CO_2,eq/MJ können durch die Verringerung der Transportdistanz (bei gleicher Anlagengrösse) und das konsequente Vermeiden von «Ventings» beim Tankstellen- und Lkw-Betrieb (s. «Tankstelle für LBG») nochmals erheblich reduziert werden.

Bei der Analyse der Kosten für eine LBG-Produktion in der Schweiz (unter Annahme einer Produktionskapazität von mindestens 5 t LBG pro Tag) wurde ermittelt, dass etwa 80 Prozent auf die Biogasproduktion entfallen. Die restlichen 20 Prozent resultieren aus Aufbereitung, Verflüssigung und Transport des LBG. Ein ähnliches Bild ergibt sich für die Emissionen in der Wertschöpfungskette von LBG, das in der Schweiz hergestellt würde. Bei Verwendung nichterneuerbarer Energiequellen fallen rund 90 Prozent der Emissionen bei der Biogasproduktion inkl. Aufbereitung an und 10 Prozent bei Verflüssigung und Transport. Dennoch beträgt die geschätzte Reduktion der CO_2,eq-Emissionen gegenüber fossilem Diesel rund 73 Prozent. Kommen ausschliesslich erneuerbare Energiequellen zum Einsatz, ist der Anteil der Emissionen für Verflüssigung und Transport sehr klein, und die CO_2,eq-Emissionen sind rund 82% geringer als bei fossilem Diesel.

Tankstelle für LBG

Der Transport des LBG von Nordskandinavien in die Schweiz mit einem Diesel-Lkw sowie die Lagerung des LBG in der Tankstelle haben einen etwa gleich hohen Einfluss auf die Gesamtbilanz wie die LBG-Produktion (im spezifischen Fall zusammen knapp 9 g CO_2,eq/MJ). Diese Emissionen lassen sich durch den Transport mit LBG-betriebenen Lkw deutlich reduzieren.

4,2 g CO_2,eq/MJ sind in den Untersuchungen auf Methanemissionen der Tankstelle zurückzuführen. Diese entstehen durch «Venting», wobei Methan aus einem Lkw-Tank aufgrund der Druckdifferenz zur Tankstelle zurückgeführt wird. Liegt der Druck in der Tankstelle über 9,5 bar, kann das Methan nicht in die Tankstelle zurückgeführt werden, sondern wird an die Umgebung abgegeben. Dadurch wird ein zu schnelles Erwärmen des Methans in der Tankstelle verhindert. Diese «Ventings» konnten durch einen höheren Methanumsatz an der Tankstelle (ca. 2000 kg pro Tag) sowie gezielte Anpassungen in der Disponierung der Lkw auf nahezu null reduziert werden. Der gemessene elektrische Energiebedarf der Tankstelle liegt bei knapp 0,07% der betankten Energiemenge und hat damit kaum Einfluss auf die Emissionen.

Vergleich im Lkw-Betrieb

Bei zwei LNG-Lkw sowie einem Diesel-Lkw wurden mit einem PEMS Abgasmessungen durchgeführt, um die effektiven Emissionen feststellen zu können (inklusive Methanschlupf). Es sind Unterschiede zwischen den verschiedenen Technologien von LNG-Lkw bemerkbar. So wies das Fahrzeug mit SI-Motor (Ottomotor, Lambda = 1) höhere CO₂-Emissionen auf als das Fahrzeug mit HPDI-Motor, das für die Zündung jedoch zusätzlich noch Diesel einsetzt. Der höhere Verbrauch des Lkw mit Ottomotor ist auf die geringere Effizienz dieser Technologie gegenüber der HDPI- und Dieselmotortechnologie zurückzuführen. HPDI-Motoren können nicht vollständig auf LBG umgestellt werden, da immer ein Rest von ca. 10% (Masse) an Diesel benötigt wird. Es wird davon ausgegangen, dass der 10%-Dieselanteil nicht durch eine emissionsarme Alternative ersetzt werden kann.

Durch den Ersatz von fossilem Diesel durch LBG aus Skandinavien können die Emissionen von 1044 g auf bis zu 270 g CO_2,eq/km gesenkt werden (Fig. 2).

Dabei wurden Optimierungen des Transportes oder der Tankstelle, wie sie im Projekt ermittelt wurden, noch nicht berücksichtigt. Der Einsatz von fossilem LNG lohnt sich aus ökologischer Sicht bezogen auf die CO_2,eq-Emissionen nur für Lkw mit HPDI-Motoren. Als Basis für die LNG-Emissionen dient der Referenzwert von 74,5 g CO_2,eq/MJ [6] (durchschnittliche Emissionen von in Europa verwendetem LNG bezogen auf die benötigte Energie) plus die Emissionen von 4,2 g CO_2,eq/MJ für die Emissionen bei der Lagerung in der Tankstelle. Der Lkw mit SI-Technologie (Ottomotor) zeigte mit LNG höhere CO_2,eq-Emissionen als das dieselbetriebene Referenzfahrzeug. Für die Emissionen pro Kilometer (g CO_2,eq/km) werden die energiebezogenen Emissionen (g CO_2,eq/MJ) mit der von den Lastwagen benötigten Energie pro Kilometer (MJ/km) multipliziert (Fig. 3).

Betrieb und Planung der Infrastruktur – ausgewählte Erfahrungen

Bei der Planung einer LNG-Tankstelle ist zu beachten, dass nicht alle LNG-Tankstellen und LNG-Fahrzeuge in Bezug auf ihre Anschlüsse kompatibel sind. Für den Bau sollten Anlagenplaner herbeigezogen werden, die neben den technischen Aspekten auch logistische und regulatorische Kenntnisse einbringen können. In Bezug auf die Schweiz ist zu beachten, dass es kantonale Unterschiede bei baulichen Vorgaben, Auslegung der Störfallverordnung und Klassifizierung gemäss Brandschutznormen gibt.

Schwierigkeiten im Tankstellenbetrieb

Einerseits war die Anlieferung von LNG abhängig vom Transportunternehmen nicht immer problemlos terminierbar, was eine genaue Abstimmung der Bestellmenge und Liefertermine erforderlich macht. Abhängigkeiten und Einschränkungen im Betrieb können durch ein dichteres Tankstellennetz vermindert werden, wodurch mehr Flexibilität erreicht werden kann.

Andererseits waren die Füllstandsanzeigen der Tankstelle zum Teil ungenau, was wiederum die Planung von Lieferungen sowie den Befüllvorgang erschwerte.

FAZIT UND AUSBLICK

Durch den Einsatz von verflüssigtem Biomethan als Treibstoff können die klimarelevanten Emissionen von Lkw im Schwerverkehr deutlich reduziert werden im Vergleich mit fossilem Diesel und mit verflüssigtem Erdgas. Während im Fahrzeugeinsatz (Tank-to-Wheel) aufgrund der weitgehend identischen chemischen Zusammensetzung von LNG und LBG zunächst ähnliche Emissionen auftreten, zeigt eine ganzheitliche Well-to-Wheel-Betrachtung ein anderes Bild: Hier werden für biogene Treibstoffe die CO₂-Emissionen bei der Verbrennung im Motor durch den pflanzlichen Zyklus egalisiert. Allerdings sind auch beim LBG die produktions- und transportbedingten (Vorketten-)Emissionen zu quantifizieren wie auch diejenigen Gase, die beim Einsatz im Lkw neben dem CO₂ gebildet werden.

Im Projekt «HelloLBG» konnten im Rahmen einer Well-to-Wheel-Analyse von flüssigem Biogas verschiedener Anbieter erste Vergleichswerte bestimmt werden. Am Beispiel von LBG aus einer Verflüssigungsanlage in Nordskandinavien wurde ermittelt, dass bei fossilfreier Produktion des Biogases gesamthaft eine Reduktion der Treibhausgasemissionen gegenüber Diesel von über 70% erreicht wird. Dabei entfällt etwa die Hälfte der verbleibenden Emissionen in der Well-to-Wheel-Bilanz auf den Transport des LBG.

Mit dem Import von LBG von naheliegenden Produktionsstandorten oder sogar einer LBG-Produktion in der Schweiz sowie der Verhinderung von «Ventings» an der Tankstelle sind weitere Emissionsreduktionen möglich.

Verwendete Abkürzungen
HPDI: High Pressure Direct Injection
LBG: Liquefied Biogas, verflüssigtes Biomethan
LNG: Liquefied Natural Gas, verflüssigtes Methan
LSVA: Leistungsabhängige Schwerverkehrsabgabe
PEMS: Portable Emission Measurement System
RDE: Real Driving Emissions
SI: Spark Ignition

Bibliographie

[1] Wietschel, M. et al. (2019): Klimabilanz, Kosten und Potenziale verschiedener Kraftstoffarten und Antriebssysteme für Pkw und Lkw

[2] Deutsche Energie-Agentur GmbH (dena) (2019): Bio-LNG – eine erneuerbare und emissionsarme Alternative im Straßengüter- und Schiffsverkehr

[3] TNO Traffic & Transport, Vermeulen, R. J. (2019): Emissions testing of a Euro VI LNG-diesel dual fuel truck in the Netherlands

[4] cng-mobility.ch (2019): Parlament gibt Schub für Biogas-Antrieb im Güterverkehr. www.cng-mobility.ch/beitrag/parlament-gibt-schub-fuer-biogas-antrieb-im-gueterverkehr/ (abgerufen am 12.01.2022)

[5] DVGW Deutscher Verein des Gas- und Wasserfaches e.V. (2019): LNG kann Grün! Publikation im Auftrag der Taskforce LNG für schwere Nutzfahrzeuge

[6] Mellios, G.; Gouliarou, E. (2018): Greenhouse gas intensities of road transport fuels in the EU in 2018: Monitoring under the Fuel Quality Directive
 

Projekt «HelloLBG»

Das Projekt «HelloLBG» wird finanziell vom Bundesamt für Energie (BFE), vom Forschungsfonds Gas (FOGA) der schweizerischen Gasindustrie und der Lidl Schweiz AG unterstützt. Umsetzungspartner sind die Krummen Kerzers AG und die Lidl Schweiz AG. Die Autorinnen und Autoren bedanken sich für die gute Zusammenarbeit.

Fachartikel erschienen in AQUA & GAS, 28. Februar 2022 

Autoren

• Elimar Frank, Frank Energy GmbH, elimar.frank(a)frank-energy.com 

• Fabian Ruoss, IET Institut für Energietechnik, OST - Ostschweizer Fachhochschule, fabian.ruoss(a)ost.ch

• Zoe Stadler, IET Institut für Energietechnik, OST - Ostschweizer Fachhochschule, zoe.stadler(a)ost.ch