Alternative Kraftstoffe: Kerosin aus erneuerbarer Energie

Mit Power-to-Liquid- und Sun-to-Liquid-Kraftstoffen kann die Luftfahrt ihre ambitionierten Klimaziele erreichen – wenn man schnell auf relevante Produktionsmengen kommt.

05.2020 | Autor: Denis Dilba

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Denis Dilba studierte Mechatronik, besuchte die Deutsche Journalistenschule und gründete das digitale Wissenschaftsmagazin Substanz. Er schreibt über verschiedenste Themen aus Technik und Wissenschaft.

Seit den 1960er-Jahren bis heute konnten effizientere Flugtriebwerke, verbesserte Aerodynamik und neue leichtere Werkstoffe den Treibstoffverbrauch und damit auch die CO2-Emissionen von Flugzeugen fast halbieren. An diesen Aufgaben wird auch weiterhin gearbeitet, um den Treibstoffverbrauch zu senken.

Kraftstoffe aus erneuerbarem Strom und Sonnenlicht
„Ein großes Potenzial, die Klimaziele in der Luftfahrt erreichen zu können, bieten synthetische Kraftstoffe“, sagt Dr. Andreas Sizmann, Leiter Zukunftstechnologien und Ökologie der Luftfahrt am Münchner Forschungsinstitut Bauhaus Luftfahrt. Damit meint er zwei bestimmte Varianten der „Sustainable Aviation Fuels“ (SAF): die sogenannten Power-to-Liquids (PtL) und Sun-to-Liquids (StL). Auch die Luftfahrtbranche hat das längst erkannt und testet bereits seit mehr als zehn Jahren solche SAFs, die nicht mehr aus fossilem Erdöl produziert werden. Lange Zeit galten Biokraftstoffe als Favorit, nun zeichnet sich aber immer klarer ab, dass sie keine nachhaltige Versorgung der globalen Flugzeugflotte leisten können. Der Anbau von Energiepflanzen bräuchte viel zu große ­Flächen. Der große Vorteil der SAFs ist, dass diese sogenannte „Drop-in“-Kraftstoffe sind – also keinerlei technische Anpassungen im Flugzeug, am Triebwerk und bei der Flughafen­infrastruktur fordern.

Ein großes Potenzial, die Klimaziele in der Luftfahrt erreichen zu können, bieten daher synthetische Kraftstoffe.

Dr. Andreas Sizmann, Leiter Zukunftstechnologien und Ökologie der Luftfahrt am Münchner Forschungsinstitut Bauhaus Luftfahrt

Um sie herzustellen, werden Wasser und CO2 mit erneuerbarem Strom (PtL) oder konzentriertem Sonnenlicht (StL) zunächst in Wasserstoff und Kohlenmonoxid umgewandelt – sogenanntes Synthesegas. Im PtL-Verfahren wird dazu zum einen Wasser per Elektrolyse in Wasserstoff und Sauerstoff zerlegt. Zum anderen reduziert die sogenannte Reverse Wasser-Gas-Shift-Reaktion Kohlendioxid zu Kohlenmonoxid. „Bei der StL-Methode entsteht das Synthesegas durch eine thermochemische Redoxreaktion“, sagt Sizmann, der das EU-geförderte Projekt SUN-to-LIQUID koordiniert. „Grob gesagt, erhitzt man dabei mit konzentriertem Sonnenlicht ein Metalloxid und entzieht ihm einen Teil des Sauerstoffs. Dann reduziert man die Temperatur und das Oxid holt sich den Sauerstoff vom Wasser und Kohlendioxid, wodurch Wasserstoff und Kohlenmonoxid gebildet werden.“

Grüner tanken: Synthetische Kraftstoffe müssen in der Luftfahrt möglichst bald zur Verfügung stehen, um die selbst gesetzten Ziele der Branche zur Reduzierung des CO2-Ausstoßes zu erreichen.

Das Power-to-Liquid-Verfahren ist bereit zur Skalierung
Aus dem Synthesegas entstehen dann sowohl beim Power-to-Liquid- als auch beim Sun-to-Liquid-Verfahren über die etablierte Fischer-Tropsch-Synthese langkettige Kohlenwasserstoffe. Raffinerie-Prozesse veredeln sie dann zu Kerosin – das Flugzeuge normal tanken können. „Da die PtL- und StL-Kraftstoffe bei der Verbrennung genauso wie fossiles Kerosin CO2-Emissionen verursachen, sind sie nur dann nachhaltig, wenn das CO2 für ihre Produktion aus der Atmosphäre stammt“, sagt Sizmanns Kollege Dr. Valentin Batteiger, der am Bauhaus Luftfahrt den Forschungsschwerpunkt „Alternative Kraftstoffe“ leitet. Möglich machen soll das die Direct Air Capture Technologie. Das Schweizer Startup Climeworks beispielsweise setzt hierfür große Filter ein, an denen das CO2 anhaftet. Die Technik muss aber noch effizienter und vor allem deutlich kostengünstiger werden.

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Wie aus Wasser und Kohlenstoffdioxid Kerosin wird

Das Power-to-Liquid-Verfahren ist zukunftsweisend: Dabei wird Wasserstoff mit erneuerbarer Energie erzeugt, mit Kohlenstoffdioxid zu Kohlenwasserstoffen synthetisiert und zu einem Flüssigkraftstoff aufbereitet. Zum Video ...

Die MTU Aero Engines unterstützt, auch in Kooperation mit anderen Branchenvertretern, die Einführung dieser Kraftstoffe in den Markt. „Die PtL-Technologie ist technisch beherrscht und bereit zur Skalierung – das muss unserer Ansicht nach jetzt geschehen“, sagt MTU-Experte Fabian Donus aus dem Innovationsmanagement. Denn noch gibt es weltweit keine Handvoll größerer Anlagen, was den PtL-Kraftstoff erheblich teurer macht als fossiles Kerosin. Sizmann plädiert daher ebenso für eine schnelle Skalierung, auch beim StL-Verfahren. „Da benötigen wir zwar noch Forschungsarbeit, um den Prozess effizienter zu machen. Diesen Schritt können wir aber parallel zum Aufbau einer Anlage im Megawattbereich gehen.“

Der Luftfahrtsektor könnte weitgehend CO2-neutral werden
Alle heute zugelassenen Herstellrouten von SAFs verlangen eine Beimischung von mindestens 50 Prozent fossilen Kerosins. „Herstellrouten, die keine Beimischung mehr benötigen, werden aber bereits untersucht. Umfangreich eingesetzt, würden SAFs die CO2-Bilanz der Luftfahrtbranche sofort spürbar verbessern“, so Donus. MTU verfolge auch weiterhin die Entwicklung der StL-Technologie, sagt Donus. „Aktuell scheint PtL aber einen Schritt voraus zu sein.“ Ohne Subventionen sei der Aufbau einer PtL-Industrie allerdings nicht zu stemmen, so Donus. Sizmann und Batteiger sehen das auch so. „Wie schnell wir die Technologien ausrollen können, hängt vom politischen Willen und von der Entwicklung der Kosten für den Einsatz von Erdöl ab. Eine Sun-to-Liquid-Anlage würde auf 38 Quadratkilometern Fläche rund 300.000 Liter synthetisches Kerosin pro Tag produzieren – knapp eine Airbus-A380-Tankfüllung. Die PtL-Technologie mit Solarstrom brauche in etwa die gleiche Fläche, so Batteiger. Windstrom wäre zwar platzsparender, dafür sinke aber die Akzeptanz für die Windräder.

Aufgrund der vergleichsweise geringen Transportkosten für flüssige Kraftstoffe ist eine Produktion großer Mengen synthetischer Kraftstoffe vor allem in Regionen sinnvoll in denen viel Wind oder Sonne vorhanden ist. Rund ein Prozent der Wüstenfläche würden ausreichen, um den weltweiten Bedarf der Luftfahrt mit synthetischen Kraftstoffen zu decken, so Batteiger. Mit etwa 300.000 Quadratkilometern wäre das Gebiet fast so groß wie Deutschland. „Für Biokraftstoff würde man mindestens die zehnfache Fläche brauchen – auf landwirtschaftlich nutzbaren Böden“, so Batteiger. „PtL und StL sind daher trotz aller Herausforderungen unsere besten Optionen, Fliegen CO2-neutral zu gestalten“.

Zusammenarbeit bei synthetischen Kraftstoffen
MTU Aero Engines beteiligt sich an der Forschung zu SAFs über die Mitgliedschaften bei dem Forschungsinstitut Bauhaus Luftfahrt aus München und der aireg (Aviation Initiative for Renewable Energy in Germany e.V.) mit Sitz in Berlin. Die gemeinnützige Initiative, in der die MTU den Arbeitskreis Kraftstoffnutzung leitet, setzt sich für die Verfügbarkeit und Verwendung von erneuerbaren Energien in der Luftfahrt ein, um die ehrgeizigen CO2-Minderungsziele der Luftverkehrswirtschaft zu erreichen. Dazu kooperiert die aireg mit verschiedenen wissenschaftlichen Instituten in Deutschland, unter anderem dem Karlsruhe Institut of Technology (KIT), dem FZ Jülich und dem DLR oder der Technischen Universität Hamburg. Diese Forschungseinrichtungen sind ebenso wie weitere Unternehmen und auch das Bauhaus Luftfahrt Mitglieder in der aireg.

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