Alternative Kraft­stoffe für die Luft­fahrt von morgen

Um die Klima­schutz­ziele im Luft­ver­kehr zu er­reichen, sind nach­haltig produzierte Kraft­stoffe uner­lässlich. Erste Her­stellungs­ver­fahren für Bio­kerosin sind aus­ge­reift.

04.2018 | Autorin: Nicole Geffert

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Nicole Geffert arbeitet seit 1999 als freie Jour­nalistin mit den Themen Forschung und Wissen­schaft, Geld und Steuern, Aus­bildung und Beruf.

Pflanzen, Holz, Stroh und Algen – wer das liest, denkt nicht sofort an Treib­stoff für die Luft­fahrt. Und doch eignen sich diese Roh­stoffe für die Herstellung alter­nativer Kraft­stoffe, die ein klima­freund­licheres Fliegen ermöglichen. Die International Civil Aviation Organization hat der Branche ambi­tionierte Ziele gesetzt: Ab 2020 soll der Luft­verkehr CO2-neutral wachsen und bis 2050 sollen seine CO2-Emis­sionen im Ver­gleich zum Jahr 2005 halbiert werden.

Zwar optimieren die Her­steller von Flug­zeugen und Trieb­werken konti­nuierlich ihre Pro­dukte. Doch das allein reicht nicht, die Klima­schutz­ziele zu erreichen. „Alternative Kraft­stoffe mit einer deut­lich reduzierten CO2-Bilanz sind für eine nach­haltige Luft­fahrt unab­dingbar“, sagt Dr. Jörg Sieber, bei der MTU Aero Engines zuständig für das Inno­vations­mana­gement. „Außer­dem müssen zur Ent­lastung der Umwelt die Schad­stoff­emis­sionen ver­ringert werden.“

Die MTU macht sich stark für die Ein­führung von nach­haltigem Kerosin, zum Beispiel über den Think Tank Bauhaus Luft­fahrt und den Verein Aviation Initiative for Re­new­able Energy in Germany (aireg), in dem sich Flug­gesell­schaften, Herstel­ler und For­schungs­institute engagieren – mit dem Ziel, dass im Jahr 2025 zehn Prozent des in Deutsch­land getankten Kerosins aus alter­nativen Roh­stoffen stammen. Das ent­spricht einer jähr­lich benötigten Menge von 1,1 Millionen Ton­nen Kraft­stoff.

Inside MTU Hoch­effiziente Wärme­kraft­maschinen

Zur Ver­ringerung von CO2-Emis­sionen in der Luft­fahrt müssen Ef­fizienz­ver­bes­serungen beim Flug­zeug, An­trieb und im Luft­ver­kehrs­mana­gement sowie CO2-arme Kraft­stoffe bei­tragen. Rein elektrische An­triebe können bis zum Jahr 2050 nur marginal ent­lasten, da für größere Ver­kehrs­flug­zeuge, die den bei weitem größten Anteil am Flug­ver­kehr haben, Bat­terien mit aus­reichender Speicher­kapazität nicht zur Ver­fügung stehen. Die Experten bei der MTU Aero Engines favorisieren daher die Ent­wicklung neuer hoch­effizienter Wärme­kraft­maschinen, die die Basis für fort­schritt­liche High-Bypass-Trieb­werke bilden (siehe Beitrag „High-Bypass-Triebwerke der Zukunft“), aber auch für turbo-elektrische Antriebs­systeme mit verteilten Antrieben. Im Rahmen ihrer Claire-Technologieagenda (Clean Air Engine) hat sich die MTU ehrgeizige Ziele für den Antrieb gesetzt, beispiels­weise eine Verringerung des Kraft­stoff­ver­brauchs um 40 Prozent bis 2050 im Ver­gleich zum Jahr 2000. Zu­sam­men mit CO2-armen Drop-in-Kraft­stoffen kann damit trotz steigenden Luft­verkehrs die not­wendige Reduktion der CO2-Emis­sionen erreicht werden.

Mehrere alter­native Kraft­stoffe für die Luft­fahrt bereits zugelassen

Mehrere alter­native Kraft­stoffe sind bereits für den Flug­betrieb zuge­lassen. Diese Drop-in-Kraft­stoffe lassen sich mit kon­ven­tionellem Jet A-1-Kerosin vermischen und erfüllen die hohen An­forderungen an Qualität und Sicher­heit, die in der Luft­fahrt gelten: Wegen der Reich­weiten müssen sie eine sehr hohe Energie­dichte aufweisen, zudem einen hohen Flamm­punkt und einen niedrigen Gefrier­punkt haben. In Reise­flug­höhe herrschen immerhin Temperaturen von minus 50 Grad Celsius.

An Ideen für Verfahren, mit denen Bio­masse – beispiels­weise aus Energie­pflanzen – in Treib­stoff umge­wandelt werden kann, mangelt es den Wissen­schaftlern nicht. Das größte Potenzial bescheinigen die aireg-Experten derzeit dem Konversions­prozess über die Hydrierung von Pflanzen­ölen (HEFA = Hydroprocessed Esters and Fatty Acids). Das HEFA Bio­kerosin ent­spricht den Spezi­fikationen fossilen Kerosins und wurde erfol­greich erprobt. Das Ver­fahren ist aus­gereift. Der Bio­kraft­stoff ist seit 2011 ASTM (American Society for Testing and Materials)-zerti­fiziert und wird im Pas­sagier­luft­verkehr bereits in größeren Mengen zu Test­zwecken ein­gesetzt.

Treib­haus­gas­minderung um mindestens 60 Prozent

Zudem liegen Analysen zu Treib­haus­gas­emis­sionen und anderen Um­welt­wirkungen vor – mit dem Ergebnis, dass HEFA unter bestim­mten Rand­be­dingungen die Vor­gaben der Er­neuer­bare-Energien-Richt­linie der Europäischen Union (EU) ein­halten kann. Um sicher­zu­stellen, dass Bio­kraft­stoffe tat­sächlich Vor­teile für das Klima bieten, müs­sen sie ent­sprechend dieser Richt­linie seit 2018 eine Treib­haus­gas­minderung von mindestens 60 Prozent gegen­über fos­silen Kraft­stoffen nach­weisen.

Ein weiteres zu­gelas­senes Her­stellungs­ver­fahren ist Biomass to Liquid (BtL), für das vor allem die Bio­masse Holz genutzt wird. Experten schätzen die Techno­logie insgesamt als äußerst an­spruchs­voll ein, was eine wirt­schaft­liche Produktion derzeit erschwert – obwohl Bio­kerosin als Produkt des BtL-Prozesses schon seit 2009 ASTM-zertifiziert ist.

„Neue Treib­stoffe müssen einen auf­wändigen Zerti­fizierungs­prozess durch­laufen. Mit dem Modell lässt sich das Potenzial eines neuen Kraft­stoffs abschätzen, bevor man kosten­intensive Labor­versuche startet.“

Manfred Aigner, Leiter des Instituts für Ver­bren­nungs­technik der Luft- und Raumfahrt des DLR

Bewertungs­modell für alternative Kraft­stoffe

Wie lässt sich das Potenzial eines neuen Kraft­stoffs im Vorfeld bewerten? Forscher vom Deutschen Zentrum für Luft- und Raum­fahrt (DLR), von der TU Hamburg (TUHH) und der Uni­versität Stuttgart ent­wickelten im Projekt „InnoTreib“ ein Modell, mit dem sich nach­haltige Kraft­stoffe am Rechner designen lassen. „Neue Treib­stoffe müssen einen auf­wändigen Zerti­fizierungs­pro­zess durch­laufen. Mit dem Modell lässt sich das Potenzial eines neuen Kraft­stoffs abschätzen, bevor man kosten­intensive Labor­versuche startet“, sagt Professor Manfred Aigner, Leiter des Instituts für Ver­bren­nungs­technik der Luft- und Raum­fahrt des DLR. Eine positive Bilanz zieht auch Professor Martin Kaltschmitt, Leiter des Instituts Um­welt­technik und Energie­wirt­schaft an der TUHH: „Die im Projekt er­arbeiteten Methoden er­möglichen es, viel­ver­spre­chende Kombi­nationen zu identi­fizieren, wie nach­haltig pro­duzierte Bio­kraft­stoffe möglichst effizient in Flug­zeug­trieb­werken ein­gesetzt werden können.“

Kraft­stoff­erzeugung mit Wind­kraft und Sonnen­energie

Lang­fristige Alter­nativen könnten auch nicht-biogene Pro­zesse sein. Eine inter­nationale Forscher­gruppe hat im Projekt „SOLAR-JET“ erstmals Flug­zeug­treib­stoff aus Sonnen­licht, Wasser und Kohlen­stoff­dioxid herge­stellt. Vorteil: Der alter­native Treib­stoff basiert auf fast un­begrenzt zur Verfügung stehenden Res­sourcen. Zukunfts­weisend sind auch Power-to-Liquid-Ver­fahren, bei denen Wasser­stoff mit Hilfe von Wind­kraft und Solar­energie erzeugt, mit Kohlen­stoff­dioxid zu Kohlen­wasser­stoffen synthetisiert und zu einem Flüssig­kraft­stoff auf­bereitet wird.

Die Bei­spiele zeigen: Es steckt viel Be­wegung in der Branche. Und doch besteht die größte Her­aus­forderung darin, die Ver­fahren wirtschaft­licher zu machen. Bio­kraft­stoffe kosten immer noch das Doppelte oder mehr als konventionel­les Kerosin. Welt­weit wird deshalb an Lösungen zur Kosten­senkung gearbeitet.

Denn Alter­nativen zu nach­haltig produziertem Kero­sin gibt es derzeit nicht. Der Einsatz von rein elektrisch be­triebenen großen Ver­kehrs­flug­zeugen liegt noch in ferner Zu­kunft. Nachhaltige Drop-in-Kraft­stoffe können dagegen in den Flug­zeugen von heute zum Einsatz kommen, die wegen ihrer langen Nutzungs­zeiten auch in den kommenden Jahren Menschen und Güter an ihr Ziel bringen.

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