Nachhaltiges Kerosin soll helfen, die Klimawirkung des Luftverkehrs zu reduzieren, bis neue Technologien zur Verfügung stehen, mit denen die Luftfahrt wirklich grün werden kann. In unserer Tutorial-Serie zeigen wir die technischen, wirtschaftlichen und politischen Herausforderungen. Teil 2 beschreibt die Grundlagen rund um "Power to Liquid"-Verfahren.
Der Sprit in den Turbinen wird darüber entscheiden, wie nachhaltig die Luftfahrt-Branche künftig fliegen wird. Nachhaltige Flugtreibstoffe, auch SAF (Sustainable Aviation Fuels) genannt, lassen sich durch unterschiedliche Verfahren gewinnen. Als Hoffnungsträger gelten dabei neben Biotreibstoffen aus Lebensmittelabfällen oder Palmöl sowie Wasserstoff besonders die sogenannten E-Fuels.
E-Fuels basieren auf einem Verfahren mit dem Namen “Power to Liquid”, kurz PTL. Darunter versteht man die Umwandlung von bestimmten Ausgangsmaterialien mit Hilfe von Strom in flüssigen Kraftstoff. Das Endprodukt ist ein synthetisch hergestellter Kraftstoff, der die CO2-Emissionen deutlich reduzieren kann, sofern der Produktionsprozess nachhaltig gestaltet wird.
Solche synthetischen Treibstoffe sind Kohlenwasserstoffe wie Kerosin, Benzin oder Diesel sowie Methan oder Methanol. Diese werden in dem PTL-Verfahren aus Wasserstoff und Kohlenstoff gewonnen und nicht aus Öl oder Gas wie bei den fossilen Kraftstoffen.
Das PTL-Verfahren gilt als CO2-neutral, denn von den Turbinen soll künftig nur so viel CO2 ausgestoßen werden, wie man zuvor bei der Produktion aus der Luft entnommen hat. Forscher tüfteln sogar bereits an der Idee, dass man eines Tages das von einem Flugzeug ausgestoßene CO2 wieder „einfangen“ könnte, um daraus wiederum durch das PTL-Verfahren Kraftstoff herzustellen.
Doch zunächst liegt das Hauptaugenmerk noch auf möglichst effizienten Methoden auf dem Boden, mit denen sich synthetischer Kraftstoff gewinnen lässt. Das PTL-Verfahren ist dabei nicht neu, es wurde bereits in den 1920er Jahren entwickelt. Seitdem ist bekannt, dass Wasser, Kohlenstoff und Strom ausreichen, um etwa Kerosin herstellen zu können. Doch statt Kohlenstoff wie früher aus Braun- und Steinkohle zu nutzen, soll er zukünftig aus dem CO2 der Luft entnommen werden.
So wird aus Luft und CO2 synthetischer Kraftstoff
Das PTL-Verfahren lässt sich paradigmatisch wie folgt beschreiben: Während ein Gebläse die Luft aus der Umgebung ansaugt, bindet ein Absorber das CO2 aus der Luft. Die CO2-freie Luft wird wieder abgegeben. Damit ist der erste wichtige Rohstoff für die Gewinnung von synthetischem Kraftstoff gewonnen, da für den Prozess Kohlenstoff benötigt wird, der im CO2 steckt.
Das CO2 kann natürlich auch aus Industrieabgasen entnommen werden. Allerdings sind hierbei wiederum besondere Reinigungsschritte erforderlich, die einen entsprechenden Energiebedarf einfordern. Die Anlage filtert das CO2, so dass es für weitere Prozesse genutzt werden kann.
Für die spätere Bildung von Kohlenwasserstoffen werden Wasserstoff und Kohlenstoff benötigt. Hierzu bedient man sich des Elektrolyse-Verfahrens für CO2 und Wasserdampf. Gewonnen werden Wasserstoff und Kohlenstoff, die anschließend zu einem Synthesegas verbunden werden. Der jeweils abgespaltene Sauerstoff kann an die Atmosphäre abgegeben werden und spielt für die weiteren Prozesse keine Rolle.
PTL-Herstellung
Das chemische Verfahren zur Gewinnung von PTL aus Luft und Wasser im vereinfachten Schaubild. © airliners.de
In einem dritten Schritt werden in dem sogenannten Fischer-Tropsch-Verfahren aus dem Synthesegas lange Kohlenwasserstoff-Ketten gebildet. Hierfür werden sehr kompakte Reaktoren benötigt. Das Produkt des Verfahrens ist bereits das, was man als Kraftstoff bezeichnet und auch nutzen könnte.
In einem vorletzten Schritt wird das Produkt weiter optimiert, indem die Kohlenwasserstoff-Ketten in einem “Hydro-Cracking” genannten Verfahren in drei Produkte aufgespalten werden: Wasser, ein hochreiner wachsähnlicher Stoff , der für die Chemie-Industrie nutzbar ist, sowie das E-Fuel.
Anschließend können die Kohlenwasserstoff-Ketten noch in Raffinerie-Prozessen weiter aufbereitet werden, bis etwa synthetisches Benzin, Diesel oder Kerosin daraus wird. Eine Anlage, die all dies leistet, wird im Karlsruher Institut für Technologie getestet. In vier Jahren sollen in einer größeren Anlage im vorindustriellen Maßstab bereits 1000 Liter pro Tag synthetischer Kraftstoff gewonnen werden. Bislang werden gerade einmal zehn Liter pro Tag gewonnen. Auch eine Raffinerie bei Hamburg hat sich zum Ziel gesetzt, dieses Verfahren einzusetzen. In Heide will man jedoch Industrie-Abgase zur CO2-Gewinnung nutzen.
Begriffe rund um nachhaltiges Kerosin
PTL ist nur ein PTX-Verfahren
Das PTL-Verfahren ist ein besonderer Zweig des „Power to X“-Verfahrens: Darunter versteht man die Umwandlung erneuerbarer Energie in andere Stoffe wie Gase, Kunststoffe oder eben Kraftstoffe.
Bei Power to Gas (PTG) wird aus Wasserstoff und Kohlenstoff auf künstliche Weise Methan erzeugt. Es kann in Pkw, Lkw oder Schiffen als Treibstoff dienen oder in Industrieanlagen oder Kraftwerken verfeuert werden. Auch Methanol kann auf diesem Weg gewonnen werden. In speziell präparierten Motoren kann es verbrannt oder zu Treibstoffen weiterverarbeitet werden.
Das „Power-to-X“-Verfahren spielt auch eine zentrale Rolle in der Wasserstoffstrategie der Bundesregierung. Wasserstoff lässt sich gewinnen, indem durch ein Elektrolyse-Verfahren Wasser in Sauerstoff und Wasserstoff gespalten wird.
In allen PTX-Verfahren kommt dem Strom aus erneuerbaren Energien eine entscheidende Rolle zu. Denn mit seiner Hilfe soll Wasserstoff aus Wasser gewonnen und Kohlenstoff aus CO2 abgetrennt werden. Aus diesem Grund gelten die E-Fuel-Treibstoffe als strombasiert – im Gegensatz zu den Biokraftstoffen oder fossilen Energieträgern.
Die Energie, die im Kraftstoff steckt, muss irgendwo herkommen. Das PTL-Verfahren ist dabei vergleichsweise energieaufwändig. Die Wirkungsgrade liegen bei 60 Prozent des eingesetzten Stroms. Der Strom kommt sinnvoller Weise von erneuerbaren Energien wie Windstrom oder Solar und wird immer dann zur PTL-Erzeugung genutzt, wenn überschüssige Energie zur Verfügung steht. Die PTL-Anlagen lassen sich also idealerweise überall dort bauen, wo erneuerbare Energie erzeugt wird.
Die gebrauchte Strommenge stellt dabei aber ein eigenes Problem in der Erzeugung synthetischer Kraftstoffe dar. Der europäische Umwelt-Dachverband „Transport und Environment“ hatte das Berater-Unternehmen Cerulogy beauftragt, den Strombedarf für die Herstellung von E-Fuels zu ermitteln. Ergebnis: Wenn man im Jahr 2050 die Hälfte des EU-Verkehrs mit synthetischen Kraftstoffen versorgen will, sind hierfür 2.700 TWh Strom aus erneuerbaren erforderlich. Das Problem: Dieser Wert entspricht 75 Prozent des heutigen Strombedarfs in der gesamten EU. Es betrifft mittelbar also auch den Luftverkehr.
Man muss also noch mehr Windenergie- oder Solaranlagen bauen. Die Alternative: Man nutzt die Stromproduktion der Länder, die genügend erneuerbare Energie zur Verfügung haben, wie es etwa in Afrika der Fall ist.
Ein anderes Verfahren zur Herstellung synthetischen Kerosins ist das sogenannte “Solar to Liquid” (STL). Dieses wird etwa an der ETH Zürich erforscht. Dabei wird Sonnenlicht gebündelt und auf einen Punkt gelenkt, an dem eine Temperatur von 1500 Grad Celsius erreicht wird. Auch bei diesem Verfahren werden Wasser und CO2 in ein Synthesegas aus Wasserstoff und CO verwandelt, es ist bis auf die unterschiedlichen Energiequellen Sonne und Strom dem PTL-Verfahren gleich. Doch auch hier befindet sich alles noch in der Erprobungsphase.
PTL ist besser als fossiles Kerosin und die einfachste Alternative
Synthetischer Kraftstoff soll da eingesetzt werden, wo es absehbar keine Alternativen gibt. Das ist bei Flugzeugen und Schiffen der Fall. Die schlechte Energiedichte von Batterien macht für den Einsatz in Langstreckenflugzeugen keinen Sinn. Daher sind E-Fuels hier zunächst besser geeignet.
Synthetisch hergestellter Kraftstoff ist für Motoren oder Turbinen nicht schlechter als fossiles Kerosin. Denn diese lassen sich sogar maßschneidern, man kann die Eigenschaften gezielter einstellen, so dass sie zur Verbrennung dienen. Zudem sind sie sauberer, sie weisen keine Verunreinigungen wie Schwefel auf.
Auch Verbrennungseigenschaften sind besser.
Ein weiterer Vorteil der sogenannten E-Fuels: Anders als Wasserstoff erfordern sie kaum Umbauten an Flugzeugen oder an der vorhandenen Bodeninfrastruktur. Sie können zudem dem fossilen Kerosin entweder beigemischt werden oder das Flugzeug fliegt ausschließlich mit ihnen. Zurzeit ist eine 50-prozentige Beimischung zertifiziert.
Der Nachteil: E-Fuels sind aktuell deutlich teurer als herkömmliches Kerosin. Auch ohne Steuern liegen sie zwischen 3,50 und fünf Euro je Liter. Zum hohen Preis trägt vor allem der Strom bei. Sollte der grüne Strom jedoch in Zukunft günstiger hergestellt oder importiert werden, hätte das auch Auswirkungen auf E-Fuel-Preis für die Luftfahrt.
Für das Jahr 2050 will man die Produktionskosten auf 80 Cent bis 1,30 Euro pro Liter senken. Die fossilen Kraftstoffe bleiben preislich jedoch unangefochten. Die Herstellung eines Liters Diesel aus fossilem Rohöl kostet heute 40 Cent.
Fazit
Das PTL-Verfahren ist sehr energieaufwändig. Experten weisen darauf hin, dass die vermiedene Menge an Kohlendioxid erheblich geringer als bei anderen Techniken ist, etwa den batteriebasierten Lösungen. Zudem muss der CO2-Kreislauf aus Verbrennung und Rückgewinnung erst aufgebaut werden. Und: Es muss perfekt laufen, wenn soviel CO2 entfernt werden soll, wie es verbraucht wird. Zudem verfehlt man allein darauf setzend sogar die Klimaziele der UN, denn die sehen eine Reduktion der CO2-Menge in der Luft vor. Die Menge bleibt bei dem Verfahren im optimalen Fall jedoch nur gleich. Zudem ist auch nicht klar, wie sich ein sinkender CO2-Anteil in der Luft auf die Gewinnung von synthetischen Treibstoff auswirken würde.
