Die Jatropha gehört zu der Gruppe der Energiepflanzen.
Kerosin aus Biomasse
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Die Rohstoffoptionen für alternatives Kerosin aus Biomasse sind sehr vielfältig. Zum einen gehören verschiedene Energiepflanzen dazu, aber auch forstwirtschaftliche Abfälle oder Reststoffe wie Stroh. Dazu kommen noch Algen oder tierische Fette. Der Vorteil dieser Ausgangsprodukte: Sie wachsen nach, beziehungsweise sind Abfallprodukte, die ansonsten entsorgt werden würden. Und Pflanzen entziehen bei ihrem Wachstum mittels Photosynthese der Atmosphäre in der gleichen Menge CO2 wie bei der späteren Verbrennung abgegeben wird – sie verbrennen sozusagen CO2-neutral. Zu beachten ist jedoch, dass im gesamten Produktionsprozess Kohlendioxid emittiert wird. Gleiches gilt für den Transport von der Raffinerie zum Flugzeug. In Summe können mit diesen Kraftstoffen zurzeit mindestens 50 Prozent CO2 eingespart werden.
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Darüber hinaus müssen beim Anbau von Energiepflanzen bestimmte soziale, ökonomische und ökologische Kriterien beachtet werden. Darunter fällt zum Beispiel, dass weder die Pflanze an sich noch die Anbaufläche in Konkurrenz zu Lebensmitteln stehen dürfen. Zurzeit gibt es eine große Zahl von Forschungsprojekten – national und international – zur Nutzung von Biomasse als Rohstoff für alternatives Kerosin, um genau diese Nachhaltigkeitskriterien sicher zu erfüllen. Eine weitere Herausforderung ist die Wirtschaftlichkeit, denn die Alternativen sind zurzeit noch um ein Vielfaches teurer als konventionelles Kerosin. Da alternative Flugkraftstoffe noch nicht in den Mengen und zu einem wettbewerbsfähigen Preis verfügbar sind, wird alternativ erzeugtes Kerosin zurzeit in der Regel dem herkömmlichen Kerosin nur beigemischt.
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Bildergalerie: Biomasse für die Kraftstofferzeugung
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Aus den Nüssen der Jatropha wird alternativer Kraftstoff hergestellt.
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Das Öl der Energiepflanze Camelina ist im alternativen Kraftstoff BurnFair enthalten.
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Auch aus der Energiepflanze Raps wird Kraftstoff hergestellt.
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Tierische- sowie Altfette werden im Herstellungsprozess von Kraftstoffen verwendet.
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Algen sind eine vielfältige Biomassequelle in der Flugkraftstoffproduktion.
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Auch die Tabaksorte Solaris ist ein guter Rohstoff für alternativen Kraftstoff.
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Die Salicornia ist salztolerant und wächst in Küstenwüsten.
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Die Biomasse der Salicornia wird in alternative Kraftstoffe umgewandelt.
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Als erste Biomassequelle wurde Zuckerrohr genutzt.
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Lufthansa flog 2014 erstmals mit einem zuckerbasierten Kraftstoff.
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Energiepflanzen und tierische Fette
Für Flugkraftstoffe wurden zu Beginn in erster Linie sogenannte Energiepflanzen genutzt, da diese nicht mit Lebensmitteln konkurrieren. Lufthansa setzte bereits 2011 als erste Airline weltweit alternative Kraftstoffe im regulären Flugbetrieb ein.
Der im Projekt BurnFair zu 50 Prozent beigemischte alternative Kraftstoff bestand zu 80 Prozent aus Leindotteröl, zu 15 Prozent aus Jatropha und zu fünf Prozent aus tierischen Fetten. Jatropha ist eine strauchartige Pflanze aus der Familie der Wolfsmilchgewächse, die für den Menschen giftig ist und in den Tropen und Subtropen angebaut wird. Besonders die Früchte der Jatropha sind sehr ölhaltig und somit für die Herstellung von alternativen Kraftstoffen sehr gut geeignet. Wissenschaftlern ist es gelungen, die Pflanze zu entgiften, damit auch die Produktionsabfälle z.B. als Dünger oder Futterzusatz eingesetzt werden können.
Neben Jatropha und Leindotter (Camelina) gehören unter anderem auch Raps und Ölpalmen zu den Energiepflanzen. Zur verwendeten Biomasse gehören aber auch Altfette wie Fischöl, Schlachtabfälle oder altes Speisefett sowie Abfälle aus der Pflanzenproduktion und der Forstwirtschaft. Dabei haben alle Ausgangsstoffe Vor- und Nachteile. Leindotter zum Beispiel kann als Zwischenfrucht angebaut werden, weil sie sehr schnell wächst. Sie nimmt also dem Anbau von Lebensmitteln keine Anbaufläche weg. Anders bei der Ölpalme, deren Anbau die Landnutzung erheblich verändern kann.
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Schon 2011: Lufthansa testet alternative Flugkraftstoffe
Zur Herstellung von alternativem Kerosin aus Biomasse wird das sogenannte Biomass-to-Liquid-Verfahren mit der Fischer-Tropsch-Synthese angewandt.
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Eine vielfältige Biomassequelle: Algen
Die Gründe für den Einsatz von Algen als Biomassequelle in der Flugkraftstoffproduktion sind vielfältig: Im Vergleich zu Landpflanzen wachsen Algen zehnmal so schnell, sie sind fetthaltiger und nehmen, wie die Pflanzen an Land auch, beim Wachstum Kohlendioxid auf.
Das ist noch nicht alles: Algen stehen nicht in Konkurrenz zur Produktion von Nahrungsmitteln, auf den Einsatz von Pestiziden kann verzichtet werden und sie wachsen auch unter widrigen Bedingungen, wie zum Beispiel in Salzwasser. Im Vergleich zu Kraftstoffen aus Mais können Algen beispielsweise bis zu zehn Mal höhere Erträge pro Hektar und Jahr liefern.
Doch um die vielen Vorteile nutzen zu können, muss Kerosin aus Algen letztlich auch bezahlbar sein. Die Zucht von Algen ist heute unter anderem durch technische Probleme bei der Ernte sowie dem hohen Energieaufwand bei geringer Ausbeute noch nicht wirtschaftlich sinnvoll durchführbar. Der hohe Energieaufwand entsteht unter anderem durch die große Menge an Licht, die Algen zum Wachsen benötigen. Das führt zu einer Erwärmung des Raumes, der wiederum gekühlt werden muss. Die Kühlung ist mit einem hohen Energie- und Wasserverbrauch verbunden.
Um eine Massenproduktion von Kraftstoff aus Algen wirtschaftlich umsetzen zu können, müsste diese beispielsweise unter der tropischen Sonne Afrikas ablaufen. Die dünnen Flüssigkeitsfilme auf einer Fläche, die viele Tausend Hektar groß ist, würden jedoch unter der intensiven Sonneneinstrahlung schnell verdunsten und somit einen Wasserverbrauch zur Folge haben, der nicht zu rechtfertigen wäre.
Damit die Herstellung wirtschaftlicher wird, forschen weltweit Wissenschaftler an neuen Produktionsverfahren – in Deutschland arbeiten daran das Forschungszentrum in Jülich sowie die Technische Universität München. Die Forscher wollen effizientere Verfahren zur Biomasseproduktion entwickeln, die die Emissionen des Luftverkehrs in Zukunft reduzieren können. Zentrum der bayerischen Forschung ist das Algentechnikum – ein 1.500 Quadratmeter großes Hightech-Gewächshaus, in dem Algen hinter Spezialglas gezüchtet werden.
In dem Gewächshaus können verschiedenste klimatische Bedingungen für die Algenzucht simuliert werden. Allerdings ist den Wissenschaftlern der TU München bewusst, dass Algen – wenn überhaupt – nur einen Bruchteil des jährlichen weltweiten Kerosinbedarfs von 1,7 Milliarden Litern decken werden. Die Forscher hoffen, dass ab 2030 die ersten Kraftwerke Algenkerosin produzieren, um einen Anteil dazu beizutragen, die CO2-Emissionen der Luftfahrt zu reduzieren. Finanziert wird das Projekt von Airbus und dem Bayerischen Staatsministerium für Bildung und Kultur, Wissenschaft und Kunst.
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Bildergalerie: Algenforschung für den Kraftstoff
Bildergalerie: Algenforschung für den Kraftstoff
der Zukunft
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Das Technikum für Algenzucht der Technischen Universität München
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1500 Quadratmeter große Gebäude beherbergt drei Räume zur Algenkultivierung
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Das Technikum: eine Kooperation aus TUM und der Airbus Group
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Das Technikum auf dem Ludwig Bölkow Campus der TUM
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Blick in das Algen-Science-Center im Forschungszentrum Jülich
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Photobioreaktor für die Algenzucht im Freien des Forschungszentrums Jülich
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Algengewächshaus am Forschungsstandort Jülich
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Reaktor in dem Algen hauchdünn auf ein Gitternetz gesprüht werden
Auch am Forschungszentrum in Jülich züchten Forscher in Bioreaktoren Algen und versuchen daraus Kerosin zu gewinnen. Für eine industrielle Bereitstellung von Kerosin aus Algen in Bezug auf den Flächenverbrauch kommen sie zu folgendem Ergebnis: Um ein Prozent des gesamten Erdölverbrauchs durch Kraftstoff aus Algen zu ersetzen, benötigte man eine Anbaufläche so groß wie Jamaika – insgesamt entspricht das einer Fläche von 10.000 Quadratkilometern.
Nach heutigem Stand der Technik spielt ein alternativer Flugkraftstoff aus Algen somit keine Rolle bei der Abdeckung des weltweiten Kerosinbedarfs.
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Tabak als Kraftstoff
Tabak hat einen schlechten Ruf, sein Konsum ist gesundheitsschädlich. Doch nur zwei der weltweit 75 bekannten Arten der Tabakpflanze werden für die Tabakproduktion eingesetzt. Die Pflanze birgt ein viel größeres Potenzial: Die Samen enthalten viel energiereiches Öl, die Presskuchen der Ölproduktion können als Tierfutter genutzt werden und bei der Ernte fällt grüne Biomasse an. Damit ist Tabak ein guter Rohstoff für alternativen Kraftstoff. Vom Samen bis zum Kerosin kann im Vergleich zu fossilem Kerosin eine Reduktion der CO2-Emissionen von 70 Prozent erreicht werden.
Genutzt wird nicht der Tabak, der in der Zigarette oder Zigarre zu finden ist, sondern eine besondere Sorte mit dem Namen Solaris. Dieser Tabak, der kein Nikotin enthält, ist eine Züchtung der italienischen Forschungs- und Entwicklungsgesellschaft Sunchem. Partner bei der Verarbeitung zum Flugkraftstoff ist SkyNRG, ein Unternehmen, das auf die Herstellung alternativer Kraftstoffe spezialisiert ist. Die Tabaksorte Solaris wächst unter verschiedenen klimatischen Bedingungen und Bodenverhältnissen und eignet sich auch als Rotationsfrucht im Wechsel mit Baumwolle.
Und: Solaris kann bis zu drei Mal im Jahr geerntet werden. Dabei bietet der Anbau von Tabaken in Regionen, die bisher Tabak als Basis für Rauchwaren produziert haben, den Vorteil, dass die Landwirte sich im Anbau bereits auskennen. Derzeit wird Solaris-Tabak auf 50 Hektar in Südafrika angebaut. 2015 wurde das Projekt vom Roundtable on Sustainable Biomaterials (RSB) zertifiziert, was bedeutet, dass es ökologischen und sozialen Standards gerecht wird.
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Tabak als Kraftstoff
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Wüste plus Salzwasser gleich alternatives Kerosin
Pflanzen als Basis zur Herstellung von alternativen Kraftstoffen zu nutzen, hat viele Vorteile, aber auch einige Nachteile. Dazu gehören der Land- und Trinkwasserverbrauch, der in Konkurrenz zur Lebensmittelversorgung von Menschen stehen kann. Pflanzen, die sich allerdings mit Meerwasser und Wüstenboden begnügen, vermeiden diesen Konflikt.
Das Masdar Institute of Science and Technology hat gemeinsam mit Boeing, Etihad Airways und UOP-Honeywell ein Meerwasser-Landwirtschaftssystem getestet, bei dem salztolerante Pflanzen, Mangroven und sogenannte Salicornia, in Küstenwüsten zur Produktion von alternativem Flugtreibstoff angebaut werden und somit kein Ackerland in Anspruch nehmen. Das Projekt setzt dabei zur Bewässerung und zur Düngung nicht auf einfaches Meerwasser, sondern auf nährstoffreiches Wasser aus Aquakulturen der Shrimps- und Fischzucht.
Die angebauten Pflanzen reinigen das Abwasser und nutzen die Nährstoffe gleichzeitig als Dünger. Geerntet werden die öligen Samen der Salicornia und die anfallende Biomasse der Mangroven, die dann in alternative Kraftstoffe umgewandelt werden. Nachdem in einem ersten Schritt die grundsätzliche Machbarkeit bestätigt wurde, wird jetzt in einem großen Demonstrationsprojekt die industrielle Eignung geprüft.
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Alternativer Flugkraftstoff aus der Wüste
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Mit Zucker in die Luft
Im September 2014 startete am Flughafen in Frankfurt der erste Linienflug mit dem zuckerbasierten alternativen Kraftstoff Farnesan im Tank einer Lufthansa-Maschine. Zuvor wurde auch bei diesem Kraftstoff die Mischbarkeit mit herkömmlichem Kerosin erfolgreich getestet und dann auch offiziell für den Betrieb in der Luftfahrt zugelassen. Und: Er erfüllt die Nachhaltigkeitskriterien.
Die zehnprozentige Beimischung von Farnesan zu herkömmlichem Kerosin ist das Ergebnis der gemeinsamen Arbeit des französischen Mineralölkonzerns Total und des US-Biotechnologieunternehmens Amyris. Die Beimischung in Höhe von zehn Prozent spart CO2-Emissionen um fünf Prozent ein. Die eigentliche Arbeit, nämlich aus Zucker einen alternativen Flugkraftstoff zu produzieren, übernehmen Mikroorganismen. Als erste Biomassequelle wurde Zuckerrohr genutzt, später sollen Reststoffe wie Stroh oder Holzschnitzel eingesetzt werden.
Farnesan wurde 2014 von der internationalen Standardisierungsorganisation ASTM international als zugelassener Kraftstoff zertifiziert. Im Vergleich zu herkömmlichem Kerosin ist eine Reduktion der Treibhausgasemissionen von bis zu 60 Prozent möglich. Das Potenzial für Farnesan ist groß, da die Produktionsstätte von Amyris in der Nähe von São Paulo mit dem dort verfügbaren Zuckerrohr in der Lage wäre, rund 50 Millionen Liter pro Jahr zu produzieren.
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Bedarf und Verfügbarkeit von Biomasse
Ziel der Luftfahrt in Deutschland und Europa ist es, den Anteil der alternativen Flugkraftstoffe zu erhöhen. Für einen Anteil von zehn Prozent würden in Deutschland allein rund 1,1 Millionen Tonnen Kraftstoff pro Jahr benötigt werden. Wo die dafür benötigte Biomasse angebaut und in welchen Anlagen daraus Kerosin hergestellt werden kann, daran arbeiten Experten weltweit.
Nach bisherigem Stand der Forschung ist es nicht möglich, die für große Mengen SAF benötigte Biomasse aus Pflanzen allein in Deutschland anzubauen. Daher müsste ein großer Teil der Biomasse in Drittländern für den deutschen Bedarf bereitgestellt werden. Deutsche Unternehmen verfügen über ein hohes technisches Know-how zur Herstellung von alternativen Flugkraftstoffen. Allerdings ist die Verfügbarkeit der Roh- und Ausgangsstoffe für die Herstellung des alternativen Kerosins aus Biomasse in Deutschland ein Engpass. Denn die benötigten Roh- und Ausgangsstoffe werden in Deutschland bereits für etablierte Verwertungswege wie die Kraft- und Wärmebereitstellung aus Strom und Biomasse verwendet. So ist für Deutschland zu erwarten, dass, ähnlich wie bei Rohöl für herkömmliches Kerosin, alternative Flugkraftstoffe aus Ländern importiert werden müssen, die über die nötigen Potenziale und Anbauflächen verfügen.
Damit alternative Kraftstoffe – auch Benzin, Diesel, Schiffsdiesel – in großem Umfang hergestellt werden können, müssten Reststoffpotenziale angehoben und Energiepflanzen vermehrt angebaut werden. Nach einer Studie der Fachagentur Nachwachsende Rohstoffe (FNR) stehen in Deutschland mittelfristig rund 4 Millionen und weltweit ca. 300 Millionen Hektar für den Anbau von Rohstoffpflanzen zur Verfügung. Die Nahrungs- und Futtermittelproduktion würde dadurch nicht eingeschränkt.
Die Forschungseinrichtung Bauhaus Luftfahrt e. V. auf dem Ludwig Bölkow Campus bei München hat das weltweite Potenzial alternativer Kraftstoffe für den Luftverkehr erforscht. Eine Untersuchung aus dem Jahr 2012 ergab, dass weltweit 1,36 Milliarden Hektar zur Kultivierung von Biomasse für die Kerosinproduktion verwendet werden könnten. Im Jahr darauf wurde die Untersuchung mit Fokus auf die Energiepflanzen Jatropha und Plantagenholz fortgeführt.
Die Forscher prognostizierten ein theoretisches Potenzial von weltweit jährlich 295 Millionen Tonnen alternativem Kerosin, das aus Jatrophaöl und 3.730 Millionen Tonnen aus Plantagenholz generiert werden kann. Sicher ist allerdings, dass sich diese Mengen nie vollständig erzeugen lassen würden, denn Faktoren wie Produktionsverluste, Konkurrenznutzung von Rohstoffen oder schwankende Preise sind nicht eingerechnet. Trotzdem zeigen die Zahlen, dass große Mengen an Biomasse zur Produktion von alternativen Flugkraftstoffen theoretisch möglich sind. Die Gründe für unterschiedliche Prognosen und Ergebnissen der Studien liegen in den unterschiedlichen Annahmen über die Rahmenbedingungen und in der methodischen Herangehensweise.
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Wasser – wichtige Ressource zur Herstellung alternativer Flugkraftstoffe
Für die Herstellung von Energie und Kraftstoffen ist die Ressource Wasser eine kritische Komponente. Wasser ist dabei je nach regionaler Gegebenheiten sehr unterschiedlich verfügbar, sowohl in der Menge als auch zeitlich. Während in einigen Regionen der Welt die Wassersituation sehr angespannt ist, gibt es in Deutschland eine hohe Verfügbarkeit.
Einer Studie des Umweltbundesamts zufolge ist der Wasserbedarf von alternativen Kraftstoffen aus Biomasse im Vergleich zu Kraftstoffen aus Strom sehr hoch. Er hängt besonders vom Anbauprodukt, also der Pflanze, dem Anbauverfahren und somit auch dem Bewässerungstyp sowie den klimatischen Bedingungen der Anbauregion ab. So liegt zum Beispiel der Wasserbedarf bei Kerosin aus Jatrophaöl bei rund 19.914 Liter H2O/ Liter Kerosin und aus Algenöl bei 497 Liter H2O/ Liter Kerosin, während der Wasserbedarf bei Kerosin aus Strom und CO2 bei nur 1,38 Liter H2O/ Liter Kerosin liegt.
