Keine Zukunftsmusik:
Kerosin aus Wasser und CO2
Anbauflächen für die Biomasseproduktion sind begrenzt und der Nahrungsmittelbedarf der Weltbevölkerung steigt stetig an. Das sind wichtige Treiber für die Entwicklung von Kraftstoffalternativen, die kohlenstoffneutral sind, aber Biomasse nicht als Produktionsgrundlage haben. Die Nutzung von Sonnen- und Windenergie zur Erzeugung von Kraftstoffen, auch genannt Power-to-Liquid (PtL) ist daher eine vielversprechende Entwicklung. Langfristig betrachtet hat die Umwandlung von Wasser und Kohlendioxid zum Beispiel mit Solarenergie zu Kraftstoff einen zehnmal höheren Wirkungsgrad für den thermochemischen Prozess als bei Biomasse.
Um Kraftstoffe aus Wasser und CO2 mit Hilfe von Sonnen- oder Windenergie herzustellen, muss sehr viel Energie eingesetzt werden. Aber: Sonnen- und Windenergie als auch Kohlendioxid und Wasser sind in einem fast unerschöpflichen Maß vorhanden und diese Kraftstoffe können über den gesamten Lebenszyklus nahezu CO2-neutral sein, wenn erneuerbarer Strom eingesetzt wird und CO2 aus Biomassequellen oder der Luft stammen. Es gibt aber einen Haken: Das Kohlendioxid aus der Luft zu gewinnen ist mit sehr großem Aufwand verbunden, der aktuell noch die Kosten in die Höhe treibt. Hersteller, wie Carbon Engineering rechnen jedoch damit, dass die Herstellungskosten für Kohlenstoffdioxid aus der Luft schon bald von bisher 600 auf unter 100 Dollar pro Tonne sinken werden. Daher halten die Experten des Bauhaus Luftfahrt – einer Einrichtung der Airbus Group, Liebherr-Aerospace Lindenberg, MTU Aero Engines und der Bayerischen Staatsregierung – es nicht für ausgeschlossen, dass hier weitere Schritte gegangen werden und diese Art der Kraftstoffproduktion ein wichtiger Teil der Energieversorgung werden kann.
Verfügbarkeit und Potenziale von Power-to-Liquid (PtL)
Das PtL-Produktionsverfahren bietet bereits ein hohes Maß an Technologiebereitschaft. Allerdings ist nun der Markthochlauf erforderlich, um PtL-Kerosin auch in großen Mengen herstellen zu können. PtL kann mit Hilfe konzentrierter erneuerbarer Energien, Wasser und CO2-Quellen mit etablierten industriellen Prozessen hergestellt werden, alles Ressourcen, die eine hohe Verfügbarkeit aufweisen.
Das Technologiebereitschafts-Level (technology readiness level, TRL) des PtL-Herstellungsverfahrens liegt zwischen 8 und 9 (von 9). Während einzelne Prozesse in großem Maßstab umgesetzt wurden, ist die PtL-Vollsystemintegration mit der Fischer-Tropsch-Demonstrationsanlage von Sunfire in Dresden derzeit am deutlichsten vorangeschritten. Verbesserte Prozesse zur CO2-Extraktion aus der Luft (TRL 6) und die Hochtemperatur-Elektrolyse (TRL 5) erhöhen das Produktionspotential und die Effizienz.
Zudem sind die Kosten für erneuerbare Energien in den letzten Jahren deutlich gesunken, was einen neuen Blick auf die Produktionsverfahren für Power-to-Liquid gibt. PtL-Kraftstoff ist bereits als einer der Drop-in-Kraftstoffe einsatzfähig und ermöglicht eine Beimischung von 50 Prozent zu herkömmlichem Kerosin für das PtL-Fischer-Tropsch-Verfahren.
Power-to-Liquid-Verfahren (PtL)
Die größte Herausforderung für den kurzfristigen Einsatz von PtL sind die Produktionskosten, die im Vergleich zu konventionellem Kraftstoff noch recht hoch sind. Die PtL-Herstellungskosten können durch geringere Kosten für erneuerbaren Strom aus Sonne und Wind sowie effizientere Produktionsverfahren gesenkt werden. Der Hauptvorteil von PtL ist, dass das große Wind- und Solarenergiepotenzial den weltweiten Energiebedarf übersteigt.
Ein Fahrplan für Power-to-Liquid-Kerosin (PtL)
Um die Produktion von Power-to-Liquid-Kerosin in den nächsten Jahren auf- und auszubauen, haben sich Politik und Industrie in Deutschland auf einen gemeinsamen Fahrplan für die Einführung und Weiterentwicklung von PtL-Kraftstoffen geeinigt. Ziel dieser Initiative ist es, bis 2030 jährlich 200.000 Tonnen PtL-Kerosin zu produzieren, das entspricht 2 % des gesamten Kerosin-Absatzes im Jahr 2019 in Deutschland.
Während die Technologie bereits erfolgreich erprobt wurde, müssen bis zur Massenproduktion von PtL noch einige Schritte gegangen werden. So sind die strombasierten Kraftstoffe derzeit noch um ein Vielfaches teurer als herkömmliches Kerosin und nur in geringen Mengen verfügbar. Um das zu ändern, haben Vertreter von Bund und Ländern, der Luftfahrtbranche, der Mineralölwirtschaft und des Maschinen- und Anlagenbaus im Mai 2021 die gemeinsame PtL-Roadmap unterzeichnet. Die Beteiligten sind sich einig, dass strombasiertes Kerosin ein entscheidender Baustein für einen CO2-neutralen Luftverkehr sein wird. Um die ehrgeizigen Klimaziele zu erreichen, wurden dabei nicht nur konkrete Zielmengen für die PtL-Produktion festgelegt. Auch die Maßnahmen und Kriterien, welche den Markthochlauf ermöglichen sollen, sind in der PtL-Roadmap festgeschrieben.
Zunächst müssen Demonstrations- und Pilotanlagen aufgebaut werden, die eine Produktion strombasierter Kraftstoffe vom Labor in industrielle Maßstäbe überführen. Hierzu plant unter anderem das Bundesverkehrsministerium den Aufbau einer Plattform zur Entwicklung, Erprobung und Demonstration von Herstellungsverfahren. Im Auftrag des Bundesumweltministeriums sollen zudem Demonstrationsanlagen entstehen. Wichtig sind den Projektpartnern einheitliche, verbindliche sowie verlässlich ökologische und soziale Nachhaltigkeitskriterien. Bei der Produktion von PtL-Kerosin muss etwa sichergestellt werden, dass für den benötigten Strom aus erneuerbaren Energien zusätzliche Kapazitäten in der Stromerzeugung geschaffen werden, damit die Kraftstoffproduktion nicht mit anderen Verbrauchern konkurriert. Auch weitere Nachhaltigkeitskriterien, sei es in Bezug auf Wasser, Flächenverbrauch oder die allgemeine Umweltverträglichkeit, müssen bei der PtL-Produktion Berücksichtigung finden.
Wichtig für den Erfolg dieses nachhaltigen Kraftstoffes ist, dass die produzierten Mengen trotz voraussichtlich höherer Preise als beim herkömmlichen Kerosin auch abgenommen werden. Denn auch die Produzenten des Kraftstoffes benötigen eine Absicherung ihrer Investitionen in neue Anlagen. Aus diesem Grund ist eine gesetzliche Quote ein sinnvolles Instrument, um den Markthochlauf zu unterstützen und PtL-Kerosin zu etablieren. Wettbewerbsverzerrungen für den Luftverkehr sollen dabei vermieden werden. Darum sollten regulatorische Maßnahmen so ausgestaltet werden, dass sie einerseits wirkungsvoll und andererseits wettbewerbsneutral sind. Auf dieser Grundlage verpflichten sich die Luftverkehrsunternehmen zur Abnahme relevanter Mengen an PtL-Kerosin in den nächsten Jahren. Von den Akteuren der deutschen PtL-Roadmap wird eine gemeinsame europäische Quote angestrebt. Zusammen mit anderen Maßnahmen soll so der politische Rahmen für die strombasierten Kraftstoffe gesteckt werden.
Nachhaltig und wettbewerbsfähig:
Wasserverbrauch, Landnutzung und Kerosinpreis von PtL
Die Hauptkomponenten, die für die Herstellung von PtL-Kerosin benötigt werden sind Wasser, CO2 und Strom aus erneuerbaren Energien. Um die Natur nicht unnötig zu belasten und gleichzeitig PtL-Kraftstoff wettbewerbsfähig herstellen zu können müssen bestimmte Kriterien beachtet werden: der Wasserverbrauch, die Landnutzung, die CO2-Quelle und die Stromerzeugung.
Wasser ist ein wichtiger Rohstoff für die PtL-Produktion. Der Netto-Wasserbedarf für PtL-Kerosin resultiert aus dem Wasserbedarf für die Wasserstoffproduktion durch Wasserelektrolyse und dem durch die Synthesereaktion erzeugtem Wasser und weiteren nachgeschalteten Verarbeitungsschritten. Nach einer Studie des UBA müssen für die Produktion von einem Liter PtL-Kraftstoff rund 1,3 bis 1,4 Liter Wasser aufgewendet werden. Die unten stehende Grafik zeigt, das andere Herstellungsverfahren mehr Wasser zur Produktion benötigen.
Wasserbedarf pro Liter alternativem Kraftstoff
Power-to-Liquid-Wasserbedarf* im Vergleich zu ausgewählten alternativen Kraftstoffen
Der Landbedarf ist ebenfalls ein wichtiger Leistungsindikator bei der Bewertung und dem Vergleich von alternativen Kraftstoffen. Es gibt eine Vielzahl von erneuerbaren Stromquellen, die für die Produktion von PtL verwendet werden können, wie z.B. Photovoltaik und Onshore- und Offshore-Wind. Setzt man für die Stromerzeugung für PtL-Kerosin z.B. Windenergie ein, ist die Landnutzung sehr gering, denn bis zu 95 Prozent des Landes können weiterhin für die Landwirtschaft genutzt werden. Insgesamt kann für die Landnutzung von PtL-Kerosin festgehalten werden, dass sie nicht auf fruchtbares Land angewiesen ist. Zum Beispiel können Photovoltaikanlagen auf Flächen mit enorm hoher Sonneneinstrahlung gebaut werden, während dort aufgrund der Hitze keine Pflanzen wachsen würden. Es werden somit keine Agrarflächen für Lebensmittel verdrängt.
Damit PtL-Kerosin zum Klimaschutz beitragen kann, muss es getankt und damit bezahlbar bzw. wettbewerbsfähig mit herkömmlichem Kerosin sein. Eine Studie des UBA zu PtL-Kraftstoff hat die Produktionskosten für PtL-Kraftstoff hochgerechnet und dabei mit der voraussichtlichen Entwicklung der Preise für fossiles Kerosin verglichen. Im Ergebnis würde im Jahr 2040 eine Tonne PtL-Kerosin zwischen 1.144 und 1.675 Euro kosten, während eine Tonne fossiles Kerosin bei 837 Euro liegen würde.
Kraftstoff aus dem Solarreaktor
Es braucht eigentlich nicht viele Bestandteile, um Flugkraftstoff zu produzieren: Sonnenlicht, Wasser und Kohlendioxid. Trotzdem musste sehr viel Neuland betreten werden, bis die thermochemische Kraftstoffherstellung des Projekts SOLAR-JET im Labormaßstab gelang. Das solare Kerosin ist problemlos als Kraftstoff im Luftverkehr einsetzbar. Jetzt besteht der nächste Schritt darin, die Marktreife zu erreichen.
Mit dem Projekt SOLAR-JET wird der Verbrennungsvorgang im Prinzip umgedreht. Dazu wird in einem Solarreaktor ein Metalloxid in Metall- und Sauerstoffionen gespalten. Die notwendigen Temperaturen von bis zu 2.000 Grad Celsius können mit Solarreceivern erzeugt werden. Sie fangen die Sonnenstrahlung auf und bündeln sie. Dann werden Kohlenstoffdioxid und Wasserdampf eingeleitet und es bildet sich ein Synthesegas, aus dem mittels des Fischer-Tropsch-Verfahrens alternatives Kerosin hergestellt werden kann. Der große Vorteil bei diesem Herstellungsprozess ist, dass es nahezu unbegrenzte Ressourcen gibt. Und: Da das im solaren Kerosin enthaltene CO2 komplett der Luft entnommen wurde, wird bei der Verbrennung kein zusätzliches Kohlendioxid freigesetzt. Das solare Kerosin ist somit CO2-neutral. Im Projekt SOLAR-JET sind verschiedene Partner vereint: ETH Zürich, Bauhaus Luftfahrt, Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt, Shell Global Solutions und ARTTIC.
Das Projekt SOLAR-JET
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Die technische Machbarkeit der Herstellung von Flugzeugkraftstoff aus Sonnenlicht wurde somit in einem ersten Schritt bewiesen. Mit dem im Januar 2016 gestarteten Projekt SUN-to-LIQUID wollen die Partner die industrielle Produktion von solarem Kerosin vorantreiben. Dabei war das Ziel, die gesamte Prozesskette, die in SOLAR-JET im Labormaßstab demonstriert wurde, erstmals im Feld zu erproben und den Ertrag mindestens um den Faktor 30 zu steigern. Das Projekt soll weit über den Stand der Technik bei der Solartreibstoffproduktion hinausgehen und soweit vergrößert werden, dass auf einer verlässlichen Basis in die wettbewerbsfähige und industrielle Produktion übergegangen werden kann. Auf vier Jahre war das Projekt angelegt und wurde von der EU Kommission unter dem EU-Förderprogramm für Forschung und Innovation Horizont 2020 gefördert. Bereits vor Ende des Projekts wurden wichtige Fortschritte in der solaren Kraftstofftechnologie erzielt. In 2019 produzierte die dafür entwickelte SUN-to-LIQUID-Anlage bei Madrid erstmals solares Kerosin im klein-industriellen Maßstab.
Das Sonnenfeuer aus Dresden
In Dresden wird Strom aus Wind- oder Solarenergie genutzt, um Wasserstoff zu produzieren. Dabei wird die reversible Hochtemperatur-Elektrolyse von Sunfire genutzt: Sie verbindet die Technik einer Brennstoffzelle mit der Elektrolyse. Mit dem entstandenen Wasserstoff und CO2 lässt sich auch Flugkraftstoff herstellen.
Die weltweit einzigartige Demonstrationsanlage für Power-to-Liquids von Sunfire in der sächsischen Landeshauptstadt hat zum ersten Mal im Frühjahr 2015 einen synthetischen Kraftstoff erzeugt. Der erste Schritt zum Kraftstoff – also zum Beispiel zu alternativem Flugtreibstoff – besteht in der Aufspaltung von Wasserdampf in Wasserstoff und Sauerstoff durch Strom aus Wind oder Sonne, auch Elektrolyse genannt. Anschließend wird in einem Konvertierungsprozess CO2 mit Wasserstoff zu Kohlenmonoxid für die Synthese reduziert. Mittels Synthese wird das Kohlenmonoxid mit Wasserstoff durch die Fischer-Tropsch-Synthese zu einer Mischung aus Benzin, Diesel, Kerosin oder auch Wachsen.
Synthetischer Diesel aus Wasser, Luft und Ökostrom
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Die Supersonne in Jülich
Im Jahr 2017 ist mit Synlight eine Großforschungsanlage in Betrieb gegangen, die auch dabei hilft, klimafreundliche alternative Flugkraftstoffe zu produzieren. Dafür werden mittels künstlicher Sonnenstrahlung Temperaturen von bis 4.500 Grad Celsius erzeugt.
Dazu wird die Strahlung von 149 Hochleistungsstrahlern auf einen Punkt projiziert. Einer dieser Strahler entspricht in seiner Leistung der eines Großkino-Projektors. Die Lichtintensität, die entsteht, ist 10.000 Mal so hoch wie die Sonnenstrahlung auf der Erde. Damit ist Synlight die größte künstliche Sonne der Welt. Genutzt wird diese gewaltige Energie, um Produktionsverfahren für solare Treibstoffe, wie z.B. Wasserstoff, zu entwickeln. Unter freiem Himmel hätten die Forscher das Projekt nicht durchführen können. Denn aufgrund der Wolken und der Luftzirkulation hätten die Forscher nie gleiche Strahlungsverhältnisse, wie sie für reproduzierbare versuche nötig sind.
Kraftstoffproduktion to go
Wie weit die Forschung zur Produktion von Kraftstoffen aus Sonnenenergie und mit dem Kohlendioxid aus der Luft schon vorangeschritten ist, lässt sich gut an dem Forschungsprojekt SOLETAIR erkennen, das das Karlsruher Institut für Technologie (KIT) und das Technische Forschungszentrum Finnland (VTT) zusammen durchführen. Dabei wird wieder auf den Einsatz von erneuerbaren Energien gesetzt.
Drei Einheiten machen diese Anlage aus: Die erste zieht das Kohlendioxid aus der Umgebungsluft. Die zweite erzeugt per Elektrolyse aus Wasser und Sonnenenergie Wasserstoff. In der dritten Einheit wandelt ein mikrostrukturierter, chemischer Reaktor den aus Sonnenenergie gewonnen Wasserstoff und das Kohlenstoffdioxid in flüssige Kraftstoffe wie Benzin, Diesel oder Kerosin um. Die Power-to-Liquid-Anlage ist so kompakt, dass sie sogar in einen Schiffscontainer passt.
