Nachhaltiger fliegen

Luftfahrt ist besonders klimaschädlich, hat aber das Emissionsziel netto Null bis 2050. Die Einführung neuer Antriebe eine technische Herausforderung. Doch die bestehende Flugzeugflotte ließe sich durch synthetisch hergestelltes Kerosin nachhaltiger machen. Dieses Drop-in-Kerosin lässt aus verschiedenen Ausgangsstoffen über unterschiedliche Synthesepfade herstellen. Im Kern drehen sie meist um Fischer-Tropsch-Verfahren, längerkettige Kohlenwasserstoffe herzustellen. Am Weitesten dies für trockene und feuchte Biomasse entwickelt, nachhaltig allerdings nur begrenzt vorhanden ist. Eine Alternative bieten elektrochemische Verfahren, Wasser oder CO2 aufspalten, woraus dann e-Kerosin hergestellt werden kann. Solche Verfahren befinden noch im Stadium der Demonstrations- Pilotprojekte. Vor allem Herstellungskosten müssen drastisch gesenkt werden, mit fossilem konkurrieren zu können. heutige Flugzeugflotte, insbesondere Langstrecke, wird einem großen Teil einige Jahrzehnte Einsatz bleiben. Mit Drop-in-Treibstoffen klimafreundlicher machen, wie dieser A-380 von Airbus März 2022 auf dreistündigen Testflug demonstrierte: Eines seiner Triebwerke war so umgerüstet, dass es rein synthetisches (Sustainable Aviation Fuel, SAF) verbrennen konnte (Foto: A. Domenjou, © SAS 2022). Seit COVID-Pandemie in den Hintergrund gerückt ist, kehrt Fernweh zurück. Entsprechend wieder vermehrt geflogen, sodass Passagierflugverkehr ab 2024 voraussichtlich Vor-Corona-Niveau erreichen wird. Verschiedene Szenarien gehen davon aus, er danach kontinuierlich weiter zunehmen wird, jährlichen Wachstumsraten zirka 2–4 % [1]. Offenbar trotzt Reiselust dem wachsenden Bewusstsein Klimaauswirkungen des Fliegens – Stichwort „Flugscham“. Aber auch wir Zukunft ohne schlechtes Gewissen fliegen können? Wie kann Flugverkehr entsprechend Zielen Pariser Klimaabkommens kommenden Jahrzehnten klimaneutral werden? Einer Hauptansatzpunkte Antrieb. Hier stehen Wesentlichen drei verschiedene Möglichkeiten zur Mitführung Bereitstellung benötigten Energie Diskussion: elektrochemisch Batterien, Form Wasserstoff als Drop-in-Treibstoffe, fossilen ähnlich sind, Biokerosin Kerosin. Diese Optionen wollen Folgenden vergleichen. wichtige Kenngröße dabei spezifische Energiegehalt Treibstoffs Batterie. Bei batterieelektrischen Flugzeugen vor gravimetrische Energiedichte, wörtlich ins Gewicht fällt: Elektroautos gängigen Lithium-Ionen-Batterien etwa 250 Wh/kg Zellebene. Energiedichte 12 000 Wh/kg, liegt also einen Faktor 50 höher. Selbst wenn höhere Effizienz Elektromotoren gegenüber Düsentriebwerken erwartenden kontinuierlichen Verbesserungen Batterietechnologien Betracht gezogen bleibt dennoch große Lücke bei Energiedichte. Somit eignen batterieelektrische Flugzeuge absehbare Zeit eher Nischenanwendungen Kurzstrecken kleiner Passagierzahl, Sportfliegerei Ausbildungsflugzeuge. Erste solche Modelle wurden Kurzem Markt gebracht. hat, flüssiger –253 °C, hohe viermal geringere volumetrische müsste gesamte Flugzeugdesign an massiv größere Tankvolumen angepasst werden. entsprechende Pläne ein komplett neu entworfenes Wasserstoff-Flugzeug Namen ZEROe, 2035 marktreif sein soll. Varianten Wasserstoffantriebs erprobt. Aufgrund wesentlich größeren Tankvolumens Wasserstoff-Flugzeuge Kurz- Mittelstrecken-Segment eingesetzt Zusätzlich führen aufwendigen Anpassungen Antriebs, Tanks gesamten Treibstoff-Logistik dazu, Markteinführung Investitionen wegen strengen Sicherheitsanforderungen Aviatikbereich zusätzliche Zertifizierungsprozesse erfordern Für Langstrecken-Flugzeuge alternative Treibstoffe an, deren chemische physikalische Eigenschaften direkt konventionellen Triebwerken benutzt diesen weiterbetrieben lassen stufenlos vermehrte Beimischung einführen. Dies umso wichtiger, weil zwischen 20 25 Jahren Dienst damit etwas mehr Flugzeuggeneration 2050 bleibt. Drop-in-Möglichkeit folglich zentral schnelle alternativer Flugtreibstoffe. Dabei physikalischen chemischen genügend nahe am Treibstoff liegen. So Vorgaben Viskosität, Siedepunkt, Flammpunkt Schmelzpunkt engen Grenzen erfüllt globale Zivilluftfahrt verwendet dafür Standard Jet A-1 [2]. Da fossiles einer Mischung verschiedener Moleküle Molekülklassen besteht (Abbildung 1), drop-in-fähiger angepasste anderer gleichen beinhalten, zum Beispiel weniger aromatische Verbindungen andere Verteilung Kettenlängen Alkane. Fossiles Durchschnittliche Zusammensetzung (Tortendiagramm: nach T. Edwards, Verteilungsdiagramm: J. Heyne). möglichen sind deshalb interessant, CO2-Emissionen Drittel Hälfte Flugverkehrs ausmachen [3]. Mindestens ebenso wichtig weitere Faktoren, Bildung Kondensstreifen Wolken. Rußpartikel begünstigt, vorwiegend Verbrennung Aromaten stammen. Ein synthetischer geringerer Rußbildung zusätzlich Reduktion Klimawirkung beitragen 2). genauen Werte Flugverkehrs, welche nicht verursacht aufgrund Komplexität Vorgänge schwer ermitteln. Daher Gegenstand wissenschaftlichen Diskussion. Vergleich herkömmlichem Typs (rechts) synthetischen Äquivalent Schweizer SynFuels-Initative (links). geringe Forschungsmusters (nicht zertifiziert) Fehlen zurückzuführen hätte Flugbetrieb Kondensstreifen-Bildung Folge. gelbliche Farbe kommt Anteil ungesättigter zustande M. Fischer, Roth, F. Dubray, PSI). Historisch betrachtet synthetische hauptsächlich Kohle Erdgas Ausgangsstoffe verwendet. Zweiten Weltkrieg Erdöl Treib- Brennstoffe Mitteleuropa knapp, Braunkohle Steinkohle hingegen reichlich vorhanden. ähnliche Situation gab Südafrika während Apartheid-Regimes Ölboykotts OPEC-Staaten. Außerdem gibt Gebiete Erdgasvorkommen, ausreichend Pipelines Exportmarkt angeschlossen sind. Deshalb wurde schon 1920er-Jahren Deutschland flüssige Energieträger zentrale Rolle diesem Chemikern Franz Fischer Hans Tropsch benannten spielt Synthesegas, Kohlenmonoxid sowie teilweise CO2. Später dieses großem Maßstab weiterentwickelt letzten Basis schließlich erweitert. Wird Ausgangsstoff verwendet, grundsätzlich zucker- stärkehaltige Pflanzenteile, pflanzliche tierische Fette ligninhaltige Pflanzenteile Verfügung Lignin Bestandteil Holz. Je Biotreibstoffe können direkter Konkurrenz Nahrungsmittelproduktion stehen. biogene Abfälle Reststoffe zurückgegriffen, jedoch verfügbar gilt es, erhöhten Düngereinsatz erhöhte indirekter Änderung Landnutzung vermeiden. Um diese Herstellung Biotreibstoffen verbundenen Herausforderungen vermeiden, Syntheseverfahren Flugtreibstoffe Entwicklung, nutzen, unter erneuerbarer elektrischer Energie. strombasiert hergestellten bezeichnet, Power-to-Liquid- Verfahren. Moment Schwelle industriellen Anwendung schnellen Ausbau Produktionskapazität höheren technologischen Reifegrad erlangen. Herkunft verwendeten essenziell. Es sollte nichtfossilen Punktquellen Kläranlagen Biomassekraftwerken stammen Atmosphäre entnommen Als vermeidbaren Quellen, Müllverbrennungsanlagen Zementwerken, solange keine Infrastruktur langfristigen Speicherung ihrer steht. muss benötigte Elektrizität CO2-arme, erneuerbare Quellen gestellt Wasser- Windkraft Photovoltaik (PV). Zwischenschritte Stromproduktion Elektrolyse umgehen, Sun-to-Liquid- Power-zu-Liquid- entwickelt. liefert Sonnenlicht Solarturmanlagen mithilfe Spiegelfeldern stark konzentriert Synthesegases Hochtemperaturwärme. Sun-to-Liquid-Verfahren haben anderen kämpfen Gegensatz PV Elektrolyse, kommerziell erhältlich. oben beschriebenen man Vielzahl Synthesepfaden herstellen 3). Einige Herstellungspfade bereits Verwendung kommerziellen zugelassen. Allerdings höchste zugelassene Beimischquote synthetischem momentan lediglich %. Pfade erneuerbarem Kerosin, SAF: Sustainable Fuel. Ziffern 1–3 markieren Methanol, Methan Alkene Ethylen, Zwischenprodukte Syntheserouten dienen (Quelle: Synthesepfad Biokerosin, basiert Estern Fettsäuren (Hydroprocessed Esters and Fatty Acids, HEFA). Hierbei ersten Schritt biogenen Fetten Ölen gewonnen. gesättigt, Aldehyd Alkan reduziert (Hydrierung). Feuchte Biomasse, Klärschlamm, benötigt viel Trocknung, direkte Verarbeitung Trocknung günstiger. hydrothermalen möglich 3), hohem Druck arbeiten, superkritische Phase eintritt. hydrothermaler Vergasung (HTV) sehr effizient Biogas hydrothermale Verflüssigung (HTL) produziert rohölähnliches Produkt, veredelt Katalysatoren gewünschte Kohlenwasserstoffen erzeugen. Erprobungs- Demonstrationsphase. Bereits seit Methanolsynthese Fischer-Tropsch-Verfahren. Ausgangsstoffen, trockener Holz festen Abfällen Industrie, Gewerbe Haushalten Wasser, Entwicklung Demonstrationsmaßstab erreicht. beiden hier Synthesegas. je Prozesspfade erhalten (siehe Zusatztext „Details Drop-in-Treibstoffen“, Infos Download „Zusatzmaterial“ unten). Aus Synthesegas Pfaden, Zwischenschritte, Der Fischer-Tropsch-Prozess besten etablierte Verfahren: Kobalt- Eisenkatalysatoren Gemische relativ breiten gebildet. Neben mittellangen Alkanen Benzin-, Diesel- Kerosin-Bereich entstehen Schmieröle Wachse. Produktverteilung Wahl Reaktortyps Katalysators Verfahrensparametern Druck, Temperatur Verhältnisses Kohlenoxiden beeinflussen. Durch anschließendes Aufarbeiten Rohprodukts hydrierende Spaltung Hydrocrackern Ausbeute gewünschten Kettenlänge 8–16 Kohlenstoffatomen, interessant erhöhen. Raffinerien Erdölprodukten geschehen. weiterer führt thermochemische Kupfer-Zinkkatalysatoren gewonnen Methanol reaktiv hieraus Olefine herstellen, denen erzeugt Bereich Kerosins Methanol-Olefin-Verfahren nachfolgende Oligomerisierungsprozesse (nähere Erklärung solcher Begriffe Chemie Verfahrenstechnik siehe „Glossar“ Drop-in-Treibstoffen“). Das bietet einzigartigen Vorteil, Zusammensetzungsbereich Umwandlungsrate Selektivität Iso-Paraffine höherem Oktanwert kombiniert allen thermochemischen Syntheseverfahren, mehrere Herausforderungen, Anzahl unterschiedlicher Lösungsansätze geführt hat. Reaktionen exotherm setzen Wärme frei –, brauchen feste thermodynamische Gleichgewicht limitiert. bedeutet, Konzentrationsverhältnissen Rückreaktion gleich schnell sogar schneller abläuft Vorwärtsreaktion. exothermen Letzteres hohen Temperaturen Fall. verringert oftmals Selektivität, heißt, unerwünschte Nebenprodukte. Grund zuverlässige Kühlung Reaktoren nötig, maximieren. Gleichgewichtslimitierung erhöhen Reaktionsprodukte selektiv entfernen. großtechnischen Druckerhöhung gewählt Rückführung reagierten kombiniert. Gaskompression gewinnen Dampfturbinen Abhitze Erdgasreformierung. Versucht man, Elektrolyse-Wasserstoff herzustellen, Möglichkeit internen Abwärmenutzung nicht, Kompressoren müssten teurem Strom betrieben untersucht unser Team „Synthetic Fuels from Renewable Resources“-Initiative Paul Scherrer Instituts Empa Schweiz, inwieweit selektive Abtrennung umgehen „Internet“ S. 174). uns gewählte Reaktortyp baut Prinzip Gas-Feststoff-Wirbelschicht ermöglicht so, Stoffe Adsorbentien Darüber hinaus optimale Temperaturkontrolle. Auch CO2-Elektrolyse tragende nachhaltigen Flugzeugtreibstoffen spielen. Mittels Wasserelektrolyse erzeugen, Umwandlung Flugtreibstoff Technologie Wasserstofferzeugung industriell entwickelt verfügbar. Grundeinheit eines Elektrolyseurs 4) zwei Elektroden, Elektrolyten flüssig fest, alkalisch sauer getrennt Dampf umgeben Reaktion Anode setzt Sauerstoff frei, Kathode entsteht. Grundeinheiten elektrisch Reihe geschaltet bilden Zellstapel Elektrolyseurs. Elektrolyseur Mobilitätsanwendungen. aufgetrennt. speziell gebauten umgerüsteten Drop-in-Flugtreibstoffen Empa). Langem bekannten etablierten Prozess weiteres CO2-Elektrolyse. Sie inerte aufspalten nutzbar Atom Atomen Kohlenstoff CO, CH4, Ameisensäure Formaldehyd, Ethen, Ethanol Essigsäure. Welches Produkte gebildet hängt vom Elektrokatalysator, angelegten Spannung Parametern ab. Herausforderung darin, Produkt hoher Dazu Prozesse Elektrode besser verstanden Forschung vergleichsweise jung, verspricht großes Potenzial. Wir entwickeln gemeinsamen Initiative Resources“ „Internet“) anderem Ansätze weiter. Labormaßstab funktioniert Erzeugung CO Silber- Goldelektrode gut. denn bildet Ausgangsbasis alle Produktionsprozesse, aufbauen Einstieg Petrochemie. Kupferelektroden erlaubt überdies Substanzen Kohlenstoff-Kohlenstoffbindungen Ethylen geringeren Mengen Propanol. Während Propanol verwendbar wichtiger Rohstoff Kunststoffindustrie. mittels Oligomerisierung Drop-in-Flugzeugtreibstoffe umgewandelt [4]. Über Perspektive, ganz allgemein zukünftigen Energiesystemen einzusetzen, inklusive Verkehrssektor. Darauf Abschnitt „Nachhaltige Energiesystemen“ näher ein. Dem Vorteil direkten Ersatzes fossiler steht Nachteil Nutzung Batterieflugzeugen weit Energieeffizienz gegenüber. ergibt langen Prozesskette synthetischen, strombasierten Energieträger, verlustbehafteter Fischer-Tropsch-Synthese beinhalten. Stromnetz, Ladestation, Batterie Elektromotor dagegen weisen dazu insgesamt vier- fünffach Gesamteffizienz auf. Dieser Verlust Wirkungsgrad macht Treibhausgasbilanz Kosten bemerkbar, sondern angesichts Europa beschränkten Brennstoffen erneuerbaren beachten. Gerade besitzen essenziellen Produktion relativiert: Anders problemlos kostengünstig vorhandene Handelsrouten global transportieren monatelang speichern. Folglich Großteil Regionen außerhalb Europas importiert starke Sonneneinstrahlung, gute Windbedingungen idealerweise beides zusammen aufweisen. Nicht vernachlässigen Wasserbedarf sozioökonomische politische Struktur Stabilität Region. Power-to-X-Atlas Fraunhofer-Instituts Energiewirtschaft Energiesystemtechnik (IEE) [5] Faktoren Ländern USA, Australien, Chile, Kanada Argentinien Potenzial bescheinigt [6]. Hinblick Erfahrungen gegenwärtigen Energiekrise darauf geachtet Abhängigkeit einzelner Staaten begibt. Global laut Analyse heute geförderten Erdgases Erdöls, wäre ausreichend. Voraussetzung wäre, potenziell konkurrierende Bedarf Sektoren Gebäudeheizungen Personenfahrzeuge konsequente Elektrifizierung niedrig genug gehalten Limitierung verwertbaren Biomasse. genaue abzuschätzen, Weitem ausreichen, Flugtreibstoffen abzudecken. Strombasierte beide Europäische Kommission 2021 Rahmen „ReFuelEU Packet“ obligatorische Mindest-Beimischquoten nachhaltige vorgeschlagen, wobei Anteile spezifisch strombasiertes vorgeschrieben sollen; Tabelle 1 zeigt April 2023 aktualisierten Zahlen. regelmäßig Linienflügen eingesetzt, 2019 lag international unterhalb 0,1 [7]. Flughafen Oslo einigen Vorreiter. größte Produzent Europa, Neste, gegenwärtig 100 t pro Jahr, Ende 1,5 Mio. ausgebaut altes Speiseöl Fettabfälle (HEFA-Prozess). gering Gesamtbedarf Flugverkehrs: weltweit 330 verbraucht [8]. waren 2019, starken Preisausschlägen unten aktuelle Energiekrise, höher [9]. technologische Skaleneffekte Produktionskosten senken könnte limitierte Verfügbarkeit biologischen Kostensenkungen verhindern. Strombasiertes bislang außer kleineren Demonstrationsprojekten kaum hergestellt. geplante Beimischpflicht EU erfüllen, spätestens 2030 sein. Dank Drop-in-Fähigkeit erhöht soll mindestens 35 (Tabelle 1). obligatorischen Beimischquoten, freiwilligen Initiativen Marktakteure da strombasiertem zurzeit Mehrfaches betragen. erwartet, Technologieentwicklung Hochskalierung 1–1,5 €/l Gleichzeitig dahin Preise CO2-Zertifikate teurer Mitte Jahrhunderts konkurrenzfähig [10]. Noch entfernt. Linienflug, wurde, verdeutlicht: Flug Amsterdam Madrid Februar Boeing 737 500 l betankt. Menge entspricht 10 Treibstoffs. Drop-in-Treibstoffen“ stellt Pilotproduktionsanlagen vor, Betrieb gebaut angekündigt wurden. sollen vorbereiten. Nach Power-to-Liquid-Roadmap Deutschen Bundesregierung [11] Produktionskapazitäten jährlich 200 deutschen Luftverkehr genutzt können, was 2 Kerosinabsatzes Jahr entspricht. Flugbranche Zuge Netto-Null-Emissionsziele vieler Länder ihren Beitrag radikalen leisten müssen. zuerst vorgestelltem nachhaltigem geschehen, dank Betankungs-Infrastruktur. Reife ermöglichte einzusetzen. Abfallbiomasse forcierten globalen Stromerzeugung strombasierte ergänzt ersetzt Dafür adäquate Rahmenbedingungen langfristige Markteintritt ermöglichen, erst Weiterentwicklung preislich Treibstoffen viele Ankündigungen Demonstrationsanlagen Ausbauplänen derzeit zuversichtlich stimmendes Bild zeichnen: Anstrengungen Forschung, mutigem Unternehmertum nötig. Fluggesellschaften ermöglichen Privatreisenden Reduzierung „grüne Tarife“ %, Kerosins. darf parallel alternativen Flugzeugantrieben vernachlässigt darunter solche, Turbinen Brennstoffzellen verwenden. Anfangsinvestitionen Energiedichten später, kürzeren Strecken Antrieben kommen. Schließlich versuchen, Flüge Bahnreisen Geschäftsflugreisen Online-Meetings ersetzen. Zum Vergleich: 2500–5000 km Flugpassagier umgerechnet Energie, 3–4-Personenhaushalt benötigt. beträchtlichen, ausgestoßene bedingten, zusätzlichen kerosinbetriebenen ob fossil, bio synthetisch. Auswirkungen, Wolken, optimierte Planung Flugrouten Wetterlage minimieren lassen. Vollständig Fliegen wohl hoffentlich schrumpfenden Rest Negativ-Emissions-Technologien Boden, Entfernen Atmosphäre, ausgleichen müssen, Netto-Null-Ziel erreichen. danken folgenden Kollegen Unterstützung Zusammenstellung Manuskripts kritischen Durchsicht: C. Bach (Empa), Bauer (PSI), Battaglia Borgschulte Büchi D. Ferri R. Hischier L. Maggiulli Schildhauer (PSI) Vogel (PSI FHNW). ETH-Rat finanzielle Resources“. Open access funding provided by ETH-Bereich Forschungsanstalten. Synfuels https://www.empa.ch/de/web/s604/synfuels Move-Plattform https://t1p.de/EmpaMove ESI (Energy System Integration)-Plattform Institut https://t1p.de/PSI_ESI Björn Niesen studierte Universität Basel Nanowissenschaften, promovierte anschließend KU Leuven. Danach leitete PV-Lab EPFL Neuchâtel Solarzellen-Forschungsteam. 2018 arbeitet Dübendorf, 2020 dort Geschäftsführer Forschungsbereichs In Funktion Co-Koordinator Synthetic Resources (SynFuel)-Initiative, finanzierten Forschungsprojekt Empa. Peter Jansohn TU Karlsruhe (heute KIT) Chemieingenieurwesen studiert 1991 promoviert. 1993 ging ABB, Corporate Research Center Baden-Dättwil. Positionen ABB ALSTOM kam 2003 (PSI). Dort Labor „Verbrennungsforschung thermische Prozesse“ Projektleiter Aktivität „Energy Integration (ESI) Platform“ PSI. ESI-Programm demonstriert Power-to-Gas (H2, CH4)-Technologien Pilotmaßstab. Jörg Roth FH TH) Nürnberg 2010 Mercator Duisburg Maschinenbau, Entwicklungsingenieur Brennstoffzellen-Programm Adam Opel Gmbh GM arbeitete. wechselte Elektrochemie Institut. 2014 Wissenschaftskoordination. Aktuell SynFuel-Initiative. Please note: The publisher is not responsible for the content or functionality of any supporting information supplied authors. Any queries (other than missing content) should be directed to corresponding author article.