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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Einsparpotenzial von Treibhausgasemissionen

Quelle: International Civil Aviation Organization (ICAO)
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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 mindestens doppelt so teuer wie 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

  • Quelle: iStockphoto.com/jedsadabodin

    Die Jatropha gehört zu der Gruppe der Energiepflanzen.

  • Quelle: iStockphoto.com/Narongrit sankot

    Aus den Nüssen der Jatropha wird alternativer Kraftstoff hergestellt.

  • Quelle: Alamy.de/Philip Robinson

    Das Öl der Energiepflanze Camelina ist im alternativen Kraftstoff BurnFair enthalten.

  • Quelle: iStockphoto.com/slpu9945

    Die Ölpalme ist eine weitere Energiepflanze.

  • Quelle: iStockphoto.com/dolphfyn

    Die Früchte der Ölpalme liefern Biomasse für die Kraftstofferzeugung.

  • Quelle: iStockphoto.com/Slavica Stajic

    Auch aus der Energiepflanze Raps wird Kraftstoff hergestellt.

  • Quelle: iStockphoto.com/Kondor83

    Tierische- sowie Altfette werden im Herstellungsprozess von Kraftstoffen verwendet.

  • Quelle: iStockphoto.com/Toa55

    Algen sind eine vielfältige Biomassequelle in der Flugkraftstoffproduktion.

  • Quelle: iStockphoto.com/zbg2

    Auch die Tabaksorte Solaris ist ein guter Rohstoff für alternativen Kraftstoff.

  • Quelle: iStockphoto.com/Sokolenko

    Die Salicornia ist salztolerant und wächst in Küstenwüsten.

  • Quelle: iStockphoto.com/chatsimo

    Die Biomasse der Salicornia wird in alternative Kraftstoffe umgewandelt.

  • Quelle: iStockphoto.com/lzf

    Als erste Biomassequelle wurde Zuckerrohr genutzt.

  • Quelle: iStockphoto.com/PhanuwatNandee

    Lufthansa flog 2014 erstmals mit einem zuckerbasierten Kraftstoff.

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Energiepflanzen und tierische Fette

Für Flugkraftstoffe werden zurzeit 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

Quelle: Lufthansa

Zur Herstellung von alternativem Kerosin aus Biomasse wird das sogenannte Biomass-to-Liquid-Verfahren mit der Fischer-Tropsch-Synthese angewandt.

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Biomass-to-Liquid mit Fischer-Tropsch-Verfahren (BtL)

Quelle: Klimaschutz-Portal.aero auf Grundlage von Air Transport Action Group (ATAG)
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Eine Biomassequelle, die heraussticht: Algen

Die Gründe für Algen als Biomassequelle in der Flugkraftstoffproduktion sind vielfältig: Im Vergleich zu Landpflanzen wachsen Algen zehnmal so schnell, sie sind fetthaltiger, ihr Anbau verbraucht kein Süßwasser und sie 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 z.B. in Salzwasser. Zudem können Algen, zum Beispiel im Vergleich zu Kraftstoffen aus Mais, einen bis zu zehn Mal höheren Ertrag 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 den hohen Energieaufwand bei geringer Ausbeute noch nicht wirtschaftlich sinnvoll durchführbar.

Damit sich das ändert, wird an vielen Orten weltweit an neuen Produktionsverfahren geforscht – auch in Deutschland, zum Beispiel am Forschungszentrum in Jülich oder an der Technischen Universität München. Die Forscher wollen effizientere Verfahren zur Biomasseproduktion entwickeln, die die Emissionen des Luftverkehrs in Zukunft zu großen Teilen reduzieren können. Zentrum der bayerischen Forschung ist das Algentechnikum, ein 1.500 Meter großes Hightech-Gewächshaus, in dem Algen hinter Spezialglas wachsen.

Hier können verschiedenste klimatische Bedingungen für die Algenzucht simuliert werden. Allerdings ist den Forschern der Münchener Universität bewusst, dass Algen nie den jährlichen weltweiten Kerosinbedarf von 1,7 Milliarden Litern decken werden. Ein Anteil zwischen drei und fünf Prozent wäre schon ein großer Erfolg und würde bis zu 214.000 Tonnen an Kohlendioxid einsparen – pro Jahr. Ab 2030, so hoffen die Forscher, könnten die ersten Kraftwerke Algenkerosin produzieren und die CO2-Emissionen in der Luftfahrt so reduzieren. Finanziert wird das Projekt von der Airbus Group und dem Bayerischen Staatsministerium für Bildung und Kultur, Wissenschaft und Kunst.

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Alternatives Kerosin aus Algen

Quelle: Youtube/ Bayerischer Rundfunk

Auch am Forschungszentrum in Jülich züchten Forscher in Bioreaktoren Algen und versuchen daraus Kerosin zu gewinnen. In Bezug auf die industrielle Bereitstellung von Kerosin aus Algen und den Flächenverbrauch kommen sie bei ihren Forschungen zu folgendem Ergebnis: Damit die Algen ein Prozent des gesamten Erdölverbrauchs ersetzen könnten, würde eine Anbaufläche so groß wie Jamaika benötigt werden – 10.000 Quadratkilomater. Alternativer Flugkraftstoff aus Algen ist somit nur ein Teil der Lösung für die Abdeckung des Bedarfs und erfordert weitere Forschung.

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Bildergalerie: Algenforschung für den Kraftstoff
der Zukunft

  • Quelle: Technische Universität München / Andreas Heddergott

    Das Technikum für Algenzucht der Technischen Universität München

  • Quelle: Technische Universität München / Andreas Heddergott

    1500 Quadratmeter große Gebäude beherbergt drei Räume zur Algenkultivierung

  • Quelle: Technische Universität München / Andreas Heddergott

    Das Technikum: eine Kooperation aus TUM und der Airbus Group

  • Quelle: Technische Universität München / Andreas Heddergott

    Das Technikum auf dem Ludwig Bölkow Campus der TUM

  • Quelle: Forschungszentrum Jülich / Ralf-Uwe Limbach

    Blick in das Algen-Science-Center im Forschungszentrum Jülich

  • Quelle: Forschungszentrum Jülich / Ralf-Uwe Limbach

    Photobioreaktor für die Algenzucht im Freien des Forschungszentrums Jülich

  • Quelle: Forschungszentrum Jülich / Ralf-Uwe Limbach

    Algengewächshaus am Forschungsstandort Jülich

  • Quelle: Forschungszentrum Jülich / Ralf-Uwe Limbach

    Reaktor in dem Algen hauchdünn auf ein Gitternetz gesprüht werden

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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

Quelle: Boeing
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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

Quelle: International Civil Aviation Organization (ICAO)
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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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Alcohol-to-Jet-Verfahren (AtJ)

Quelle: Klimaschutz-Portal.aero auf Grundlage von Air Transport Action Group (ATAG)
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Bedarf und Verfügbarkeit von Biomasse

Ziel der Luftfahrt in Deutschland ist es, bis zum Jahr 2025 einen Anteil der alternativen Flugkraftstoffe von zehn Prozent zu erreichen. Das sind 1,1 Millionen Tonnen Kraftstoff, die Jahr für 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 dafür notwendige 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.

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Wasserbedarf pro Liter alternativem Kraftstoff

Power-to-Liquid-Wasserbedarf* im Vergleich zu ausgewählten alternativen Kraftstoffen

Quelle: Umweltbundesamt (UBA)
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Klimaschutz im Luftverkehr Alles, was Sie wissen sollten
Klimakiller Nr. 1?

Der Luftverkehr ist der größte Klimakiller? Stimmt nicht!

Verbrauch senken

Flugzeuge sind immer effizienter unterwegs durch innovative Technik, bessere Auslastung und ein intelligentes Miteinander aller Partner.

Klimaneutral fliegen

Neue Verfahren zur Kerosinherstellung, alternative Antriebe sowie klimaoptimierte Flugverfahren werden in Zukunft ein nahezu klimaneutrales Fliegen ermöglichen.

CO2 kompensieren

Der Luftverkehr kompensiert CO2 über den Kauf von Zertifikaten oder durch die Finanzierung nachhaltiger Klimaschutzprojekte.

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