Keine Zukunftsmusik:
Kerosin aus Wasser und CO2

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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 CO2CO2Kohlenstoffdioxid ist ein farb- und geruchloses Gas, Bestandteil der Luft und Treibhausgas. Es wird u.a. bei der Verbrennung fossiler Energieträger freigesetzt. 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.

Das bestätigt auch das von der EU geförderte Projekt Sun-to-Liquid, unter dem eine komplette Produktionsanlage zur experimentellen Validierung von Sonnenkraftstoff gebaut werden soll. Das Projekt soll die Ziele der EU-Energie-Roadmap für 2050 unterstützen, bei der der Anteil an erneuerbaren Energien im Brutto-Energieverbrauch auf 75 Prozent ansteigen soll. Die Erreichung dieses Ziels erfordert einen erheblichen Anteil an alternativen Transportkraftstoffen, darunter einen Anteil von 40 Prozent an kohlenstoffarmen Kraftstoffen in der Luftfahrt.

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Power-to-Liquid

Kerosin aus erneuerbarer Energie, Wasser und Kohlendioxid

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Derzeit koordiniert ein Institut der Universität Bremen (AES) ein vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie gefördertes Verbundprojekt zur Herstellung von Power-to-Kerosin. Gemeinsam mit Wissenschafts- und Industriepartnern wird an der Entwicklung und Demonstration einer dynamischen, effizienten und skalierbaren Prozesskette für strombasiertes Kerosin geforscht. Ziel der ersten Phase des Projekts „KEROSyN100“ ist es, eine erste „Power-to-Jet Fuel“-Anlage in einer kommerziell ausgerichteten Demonstrationsumgebung zu errichten. Mit dieser soll langfristig umweltfreundliches Kerosin aus erneuerbarem Strom zu marktfähigen Preisen hergestellt werden.

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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 CO2CO2Kohlenstoffdioxid ist ein farb- und geruchloses Gas, Bestandteil der Luft und Treibhausgas. Es wird u.a. bei der Verbrennung fossiler Energieträger freigesetzt. 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.

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Das Projekt SOLAR-JET

Quelle: ARTTIC

Die technische Machbarkeit der Herstellung von Flugzeugkraftstoff aus Sonnenlicht wurde somit in einem ersten Schritt bewiesen. Die nächste, ähnlich ambitionierte Projektphase hat bereits begonnen: Mit dem im Januar 2016 gestarteten Projekt SUN-to-LIQUID wollen die Partner die industrielle Produktion von solarem Kerosin vorantreiben. Dabei ist das Ziel, die gesamte Prozesskette, die in SOLAR-JET im Labormaßstab demonstriert wurde, erstmals im Feld zu erproben und den Ertrag um mindestens einen Faktor 30 zu steigern. Das Projekt soll weit über den jetzigen 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 ist das Projekt angelegt und wird von der EU Kommission unter dem EU-Förderprogramm für Forschung und Innovation Horizon 2020 gefördert.

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Sun-to-Liquid-Verfahren (StL)

Quelle: Klimaschutz-Portal.aero auf Grundlage von Air Transport Action Group (ATAG)
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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 CO2CO2Kohlenstoffdioxid ist ein farb- und geruchloses Gas, Bestandteil der Luft und Treibhausgas. Es wird u.a. bei der Verbrennung fossiler Energieträger freigesetzt. 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 CO2CO2Kohlenstoffdioxid ist ein farb- und geruchloses Gas, Bestandteil der Luft und Treibhausgas. Es wird u.a. bei der Verbrennung fossiler Energieträger freigesetzt. 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.

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Synthetischer Diesel aus Wasser, Luft und Ökostrom

Quelle: sunfire
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Die Supersonne in Jülich

In diesem Jahr wird mit Synlight eine Großforschungsanlage in Betrieb gehen, die auch dabei helfen wird, klimafreundliche alternative Flugkraftstoffe zu produzieren. Dafür werden 3.000 Grad Celsius mittels künstlicher Sonnenstrahlung 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.

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149 Strahler erzeugen 4.500 Grad Celsius

Quelle: Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR)/ Hauschild
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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. Das Forschungsprojekt läuft noch bis zum Jahr 2018. Die Power-to-Liquid-Anlage ist so kompakt, dass sie sogar in einen Schiffscontainer passt.

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SOLETAIR: kompakte Pilotanlage

Quelle: Karlsruher Institut für Technologie (KIT)
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Verfügbarkeit und Potenziale von Power-to-Liquid (PtL)

Das PtL-Produktionsverfahren bietet bereits ein hohes Maß an Technologiebereitschaft. Allerdings ist noch weitere Forschung notwendig, um PtL-Kerosin auch in großen Mengen herstellen zu können. PtL kann aus konzentrierten erneuerbaren 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-KraftstoffeDrop-in-KraftstoffeDrop-in-Kraftstoffe können ohne Veränderung mit konventionellem Kerosin gemischt werden oder dieses ersetzen. einsatzfähig und ermöglicht eine Beimischung von 50 Prozent zu herkömmlichem Kerosin für das PtL-Fischer-Tropsch-Verfahren.

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Power-to-Liquid-Verfahren (PtL)

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

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.

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Nachhaltig und wettbewerbsfähig:
Wasserverbrauch, Landnutzung und Kerosinpreis von PtL

Die Hauptkomponenten, die für die Herstellung von PtL-Kerosin benötigt werden sind Wasser, CO2CO2Kohlenstoffdioxid ist ein farb- und geruchloses Gas, Bestandteil der Luft und Treibhausgas. Es wird u.a. bei der Verbrennung fossiler Energieträger freigesetzt. und Storm. Um die Natur nicht unnötig zu belasten und gleichzeitig PtL-Kraftstoff wettbewerbsfähig herstellen zu können müssen bestimmte Kriterien beachtet werden: der Wasserverbrauch, die Landnutzung und die Strompreise.

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 UBAUBAUmweltbundesamt Bundesoberbehörde im Geschäftsbereich des Bundesumweltministeriums. 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.

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Wasserbedarf pro Liter alternativem Kraftstoff

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

Quelle: Umweltbundesamt (UBA)

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 UBAUBAUmweltbundesamt Bundesoberbehörde im Geschäftsbereich des Bundesumweltministeriums. 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.

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