Power-to-Liquids – Energiewende im Luftverkehr

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Der Luftfahrtsektor hat sich ein CO2-neutrales Wachstum ab 2020 sowie eine CO2-Reduktion um 50 % bis 2050 gegenüber 2005 zum Ziel gesetzt [1]. Um dies zu erreichen, stehen derzeit zwei Optionen im Fokus: Emissionszertifikate und Biotreibstoffe. Beide Maßnahmen sind hinsichtlich ihrer direkten und indirekten Wirkungen nicht unumstritten. Erneuerbarer Strom ist mittlerweile massiv günstiger geworden und schickt sich an, die Energiebasis der Zukunft zu werden. Energie- und Umweltexperten der Ludwig-Bölkow-Systemtechnik GmbH haben mit Bauhaus Luftfahrt e. V. die Potenziale und Perspektiven von Jetfuel, das aus der Synthese von erneuerbarem Wasserstoff und CO2 hergestellt wird, analysiert [2].

Dreh- und Angelpunkt von Power-to-Liquids ist Wasserstoff. Dafür wird zunächst Wasserstoff aus Windkraft und Solarenergie erzeugt und anschließend in einer PtL-Anlage mit Kohlenstoffmonoxid bzw. -dioxid (CO, CO2) zu Kohlenwasserstoffen synthetisiert. Anschließend wird er zu normgerechten Flüssigkraftstoffen aufbereitet, die die großen Kraftstoffmengen im Luftverkehr substituieren könnten (Abb. 1).

PtL-Herstellungsverfahren

Derzeit existieren zwei Verfahren zur PtL-Herstellung, die hinsichtlich ihrer technologischen Reife bereits weit fortgeschritten sind: der Fischer-Tropsch-Pfad und der Methanol-Pfad. Hinsichtlich ihrer Energiebedarfe unterscheiden sie sich kaum voneinander. Durch die wärmetechnische Integration der Hochtemperaturelektrolyse (SOEL) und gegebenenfalls der CO2-Extraktion aus der Luft sind PtL-Herstellungswirkungsgrade von 45 bis 63 % möglich.

Mit der Hochtemperaturelektrolyse wird die Abwärme von einigen hundert °C aus der Synthese nutzbar gemacht. Dadurch kann der Strombedarf gegenüber der Niedertemperaturelektrolyse signifikant verringert werden. Der PtL-Anlagenwirkungsgrad steigt dadurch um 5 bis 14 Prozentpunkte (je nach Konzept und Reifegrad), wobei der Technologiereifegrad der Niedertemperaturelektrolyse mit 8 bis 9 (von 9) deutlich fortgeschrittener ist als der der Hochtemperaturelektrolyse (5 bis 6).

Dafür benötigte Verfahrenskomponenten sind seit Jahrzehnten großtechnisch im Einsatz (Fischer-Tropsch-Synthese, Methanol-Synthese, Aufbereitungsverfahren) beziehungsweise technisch etabliert, auch wenn sie noch nicht in größeren Produktionskapazitäten verfügbar sind (Niedertemperaturelektrolyse). Mit der PtL-Methanolherstellung von Carbon Recycling International auf Island und der PtL-Demoanlage von Sunfire in Dresden sind zudem sowohl die Systemintegration als auch die Technologieentwicklung der Hochtemperaturelektrolyse und der Luftextraktionsverfahren auf einem vielversprechenden Weg.

Als Lieferanten für den Kohlenstoff bieten sich wegen der damit verbundenen niedrigeren Energiebedarfe konzentrierte CO2-Quellen an. Die Verfügbarkeit von CO2 aus derartigen biogenen Quellen ist jedoch sowohl mengenmäßig als auch örtlich begrenzt. CO2-Extraktion aus der Luft ist die langfristig robuste Annahme für die Volumenproduktion bei hohen Anteilen von PtL im Kraftstoffsektor.

Die Fischer-Tropsch-Synthese benötigt CO als

Reaktionsedukt. Bislang sind allerdings keine großtechnischen CO2-zu-CO-Konversionsverfahren verfügbar. Ein alternativer technologischer Entwicklungsstrang wäre hier die gemeinsame Verarbeitung von Wasser und CO2 in einer Hochtemperatur-Elektrolyse zu Wasserstoff und CO. Die Methanolsynthese kann sowohl mit CO2 als auch CO als Reaktant arbeiten.

Bereits heute ist es nach ASTM-Norm von Luftfahrtkraftstoffen zulässig, dem fossilen Jetfuel bis zu 50 % energetische Fischer-Tropsch-Syntheseprodukte beizumischen. Jetfuel aus dem Methanol-Pfad ist bislang nicht zugelassen. Hierfür bedürfte es eines Demonstrationsvorhabens für Methanol-to-Jetfuel, um die notwendigen Mengen für das ASTM-Zulassungsverfahren bereitzustellen.

PtL-Nachhaltigkeitsperformance

Die Umweltvorteile von PtL aus erneuerbarem Strom, Wasser und CO2 sind im Vergleich zu anderen erneuerbaren Jetfuel-Optionen enorm: Wie die Studie ergab, liegt der Wasserbedarf von PtL-Jetfuel bei etwa 1,4 l pro Liter Jetfuel, während der Wasserbedarf der betrachteten Biokraftstoffe zwischen 500 (Algen im offenen Teich mit Wasserrezyklierung) und 20.000 l pro Liter Jetfuel (Jatropha) beträgt, also um mehrere Größenordnungen größer ist. [2] Typischerweise liegen die Wasserbedarfe von Biokraftstoffen bei mehreren Tausend Litern Wasser je Liter Kraftstoff.

Ein weiterer Aspekt pro PtL ist die Flächennutzungskonkurrenz, die grob durch drei Indikatoren beschrieben werden kann: hohe flächenspezifische Energieerträge, geringe Flächenüberdeckung und großes Potenzial an geeigneten Landflächen weltweit. Abb. 2 zeigt, dass die flächenspezifischen Energieerträge von Power-to-Liquids aus Windkraft und Photovoltaik (PV) ein Mehrfaches über den Erträgen von Biokraftstoffen liegen. D

er Flächenbedarf für Windkraft ergibt sich aus dem Abstand zwischen den Windturbinen. Allerdings ist davon weniger als 1 % tatsächlich überdeckte Fläche für Turmfundament und Zufahrtswege. Die restlichen 99 % der Fläche können weiter für andere Zwecke genutzt werden. Bei PV wurde eine Flächenbelegung von einem Drittel gewählt, die sich unter anderem durch die Abstände zwischen den aufgeständerten Modulreihen ergibt, um eine Verschattung zu vermeiden. Die in Abbildung 2 ausgewiesenen Bandbreiten ergeben sich zum Beispiel durch verschiedene Ertragsannahmen und Anlagenverfahren.

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Der Artikel gibt ausschließlich die Meinung des Autors wieder.

Autor: Patrick Schmidt, Ludwig-Bölkow-Systemtechnik GmbH (LBST), München/Ottobrunn

s. auch HY4-Erstflug, Vom Cryoplane bis zu HYCARUS

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