22.03.2023 • Energie

Sauberer Sprit für die Luftfahrt

Pilotanlage auf dem Areal des Paul Scherrer Instituts soll nachhaltigen Flugtreibstoff erzeugen.

Das Paul Scherrer Institut (PSI) und das Schweizer Start-up Metafuels haben sich zum Ziel gesetzt, ein effizientes Verfahren zur Herstellung von kosten­günstigem synthetischem Kerosin aus nach­wachsenden Rohstoffen zu entwickeln und zu vermarkten. Aus Wasser, erneuerbarem Strom und Kohlen­dioxid aus nach­haltigen Quellen soll ein hochwertiger Treibstoff entstehen, mit dem sich bereits heutige Flugzeug­typen antreiben ließen – entweder als Beigabe zum fossilen Kerosin oder eventuell als Haupt­treibstoff. In Zusammen­arbeit mit dem Metafuels-Team haben Forscher am PSI hierfür einen katalytischen Prozess entwickelt, der nicht bloß die fossilen Ausgangs­stoffe umgeht, sondern auch eine höhere Selektivität – also das Verhältnis von Ausbeute und Umsatz – sowie eine effizientere Nutzung erneuerbarer Energien als in den bisher eingesetzten SAF-Verfahren erzielt. Mit dieser Technologie namens aerobrewTM wollen das PSI und Metafuels gemeinsam den Kohlenstoff­kreislauf schließen und das Netto-Null-Ziel auch in der Luftfahrt realisieren.

 

Abb.: Leigh Hackett (links) und Saurabh Kapoor (rechts) von Metafuels und Marco...
Abb.: Leigh Hackett (links) und Saurabh Kapoor (rechts) von Metafuels und Marco Ranocchiari vom PSI (Mitte) auf der ESI-Plattform. (Bild: M. Dzambegovic / PSI)

„Im Vergleich zum traditionellen Treibstoff hat unsere Technologie das Potenzial, den Kohlenstoff­ausstoß während des gesamten Lebenszyklus je nach Produktionsstandort um 80 bis 95 Prozent zu senken“, erklärt Saurabh Kapoor, Mitbegründer von Metafuels. Das für die Technologie benötigte Kohlendioxid stammt hierbei entweder direkt aus der Luft oder aus Non-Food-Biomasse wie beispielsweise aus Holz- oder pflanzlichen Abfällen. Mittels Elektrolyse lässt sich aus erneuerbaren Energien wie Wind- oder Photo­voltaik­kraftwerken und Wasser grüner Wasserstoff gewinnen. „Aus Wasserstoff und Kohlen­dioxid produzieren wir grünes Methanol – der Ausgangs­stoff für unser synthetisches Kerosin.“

Die Mitbegründer von Metafuels arbeiten bereits seit über einem Jahrzehnt an der Entwicklung von Strategien und Technologien für den Umstieg von fossilen Brennstoffen auf erneuerbare Energiequellen. Die drei Mitbegründer Leigh Hackett, Saurabh Kapoor und Ulrich Koss bringen sowohl fundierte wissenschaftliche und wirtschaftliche Fachkenntnisse als auch viel Erfahrung im Energiesektor mit. Sie haben bereits an komplexen Herausforderungen im Zusammenhang mit der Dekarbonisierung von Energie­systemen gearbeitet. Mit dem Flugsektor haben sie nun eine neue Heraus­forderung gefunden.

Metafuels kam mit einem fertigen Business-Plan und einem Technologiepfad ans PSI. „Könnt ihr so was machen?“, lautete die schlicht anmutende Frage. „Wir mussten natürlich zuerst ins Labor und eine Vielzahl entsprechender Experimente durchführen“, erinnert sich Marco Ranocchiari, Leiter der Versuchs­plattform Energy System Integration (ESI) am PSI. „Es hat geklappt, und wir konnten unser wissenschaftliches Modell bestätigen. Mittels einer katalytischen Reaktion konnten wir einen Prozess entwickeln, um synthetisches Kerosin aus grünem Methanol zu produzieren und dabei die Selektivität gegenüber alternativen SAF-Verfahren signifikant erhöhen.“

Metafuels und PSI gehen nun in die nächste Phase des Projekts, in der eine Pilotanlage gebaut und betrieben werden soll. Die Pilotanlage wird in Form von zwei Container­modulen auf der ESI-Plattform auf dem PSI-Campus installiert und in die bestehende Infrastruktur integriert. Damit soll die Technologie validiert werden, um sie in naher Zukunft im großen Maßstab kommerziell zu nutzen.

Auf der ESI-Plattform entwickelt und demonstriert das PSI in Zusammenarbeit mit Partnern aus der Industrie und Forschung Prozesse, die ein CO2-neutrales Energiesystem ermöglichen. Im Fokus stehen Energie­konversions­prozesse, die Biomasse energetisch nutzbar und erneuerbare Energien speicherbar machen, um diese beispielsweise eben im Flugsektor nutzen zu können.

Der Luftverkehr ist für etwa zwei bis drei Prozent der weltweiten CO2-Emissionen verantwortlich. Trotz des Bewusstseins über die Klimaauswirkung des Fliegens bleibt die Reiselust groß und es ist davon auszugehen, dass der Flugverkehr weiter anwachsen wird. Um die Ziele des Pariser Klima­abkommens zu erreichen und den Flugverkehr in den kommenden Jahren klimaneutral zu gestalten, wird intensiv an Alternativen geforscht.

Nebst synthetischem Kerosin existieren auch Alternativen wie Batterien und Wasserstoff. Lithium-Ionen-Batterien, wie sie beispielsweise in Elektro­fahrzeugen vorkommen, haben jedoch eine sehr geringe gravimetrische Energiedichte. Das heißt, sie benötigen enorm viel Masse, um die erforderliche Energie zu liefern. Für Mittel- und Lang­strecken­flüge, bei denen jedes Kilogramm zählt, fallen Batterien sprichwörtlich zu stark ins Gewicht. Zudem müsste hierfür die Logistik an Flughäfen entscheidend angepasst werden, um mehrere Flugzeuge schnell und parallel zu laden.

Wasserstoff in flüssiger Form besitzt zwar eine höhere gravimetrische Energie­dichte als traditionelles Kerosin, seine volumetrische Energie­dichte ist jedoch etwa viermal geringer. Das heißt, ein wasserstoff­betriebenes Flugzeug benötigt ein viel höheres Tankvolumen, um die erforderliche Energie zu liefern. Um dieses Problem zu umgehen, entwickelt beispielsweise Airbus eine Hybridtechnologie, welche den Wasserstoff einerseits in Gasturbinen verbrennt und ihn andererseits in Brennstoff­zellen verstromt. Dafür muss jedoch das komplette Design von Flugzeugen einschließlich dem Treibstoffsystem und dem Antrieb überarbeitet werden.

„Flüssiges synthetisches Kerosin hat den Vorteil, dass es direkt in die bestehende Flughafeninfrastruktur integriert und in konventionellen Triebwerken genutzt werden kann“, erklärt Marco Ranocchiari. „Die im Einsatz stehende Flugzeug­flotte muss somit nicht ersetzt werden und das fossile Kerosin lässt sich kontinuierlich durch synthetisches Kerosin ersetzen.“

CO2-Emissionen machen jedoch nur etwa ein Drittel bis zur Hälfte der Klima­auswirkungen des Luftverkehrs aus. Mindestens ebenso wichtig ist beispielsweise die Bildung von Kondens­streifen. Bei der Verbrennung von fossilem Kerosin stoßen Flugzeug­turbinen auch Ruß und andere Kondensations­keime aus, welche bei den kalten Temperaturen in großer Höhe sofort zu Eiskristallen gefrieren und als Kondens­streifen sichtbar werden. Unter bestimmten Bedingungen entwickeln sich daraus künstliche Wolken – sogenannte Aviatik-induzierte Zirruswolken.

Einige dieser Wolken lassen zwar das sichtbare Sonnenlicht fast ungehindert passieren, reflektieren und absorbieren jedoch die Infrarot­strahlung von der Erdoberfläche sehr effizient und so kann diese Strahlung nicht ungehindert ins Weltall entweichen. „Durch die molekulare Zusammen­setzung synthetischer Treibstoffe lässt sich der Verbrennungs­prozess beeinflussen und so beispielsweise die Entstehung von Rußpartikel deutlich reduzieren“, erklärt Marco Ranocchiari. Aktuelle Forschungs­ergebnisse deuten darauf hin, dass sich dadurch nicht bloß die Netto­erwärmung der Erde reduzieren, sondern auch die lokale Luftqualität an Flughäfen verbessern lässt.

PSI / DE

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