Wie synthetisches Kerosin aus erneuerbaren Quellen den Übergang zu emissionsfreiem Fliegen ermöglichen könnte
Diese Alternative zu Flugturbinenkraftstoffen aus fossilen Rohstoffen mag weit hergeholt erscheinen. Dennoch wurde dieses Konzept im Rahmen des EU-finanzierten Projekts KEROGREEN experimentell und teilweise in großem Maßstab bestätigt. „Wenn wir erneuerbare Energie und CO2 aus der Atmosphäre verwenden, erhalten wir einen geschlossenen Kohlenstoffkreislauf für die Herstellung von kohlenwasserstoffbasierten Kraftstoffen. Dadurch können wir die bestehende Infrastruktur für die Lagerung und Verteilung – und insbesondere dieselbe Flugzeugtriebwerkstechnologie – weiterhin verwenden“, erklärt Projektkoordinator Adelbert Goede. Synthetische Düsentreibstoffe wie Kerosin, die direkt in den heutigen Flugzeugtriebwerken verwendet werden können, lassen sich aus Synthesegas – einem Gemisch aus Kohlenmonoxid (CO) und Wasserstoff – herstellen. Das Ziel von KEROGREEN war jedoch die Herstellung einer grünen, CO2-neutralen Form von Synthesegas, die keine zusätzlichen CO2-Emissionen verursacht. „Dieses Problem wurde angegangen, indem Wasser und Luft (CO2) in Brennstoffe mit hoher Energiedichte umgewandelt werden, und dieser Prozess mit erneuerbarem Strom betrieben wird“, betont Goede.
Ein unkonventioneller Weg zur Umwandlung von CO2 in Kraftstoff
Die Idee, CO2 aus der Atmosphäre zu entnehmen und in Kraftstoff umzuwandeln, ist nicht kompliziert. Unter Plasmabedingungen wird CO2 effizient in CO und Sauerstoff (O2) aufgespalten, was den energieintensivsten Schritt des Prozesses darstellt. In Mischung mit Wasser wird über die bekannte Wassergas-Shift-Reaktion Synthesegas gebildet und anschließend über die bekannte Fischer-Tropsch-Synthese in flüssige Kohlenwasserstoffe (Kerosin) umgewandelt. Hochtemperatur-Elektrolyse und Plasmolyse werden häufig für die CO2-Konvertierung verwendet. Beide Methoden haben jedoch Vor- und Nachteile, wenn sie getrennt voneinander eingesetzt werden. Die Hochtemperatur-Elektrolyse ist beispielsweise sehr energieeffizient. Sie trennt CO und O2 direkt, ist aber auf die Verwendung von knappen Elektrodenmaterialien angewiesen, die sich mit der Zeit abbauen. Im Gegensatz dazu verwendet die Plasmolyse reichhaltigere Elektrodenmaterialien, schaltet sich sofort ein und aus und reagiert gut auf die intermittierende Natur des aus erneuerbaren Energiequellen gewonnenen Stroms. Allerdings ist hier ein zusätzlicher Schritt erforderlich, um O2 von CO und CO2 zu trennen. KEROGREEN bietet einen nachhaltigen Weg zur CO-Produktion, indem es diese beiden Methoden kombiniert. Bei diesem gekoppelten Verfahren wird das CO2-Plasmolyse-Gasgemisch einer Festoxid-Elektrolyseurzelle (SOEC) zugeführt, um die Produktgase zu separieren. O2 wird auf eine Seite der Festoxid-Elektrolyseurzelle geleitet, wo es abgespaltet wird. Es verbleiben CO und CO2, die zur Synthese von Flüssigbrennstoff in eine chemische Anlage transportiert werden. Die Ergebnisse zeigen, dass der Produktstrom des gekoppelten Plasma-Elektrolyse-Prozesses 91 % weniger O2 und 138 % mehr CO enthält als bei der Plasmolyse allein. Darüber hinaus zeugen Haltbarkeitstests (~100 h) von einer besseren Stabilität des Perowskit-Elektrodenmaterials für den gekoppelten Prozess – im Vergleich zur alleinigen Nutzung der CO2-Elektrolyse. Die Energiedichte spielt eine wichtige Rolle bei der Bestimmung der Flugreichweite. „Nachhaltige Kraftstoffe mit hoher Energiedichte sind für Langstreckenflüge unverzichtbar. Wir erachten das synthetische Kerosin, das mit Hilfe erneuerbarer Energien aus Wasser und CO2 hergestellt wird, als eine bessere Alternative für den Antrieb künftiger Flugzeuge. Wasserstoff allein (selbst in flüssiger Form) ist zu voluminös, und die Batterien bringen zu viel Gewicht in die Flugzeuge“, bemerkt Goede. Synthetisches grünes Kerosin emittiert außerdem keinen Schwefel und weniger Ruß und minimiert gleichzeitig die Stickoxidemissionen.
Ideal für dezentrale Systeme, die sich auf erneuerbare Energien stützen
„Die innovative Technologie von KEROGREEN, die in einen Schiffscontainer passt, ist modular und skalierbar und eignet sich gut für kleine dezentrale Produktionsanlagen in abgelegenen Gebieten, zum Beispiel für einen Offshore-Windpark oder einen Solarpark in der Wüste“, so Goede. Alle Schritte der CO2-Umwandlung über den Plasma-Elektrolyse-Prozess wurden bei Technologie-Reifegrad 3 demonstriert. In einem Folgeprojekt werden die Forschenden daran arbeiten, den O2-Separator weiter zu vergrößern.
Schlüsselbegriffe
KEROGREEN, CO2, Kohlenmonoxid, Synthesegas, synthetisches Kerosin, Langstreckenflug, SOEC, Festoxid-Elektrolyseurzelle
