Weg vom erdölbasierten Kerosin

Alternative Flugzeugtreibstoffe

01.02.2016
Lange galt erdölbasiertes Kerosin als alternativlos zum Antrieb von Flugzeugen. Doch Forscher arbeiten mit Hochdruck an der Entwicklung alternativer und sauberer Flugzeugtreibstoffe. Zwei spannende Ansätze sind zum einen solares Kerosin aus CO2, Wasser und Sonnenlicht, zum anderen Kerosin aus Algen. In nicht ferner Zukunft sollen Flugzeuge damit abheben.

Kerosinproduktion mit Sonnenenergie

Es klingt phantastisch, doch den Nachweis, dass die Methode funktioniert, haben Forscher bereits erbracht: mit der Kraft der Sonne lassen sich Flugzeuge antreiben. Das Solar-Jet-Konsortium, das seit Jahren an dieser Methode arbeitet, wurde anläßlich einer Fachkonferenz von Aireg e.V., der Biokraftstoffinitiative der deutschen Luftfahrt, am Flughafen München mit em Aireg-Award für innovative Energietechnologien im Luftverkehr ausgezeichnet.

Die Kraft der Sonne

Statt auf Photosynthese setzen die Wissenschaftler von Solar-Jet bei der Produktion ihres alternativen Treibstoffs auf direkte thermische Energie. In einem Solarreaktor werden CO2 und Wasser mittels konzentriertem Sonnenlicht zu einem sogenannten Synthesegas umgewandelt. Anschließend wird dieses Gas, eine Mischung aus Wasserstoff und Kohlenmonoxid, mit Hilfe des bereits am Markt etablierten Fischer-Tropsch-Verfahrens in Kerosin transformiert.

Den Nachweis, dass diese Methode funktioniert, haben die Forscher im Labor bereits erbringen können. In Spanien soll nun eine neue Anlage gebaut werden, um solares Kerosin in größeren Mengen zu produzieren. Bis zu einer kommerziellen Nutzung könnten aber noch etwa 15 Jahre Entwicklungsarbeit nötig sein, schätzt der Projektleiter von Solar-Jet Dr. Andreas Sitzmann. Der solare Kraftstoff soll dann als "drop-in-fähiger" Kraftstoff ohne Umrüstung in jedem Flugzeug das herkömmliche Kerosin ersetzen können.

Aireg-Konferenz zeichnet Forscher aus

Parallel zur Eröffnung des Klimagipfels 2015 in Paris fand am Flughafen München eine Fachkonferenz von Aireg e.V., der Biokraftstoffinitiative der deutschen Luftfahrt, statt. Erstmals wurde dabei der Aireg-Award für innovative Energietechnologien im Luftverkehr verliehen. Preisträger war das Solar-Jet Konsortium für seine bahnbrechende Entdeckung der Methode, wie aus CO2, Wasser und Sonnenenergie "solares Kerosin" hergestellt werden kann.

Video: So wird solares Kerosin hergestellt

Erfahren Sie, wie der der chemische Prozess bei der Umwandlung im Solarreaktor funktioniert.

Algen zum Abheben

Ein weiterer Forschungsansatz beschäftigt sich mit Algen und macht sich eine besondere Eigenschaft dieser Pflanzen zunutze: sie gehören zu den fettreichsten Organismen überhaupt. Pro Hektar ist der Fettanteil bei Algen etwa 30 mal höher als bei Landpflanzen wie Raps. Bei der Treibstoffproduktion haben es die Wissenschaftler genau auf das Fett abgesehen. Aus Algen erzeugtes Kerosin bietet sogar eine um zehn Prozent bessere Verbrennungsleistung als erdölbasiertes Kerosin.

Algentechnikum in Ottbrunn bei München

Sobald es dämmert in Ottobrunn, funkelt der Glasbau wie ein Smaragd inmitten der sonst eher grauen Architektur des Ludwig-Bölkow-Campus. Mehrere Pflanzenbecken und knapp 200.000 LED-Lampen lassen das Labor grün aufleuchten. Tatsächlich sind die Algen, die hier untersucht werden, echte Schmuckstücke. Sie enthalten so viel Energie, dass Experten sie bereits als grünen Nachfolger des schwarzen Goldes handeln.

Wenn Professor Thomas Brück (TU München) möchte, fühlt es sich an seinem Arbeitsplatz an wie im spanischen Almeria – oder wie in der Atacamawüste in Chile. In dem im Oktober 2015 eröffneten, 1.500 Quadratmeter großen Algentechnikum lässt sich praktisch jedes Klima simulieren. Verantwortlich dafür ist die größte Hochleistungs-LED-Anlage der Welt. Im Zusammenspiel mit einer Hightech-Klimaanlage und einem Lichtfühler auf dem Glasdach, der die Intensität der natürlichen Sonneneinstrahlung misst, können Lichtleistung, Temperatur und Luftfeuchtigkeit beliebig angepasst werden.

Ehrgeiziges Projekt "AlgenFlugKraft"

Die Adressaten dieses weltweit einzigartigen Forschungsaufbaus schwimmen in kaskadenförmigen Bassins vor sich hin und sind mit dem bloßen Auge nur als grünliche Schlammschicht erkennbar: Mikroalgen. Sie sind es, die sich in LED-bestrahlten Wasserbecken fühlen sollen wie in Chile, Spanien oder Australien. »Wir wollen herausfinden, welche Algenart unter welchen klimatischen Bedingungen am besten gedeiht«, erklärt Brück, der damit Grundlagenforschung für die Luftfahrt betreibt.

Denn auch wenn in dem Glasbau in Ottobrunn auf den ersten Blick wenig darauf hindeutet: Finanziell unterstützt von Airbus und dem Freistaat Bayern tüfteln Brück und sein Team im Rahmen des Projekts »AlgenFlugKraft« an einem Biotreibstoff, der petroleumbasiertes Kerosin überflüssig machen soll. Mit der Alge setzen sie dabei auf eine Pflanze, die anderen Gewächsen in verschiedener Hinsicht weit überlegen ist: »Algen konkurrieren weder mit der Nahrungsmittelproduktion noch mit Landnutzung und wachsen etwa zehnmal schneller als Landpflanzen wie Mais«, erklärt Brück, während er Proben einer Sorte namens Picochlorum entnimmt. »Vor allem aber gehören sie zu den fettreichsten Organismen überhaupt.«

10 Prozent bessere Leistung

Diese Eigenschaft ist von entscheidender Bedeutung, weil Fett der Energieträger ist, aus dem am Ende Treibstoff wird (siehe Grafik unten). Pro Hektar ist der Fettanteil bei Algen etwa 30 mal höher als bei Landpflanzen wie Raps. Außerdem spricht die biochemische Beschaffenheit für Kerosin aus Algen. Während etwa Rapsöl bei Minus 40 Grad fest wird und Bioethanol zu wenig Energie enthält, um ein Flugzeug anzutreiben, erfüllt Algenkerosin alle Vorgaben für sogenanntes Drop-in-Fuel: Es lässt sich ohne weitere Veränderung oder Zusätze als Flugzeugkraftstoff verwenden.

Damit gleicht es nicht nur chemisch dem heutigen erdölbasierten Kerosin, sondern bietet laut ersten Tests auch eine um zehn Prozent bessere Verbrennungsleistung. »Bis 2050 lassen sich nach unseren Berechnungen 400.000 Tonnen Kerosin pro Jahr mit Algen herstellen«, sagt Brück. Ehe das Algenkerosin jedoch breitflächig eingesetzt werden kann, müssen die Verfahren zur Kraftstofferzeugung zum einen deutlich günstiger werden, als sie es heute wären. Zum anderen sind für Algenanbau und Umwandlung Standorte in aller Welt nötig, um den Treibstoff ökologisch sinnvoll einzusetzen: »Für einen Flug von Rio de Janeiro nach München und zurück braucht man dann zunächst Biokerosin aus Brasilien und auf dem Rückweg Biokerosin aus Europa«, erklärt Brück.

Erste Kraftwerke ab 2030

Professor Brücks Forschung berücksichtigt beide Herausforderungen: Im Algentechnikum lässt sich nämlich nicht nur erproben, welche Algenarten etwa in Südamerika, auf dem Balkan oder in Australien gedeihen. Bislang werden überhaupt erst zehn Arten für industrielle Zwecke genutzt, in Ottobrunn erforscht man aktuell zehn weitere. 75 Algenstämme, die Brück und sein Team in aller Welt isoliert haben, befinden sich noch in der Pipeline. »Natürlich hoffen wir darauf, irgendwann eine Superalge zu entdecken, die 90 Prozent Fett enthält und extrem schnell wächst«, sagt der Wissenschaftler.

Möglich wäre das – wenngleich die Suche dauern kann: Insgesamt kommen in der Natur rund 150.000 Algenarten vor. Nicht alle eignen sich gleich gut für die Kerosinproduktion. Die Forscher der TU konzentrieren sich auf Mikroalgen aus extrem salzhaltigen Gewässern. Sie lassen sich ohne wertvolles Süßwasser in offenen Becken kultivieren, deren salziger Inhalt für schädliche Bakterien unattraktiv ist. Hinzu kommt, dass das aus Reststoffen gewonnene CO2, mit dem das Algenwachstum beschleunigt wird, sich in Salzwasser besser hält. Ab 2030, hofft Brück, könnten die ersten Kraftwerke Algenkerosin produzieren und die CO2-Emissionen in der Luftfahrt um 30 bis 40 Prozent reduzieren.

Der Prozess der Produktion von Algen-Kerosin

1. Algentechnikum (nicht in der Grafik dargestellt)
Hier untersucht Professor Brück, in welchem Klima welche Algen wie viel Energie liefern.

2. Salzwasser
Weil Schädlinge darin wenig Chancen haben, gedeihen die Algen optimal in sehr salzigem Wasser (6 % Salzgehalt, doppelt so viel wie Meerwasser).

3. Massenzüchtung
Warme Gebiete etwa in Spanien oder Australien eignen sich am besten für den späteren Groß-Anbau der Kerosinalgen.

4. Kohlenstoffdioxid
CO2 beschleunigt das Algenwachstum.

5. Extraktion
Öl und Biomasse werden aus der Alge gepresst und getrennt.

6. Transformation
Die Biomasse wird in biothermischen Verfahren zu Biogas.

7. Konvertierung
Mittels thermochemischer Prozesse unter Nutzung des Biogases wird Algenöl zu Kerosin.

8. Biokerosin
Das zu 100 % erneuerbare Endprodukt entspricht chemisch dem heutigen Kerosin.