Forscher vom Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt arbeiten daran, Flugzeug-Treibstoff klimaschonend zu produzieren. Sie setzen dabei auf Seltene-Erden-Metalle und Solartürme.
. Eines der großen Sorgenkinder bei den Maßnahmen gegen den Klimawandel ist der Luftverkehr: Rund sechs Millionen Barrel oder knapp eine Milliarde Liter Kerosin verbrennen weltweit in den Turbinen der Jets. Und das an jedem Tag. Jedes Jahr sind das rund 350 Milliarden Liter, die derzeit nahezu ausschließlich aus Erdöl hergestellt werden und die daher das Weltklima mit Kohlendioxid anheizen. Und während die Energiewende bei der Produktion von Strom und Heizenergie, im Verkehr auf der Straße oder auf dem Wasser zumindest eingeläutet ist, scheint für die nächsten Jahrzehnte zumindest für die praktisch alternativlosen Langstreckenflüge kein Ersatz für Kerosin in Sicht zu sein.
Hohe Temperaturen werden für chemische Reaktion benötigt
Christian Sattler vom Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) in Köln und seine Kollegen haben daher triftige Gründe, Kerosin nachhaltig aus konzentriertem Sonnenlicht, Kohlendioxid und Wasser herzustellen. Das klappt zwar bisher nur im Liter-Bereich. „In zehn bis 15 Jahren aber scheinen Anlagen im Industrie-Maßstab möglich, die täglich vielleicht 300 000 Liter Kerosin nachhaltig herstellen können“, ist Christian Sattler überzeugt.
Zwar lässt sich Kerosin bereits schon nachhaltig zum Beispiel aus Pflanzen produzieren, nur gibt es einfach nicht genug Fläche für den Anbau dieser Gewächse. Die Fluggesellschaft Air New Zealand hat zum Beispiel bereits vor zehn Jahren ausgerechnet, dass zehn Prozent der Fläche Neuseelands nötig wären, um nur das Bio-Kerosin für den Inlandsflugverkehr herzustellen. Praxistauglich ist der Flugzeug-Treibstoff vom Acker damit wohl kaum.
Darüber hinaus gibt es auch die Möglichkeit, mit überschüssigem Strom aus Solar- und Windkraftanlagen Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff zu spalten und den Wasserstoff dann mit Kohlendioxid zu Kerosin und anderen flüssigen Treibstoffen zu verarbeiten.
Normale Sonnenstrahlen reichen jedoch bei Weitem nicht, um Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff zu spalten. „Wir benötigen dafür hohe Temperaturen und eine chemische Reaktion“, erklärt Christian Sattler. Dabei können die DLR-Forscher allerdings auf altbewährte Methoden zurückgreifen. So kennen Chemiker einige hundert Reaktionen, bei denen Metalle oder anderen Elemente, wie zum Beispiel Schwefel, Sauerstoff aufnehmen. Im von der Europäischen Union und der Schweiz gemeinsam geförderten Projekt SUN-to-LIQUID verwenden Forscher vom DLR, von der Eidgenössisch-Technischen Hochschule (ETH) in Zürich und von einer Reihe weiterer Institutionen dazu das Seltene-Erden-Metall Cer. In einem zweistufigen Prozess entzieht der Cer-Katalysator bei sehr hohen Temperaturen dem Wasserdampf und dem Kohlendioxid der Luft jeweils ein Sauerstoffatom. Übrig bleibt ein sehr reaktionsfähiges Gemisch aus Kohlenmonoxid und Wasserstoffgas. Diese Mischung nennen Chemiker Synthese-Gas: Daraus kann man mittels dem bereits in den 1920er-Jahren entwickelten und seither im Industriemaßstab eingesetzten „Fischer-Tropsch-Verfahren“ flüssige Treibstoffe wie Kerosin und Benzin herstellen. Diesen Prozess verwenden die DLR- und ETH-Forscher mit einigen Anpassungen, um damit aus Synthese-Gas Kerosin herzustellen. Gemeinsam mit weiteren Partnern wurde eigens dafür in Móstoles südwestlich der spanischen Hauptstadt Madrid eine Versuchsanlage errichtet.
Das mit reichlich zusätzlichem Sauerstoff beladene, feste Ceroxid heizen die Forscher weiter bis auf rund 1500 Grad Celsius auf. Dabei gibt es Sauerstoff ab, der als wertvoller Grundstoff für verschiedene Prozesse weiter verwendet werden kann. Danach kann das Ceroxid weiteres Synthese-Gas produzieren. Die dafür benötigten hohen Temperaturen erzeugen die Forscher in sogenannten „Solartürmen“, um die große Felder mit Spiegeln angeordnet sind, die das auftreffende Sonnenlicht genau auf den Reaktor fokussieren, der in diesem Turm eingebaut ist. Die Technik dieser Solartürme haben DLR-Forscher seit den 1980er-Jahren maßgeblich entwickelt, heute liefern solche Anlagen in Spanien bereits große Mengen Sonnenstrom.
Wirtschaftlich betreiben lassen sich Solartürme am besten in den Trockengebieten der Erde, in denen der Himmel die meiste Zeit wolkenlos ist. In der Nähe von Mitteleuropa bieten sich dafür der Süden Spaniens oder die Wüstengebiete Nordafrikas und auch der Arabischen Halbinsel an. In Ländern wie Marokko, in denen bereits Solar- und Windkraftanlagen im großen Maßstab Strom für den Eigenbedarf, aber auch für den Export produzieren, könnte in Zukunft also in solchen Solartürmen Kerosin für die Luftfahrt hergestellt werden. Aber auch andere Trockengebiete zum Beispiel in Zentralasien, im Süden Afrikas, in Australien und in Nord- und Südamerika eignen sich dafür. Und das muss keineswegs nur in den Tropen passieren, auch in der kanadischen Provinz Alberta gibt es in den „Badlands“ genannten Trockengebieten bereits ein solches Solar-Kraftwerk. Um den heutigen Kerosin-Durst der Luftfahrt zu stillen, müsste man nicht einmal ein Prozent der geeigneten Trockengebiete weltweit mit solchen Anlagen bebauen, haben Experten vom „Bauhaus Luftfahrt e. V.“ ausgerechnet. Dieser Verein wurde gemeinsam von Bayern und großen Luftfahrtunternehmen wie Airbus und MTU 2005 gegründet und beschäftigt sich seither mit der Zukunft der Mobilität und vor allem der Luftfahrt.
Meerwasser und Kohlendioxid sind die Zutaten
Als Zutaten für das so gewonnene nachhaltige Kerosin benötigen die Forscher reines Wasser. „Dazu kann man Meerwasser oder auch verschmutztes Wasser nehmen, das mit der Abwärme aus der Anlage gereinigt wird“, erklärt DLR-Forscher Christian Sattler. Die zweite Zutat ist Kohlendioxid, das aus der Luft gewonnen werden soll. Das ist bisher zwar relativ aufwändig. Aber Forscher am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) entwickeln gerade große Anlagen, die diesen Prozess erheblich günstiger machen. In zehn Jahren könnte man mithilfe dieser Prozesse in einer Anlage, die mit 38 Quadratkilometern die Fläche einer Kleinstadt bedeckt, täglich rund 300 000 Liter Kerosin herstellen. 2,23 Euro könnte der Liter Kerosin aus solchen Anlagen nach einer Studie des Bauhaus Luftfahrt e. V. kosten. Unter sehr günstigen Bedingungen ließen sich die Kosten sogar auf 1,28 Euro pro Liter senken. Und wenn der als Nebenprodukt entstehende Sauerstoff verkauft werden kann, wären weitere Kostensenkungen möglich. Da Kerosin aus Erdöl derzeit rund 60 Cent pro Liter kostet und die Treibstoffkosten nur einen kleineren Teil der Flugkosten ausmachen, dürften die Ticket-Preise bei einer Umstellung auf nachhaltiges Kerosin aus Solartürmen daher nur moderat steigen.
„Außerdem entwickeln wir das Verfahren ja weiter“, erklärt DLR-Forscher Christian Sattler. Anstelle von Ceroxid könnte man für die chemische Reaktion zum Entfernen des Sauerstoffs aus Wasser und Kohlendioxid auch andere Materialien wie Perowskit-Mineralien, die Metalle und Sauerstoff enthalten und erheblich preiswerter sind. „Besonders interessant könnten Schwefeloxide sein, die ohnehin beim Gewinnen von Metallen aus Erzen anfallen“, überlegt Christian Sattler. Flugzeuge können daher auch in Zukunft mit Kerosin fliegen. Nur dass der Sprit aus den Solartürmen dann das Klima erheblich weniger in Mitleidenschaft ziehen dürfte.
Von Roland Knauer