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Synthetische Treibstoffe : Fliegen mit „grünem“ Kerosin

Gründer synthetischer Kraftstoff wird in Flaschen abgefüllt. Der Treibstoff wird klimaneutral in einer Anlage am Karlsruher Institut für Technologie aus Kohlendioxid und Wasserstoff, gewonnen. Das Kohlendioxid entstammt der Luft. Der Wasserstoff wird mit Hilfe der Elektrolyse von Wasser hergestellt. Den Strom liefern Solarzellen. Bild: dpa

Kohlendioxid klimaneutral in Kraftstoffe umzuwandeln, ist schwierig und teuer, aber nicht unmöglich. Wie man dank effizienter und günstiger Katalysatoren das Treibhausgas zur Herstellung von Kerosin noch besser nutzen kann, zeigen jetzt britische Forscher.

          3 Min.

          Synthetische Kraftstoffe stehen hoch im Kurs. Sie gelten neben der Elektrifizierung des Straßenverkehrs als Hoffnungsträger, um den Ausstoß von Kohlendioxid (CO₂) vor allem im Schwerlastverkehr sowie in der Schiff- und der Luftfahrt in den kommenden Jahrzehnten drastisch zu reduzieren, wie es die europäischen Klimaziele erfordern. Die Treibstoffe – Benzin, Diesel und Kerosin – sollen dazu nicht mehr aus Erdöl-Raffinerien stammen, sondern in großem Maßstab möglichst klimaneutral aus Wasserstoff und Kohlendioxid hergestellt werden. Idealerweise würde man Kohlendioxid den Abgasen fossiler Kraftwerke entnehmen oder direkt aus der Luft filtern. Der Strom für die Reaktionen könnte aus erneuerbaren Quellen stammen.

          Manfred Lindinger
          Redakteur im Ressort „Natur und Wissenschaft“.

          Zur Produktion der synthetischen Treibstoffe greift man auf ein Verfahren zurück, das man seit rund hundert Jahren kennt – die Fischer-Tropsch-Synthese. Dabei werden aus dem Synthesegas – einer Mischung aus Kohlenmonoxid und Wasserstoff – gasförmige und flüssige Kohlenwasserstoffe erzeugt. Das Verfahren hatten einst die beiden Chemiker Franz Fischer und Hans Tropsch am Kaiser-Wilhelm-Institut für Kohlenforschung in Mülheim an der Ruhr entwickelt. Weil man als Rohstoff auch Kohlendioxid nutzen kann, erlebt das Verfahren im Zuge der angestrebten Energiewende und Klimaneutralität bis zur Jahrhundertmitte eine Renaissance.

          Trotz aller Fortschritte bereitet nach wie vor die Verwertung des Kohlendioxids große Schwierigkeiten. Das dreiatomige Gas ist äußerst stabil und daher reaktionsträge. Nur mit großer Hitze, hohem Druck und effizienten Katalysatoren lässt es sich in einem Reaktor zum reaktionsfreudigen Kohlenmonoxid reduzieren. Als Reaktionsbeschleuniger kommen nach wie vor hauptsächlich Platin, Ruthenium oder Iridium und andere seltene Metalle zum Einsatz. Die Materialien verändern sich während der Reaktion kaum und halten die Menge an unerwünschten Nebenprodukten gering. Doch diese Katalysatoren sind teuer, ihre Vorkommen rar.

          Gute Note für synthetisches Kerosin

          Dass man auf teure Katalysatoren ganz verzichten und mit einem deutlich günstigeren Reaktionsbeschleuniger ebenfalls vergleichsweise hohe Ausbeuten erzielen kann, haben jetzt britische Chemiker von der University of Oxford demonstriert. Peter Edwards und seine Kollegen nutzen ein Gemisch aus Eisen, Mangan und Kaliumpartikeln, um synthetisches Kerosin und leichte Kohlenwasserstoffe wie Ethen, Propen und Buten herzustellen. Letztere sind Schlüsselverbindungen für die chemische Industrie.

          Weltweit erste integrierte Power-to-Liquid (PtL) Versuchsanlage zur Synthese von flüssigen Kraftstoffen aus dem Kohlendioxid der Luft in Karlsruhe.
          Weltweit erste integrierte Power-to-Liquid (PtL) Versuchsanlage zur Synthese von flüssigen Kraftstoffen aus dem Kohlendioxid der Luft in Karlsruhe. : Bild: Patrick Langer, KIT

          Wie Edwards und seine Kollegen in den „Nature Communications“ berichten, können sie mit dem Verfahren, das ebenfalls auf der Fischer-Tropsch-Synthese basiert, innerhalb von zwanzig Stunden durch Hydrierung rund 40 Prozent des Kohlendioxids in synthetisches Kerosin umwandeln, und das in einem Schritt. Der Treibstoff müsse nicht weiterverarbeitet werden, sondern könne direkt verwendet werden. Unerwünschtes Kohlenmonoxid und Methan fielen nur in geringen Mengen an. Die Umsetzung läuft bei etwa 350 Grad ab und verbraucht damit nicht mehr Energie als der klassische Fischer-Tropsch-Ansatz.

          Noch funktioniert das Verfahren nur im Labormaßstab. Edwards und seine Kollegen denken aber schon an eine praktische Anwendung. In einem Flugzeug könne das Kohlendioxid, das bei der Verbrennung des synthetischen Kerosins entsteht, abgeschieden und wiederverwendet werden, um neuen Treibstoff zu erzeugen. Dadurch ließe sich ein emissionsarmer Kreislauf verwirklichen, so die Forscher.

          Dieser Ansatz dürfte bei der Luftverkehrswirtschaft auf Interesse stoßen. In der vergangenen Woche verkündete der Bundesverband der deutschen Luftverkehrswirtschaft einen Masterplan, wie man im Flugverkehr, der für rund drei Prozent der globalen Emissionen verantwortlich ist, Klimaneutralität erreichen könne. Dabei spielen neben Energieeinsparungen an Flughäfen, synthetisch hergestellte Treibstoffe eine zentrale Rolle. Einen genauen Zeitplan für die Ziele will man Anfang 2021 präsentieren.

          In einigen aktuellen Pilotprojekten, etwa dem Kopernikus-Projekt „P2X“ am Karlsruher Institut für Technologie (KIT), werden synthetische Kraftstoffe testweise bereits klimaneutral in größeren Mengen produziert. Am KIT wird CO₂ aus der Umgebungsluft gefiltert, der Wasserstoff stammt aus der Elektrolyse. Den Strom liefert eine Photovoltaikanlage. Seit gut einem Jahr ist die Anlage in Betrieb und erzeugt rund zehn Liter synthetischen Kraftstoff pro Tag. Eine erweiterte Anlage mit einer täglichen Kapazität von 200 Litern ist in der Entwicklungsphase.

          Freuen dürften sich  die Befürworter des synthetischen Kerosins über die Untersuchungsergebnisse  von Forschern des Instituts für Verbrennungstechnik des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt. Danach ist der künstlich hergestellte  Kraftstoff aus Karlsruhe nicht nur klimafreundlich und erfüllt die gesetzlich vorgeschriebenen Verbrennungseigenschaften, sondern setzt zudem noch 30- bis 100-mal weniger Schadstoffe frei als herkömmliches Kerosin. So enthält das synthetische Kerosin keine nennenswerten Mengen an aromatischen Kohlenwasserstoffen, die bei herkömmlichem Kerosin einen Großteil der Rußbildung verursachen.

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