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"Solare" Kraftstoffe: Kerosin aus Sonnenlicht

Die begrenzte Verfügbarkeit von Anbauflächen zur Biomasseproduktion und der steigende Nahrungsmittelbedarf der Weltbevölkerung bilden wichtige Treiber zur Entwicklung mittelfristig verfügbarer Kraftstoffalternativen, die kohlenstoffneutral sind, aber dennoch nicht auf Biomasse basieren. Ein vielversprechender Weg ist die direkte Speicherung von Sonnenenergie in Form von Kraftstoffen, ohne den Umweg über den Biomasseanbau zu gehen. In diesem Zusammenhang erforscht das Bauhaus Luftfahrt im EU-Projekt SOLAR-JET gemeinsam mit internationalen Partnern neue thermochemische Reaktionsverfahren, um mit Hilfe der Sonneneinstrahlung aus atmosphärischem Kohlendioxid und Wasser synthetisches Kerosin herzustellen.


Analyse von Umwandlungsprozessen

„Solare“ Kraftstoffe können grundsätzlich auf drei verschiedene Arten hergestellt werden: elektrochemisch, photochemisch und thermochemisch. Allen drei Wegen gemein ist die Erzeugung eines solaren Synthesegases, einer Mischung aus Wasserstoff und Kohlenmonoxid, die im Weiteren durch den bekannten Fischer-Tropsch-Prozess in Kerosin umgewandelt wird. Der elektrochemische Pfad ist derzeit unter anderem durch eine zweistufige Energieumwandlung auf circa 18 Prozent Wirkungsgrad begrenzt, der photochemische bei der Photosynthese sogar auf etwa 3,5 Prozent. Die zweistufige thermochemische Umwandlung befindet sich im Forschungsstadium mit der langfristigen Perspektive eines theoretischen Wirkungsgrades von 40 Prozent.

 
Grafik 2010-07_Solare Kraftstoffe

Grafik: Prinzipieller Verfahrensweg zur Herstellung "solarer" Kraftstoffe
(Klick zum Vergrößern)

 

 

 

 

 

 

Grafik 2011-05_Solare Kraftstoffe

Grafik: Drei verschiedene Produktionspfade für "solare" Kraftstoffe sowie Betrachtungen des Wirkungsgrades (Klick zum Vergrößern)

Sie nutzt die Hochtemperaturwärme konzentrierter Sonnenstrahlung, um einen chemischen Prozess zu betreiben, bei dem bei circa 1500 Grad Celsius eine Reduktion des Materials und bei etwa 800 Grad Celsius eine Re-Oxidation stattfindet. In Summe ergibt sich eine Umwandlung von Wasser und Kohlendioxid in Synthesegas und Sauerstoff. Ein im Bauhaus Luftfahrt durchgeführter Vergleich der Wirkungsgrade des „Biomass-to-liquid“-Prozesses (BTL) mit dem thermochemischen Prozess zeigt heute in beiden Fällen niedrige Wirkungsgrade, was auf den Entwicklungsstand der Kraftstoffe zurückzuführen ist. Wird das langfristige Potenzial betrachtet, zeigt sich ein zehnmal so hoher Wirkungsgrad in der Umwandlung von Solarenergie zu Kraftstoff für den thermochemischen Prozess und damit eine vielversprechende Alternative zu Biokraftstoffen.

 

Perspektiven für eine umfangreiche Versorgung

Neben der effizienten Umwandlung von Sonnenenergie ist das Hauptargument „solarer“ Kraftstoffe ihr enormes Ressourcenpotenzial. Die Analyse des Bauhaus Luftfahrt bestätigte, dass ein kleiner Anteil der weltweiten Wüstenfläche für die Versorgung der Luftfahrt ausreichen würde. Für den solarthermochemischen Pfad ergibt sich ein moderater Wasserbedarf für Kraftstoffsynthese und Reinigung des Spiegelfelds. Selbst wenn entsalztes Meerwasser per Pipeline bezogen wird, bleibt der Einfluss auf das Energie- und Kostenbudget geringfügig.

Deutlich aufwändiger ist die Versorgung mit Kohlendioxid (CO2) zur Erzeugung „drop-in“- fähiger Kohlenwasserstoffe. In den benötigten Mengen steht CO2 nicht als Abfallprodukt zur Verfügung. Pilotanlagen zur CO2-Extraktion aus der Luft deuten auf einen signifikanten Energie- und Kostenaufwand hin, der aber kein Ausschlusskriterium darstellt. Eine Wirtschaftlichkeitsanalyse identifizierte den solaren Um wandlungswirkungsgrad sowie die Kosten einer nachhaltigen CO2-Versorgung als Schlüsselfaktoren im Wettbewerb mit fossilen und Biomassebasierten Kraftstoffen. Um die erwarteten Investitionskosten für das Spiegelfeld zu amortisieren, leitet das Bauhaus Luftfahrt für den Umwandlungswirkungsgrad einen Zielwert von etwas mehr als zehn Prozent ab, der aus thermodynamischer Sicht mit solarthermochemischen Prozessen erreichbar erscheint.

 

 Grafik 2013-09_Solare Kraftstoffe

Grafik: Maßstabsgetreue Darstellung der benötigten Landfläche für eine vollständige Deckung des europäischen Kerosinbedarfs über den Biomass-to-Liquid-Pfad beziehungsweise den Sunlight-to-Liquid-Pfad (Klick zum Vergrößern)

 

 

Erste Machbarkeitsstudie erfolgreich abgeschlossen

Im Frühjahr 2014 ist es dem SOLAR-JET-Projekt erstmals gelungen, synthetisiertes „solares“ Kerosin herzustellen. Der gesamte Produktionsprozess für erneuerbaren Kraftstoff aus Sonnenlicht, Wasser und Kohlendioxid (CO2) wurde dabei erfolgreich durchlaufen. In der nächsten Projektphase wird es das Ziel der Partner sein, den Solarreaktor weiter zu optimieren sowie technische und wirtschaftliche Potenziale einer Umsetzung im industriellen Maßstab zu untersuchen.

 Thumbnail_Solar-Jet_Animation

Video: Animierte Darstellung des solar-thermischen Produktionspfades
(Klick zum Öffnen, Weiterleitung auf www.solar-jet.aero)

 

 

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