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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 SUN-to-LIQUID gemeinsam mit internationalen Partnern neue thermochemische Reaktionsverfahren, um mithilfe der Sonneneinstrahlung aus atmosphärischem Kohlendioxid und Wasser synthetisches Kerosin herzustellen.

SOLAR-JET Animation

Animierte Darstellung des solarthermochemischen Produktionspfades. 

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 über die natürliche 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.

Sie nutzt die Hochtemperaturwärme konzentrierter Sonnenstrahlung, um einen chemischen Prozess zu betreiben, bei dem bei circa 1.500 Grad Celsius eine Reduktion des Materials und bei etwa 800 Grad Celsius eine Reoxidation stattfindet. In Summe ergibt sich eine Umwandlung von Wasser und Kohlendioxid in Synthesegas und Sauerstoff. Ein am 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 vor allem der solarthermochemischen Kraftstoffproduktion zurückzuführen ist. Wird das langfristige Potenzial betrachtet, zeigt sich jedoch 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 Spiegelfeldes. 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 Umwandlungswirkungsgrad und 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.

Machbarkeitsstudie erfolgreich abgeschlossen, Feldversuch unter relevanten Bedingungen gestartet

Im Frühjahr 2014 ist es in dem EU-geförderten SOLAR-JET-Projekt erstmals gelungen, „solares“ Kerosin herzustellen. Der gesamte Produktionsprozess für erneuerbaren Kraftstoff aus Sonnenlicht, Wasser und Kohlendioxid (CO2) wurde dabei im Labormaßstab erfolgreich durchlaufen. In dem ebenfalls EU-geförderten Folgeprojekt SUN-to-LIQUID wird dieser vielversprechende Ansatz derzeit von einem internationalen Konsortium unter Koordination des Bauhaus Luftfahrt zur nächsten Entwicklungsstufe gebracht. Dabei wird die Effizienz der solarthermochemischen Konversion weiter erhöht und die Prozesskette unter relevanten operationellen Bedingungen in einer Pilotanlage in Spanien zur Anwendung gebracht. Dieser Feldversuch wird wichtige Erkenntnisse im Hinblick auf die technischen, ökologischen und ökonomischen Potenziale einer zukünftigen industriellen Implementierung liefern.

  • Prinzipieller Verfahrensweg zur Herstellung „solarer“ Kraftstoffe.
    Prinzipieller Verfahrensweg zur Herstellung „solarer“ Kraftstoffe.
  • Drei verschiedene Produktionspfade für „solare“ Kraftstoffe und Betrachtungen des Wirkungsgrades.
    Drei verschiedene Produktionspfade für „solare“ Kraftstoffe und Betrachtungen des Wirkungsgrades.
  • Maßstabsgetreue Darstellung der benötigten Landfläche für eine vollständige Deckung des europäischen Kerosinbedarfes über den Biomass-to-Liquid-Pfad beziehungsweise den solarthermochemischen Sunlight-to-Liquid-Pfad.
    Maßstabsgetreue Darstellung der benötigten Landfläche für eine vollständige Deckung des europäischen Kerosinbedarfes über den Biomass-to-Liquid-Pfad beziehungsweise den solarthermochemischen Sunlight-to-Liquid-Pfad.