Den Durchbruch können nur nicht-fossile Kohlenwasserstoffe bringen
Mit Sustainable Aviation Fuels lässt sich das heutige Flugaufkommen bewältigen, sagt der Triebwerksforscher Manfred Aigner, Direktor des DLR-Instituts für Verbrennungstechnik. Gespräch über Skalierungsprobleme und Tricks in der Brennkammer.
Foto: DLR
VDI nachrichten: Herr Aigner, wenn Airlines und Flugzeugbauer heute skizzieren sollen, wie sie ihre Emissionen senken wollen, sprechen sie zuvorderst von Sustainable Aviation Fuels, kurz: SAF. Ist das hochgejazzt oder gerechtfertigt?
Manfred Aigner: Ich arbeite seit 21 Jahren an SAF und habe oft gehört, der letzte Tropfen Erdöl werde im Flugzeug verbrannt. Heute ist klar, dass SAF der große Hebel sind. Wenn Klimaneutralität das Ziel ist, kann es keinen anderen Weg geben.
Warum nicht?
Das batterieelektrische Fliegen ist aufgrund der geringen Energiedichte und weiterer Einschränkungen nicht auf große Flugzeuge und lange Strecken übertragbar, das ist Spielerei. Wir können darüber philosophieren, ob ein Flugtaxi in der Stadt einen solchen Antrieb bekommt oder der Actioncopter von James Bond. Für einen Interkontinentalflug mit 100 und mehr Passagieren wird es niemals reichen. Wasserstoffdirektverbrennung und Brennstoffzelle sind besser, aber auch hier sind Langstrecken schwierig, weil sehr große und schwere Tanks benötigt würden. Drei Viertel der europäischen Luftverkehrsemissionen entstehen auf Flügen, für die Wasserstoff keine Option ist. Alles andere – neue Flügelgeometrien, das Zehntelprozent Effizienz im Triebwerk – das sind Maßnahmen, die zwar helfen werden, aber bei weitem nicht ausreichen können. Den Durchbruch können allein die nachhaltigen flüssigen Kohlenwasserstoffe bringen, also SAF.
Biobasierte SAF sind bereits erhältlich
Stichwort Klimaneutralität: Flugzeuge werden auch in Zukunft CO2 ausstoßen. Wer entscheidet, welches CO2 „zählt“, und welches nicht?
Einen starken Einfluss hat die EU, deren Regeln ich für streng halte. SAF dürfen nur mit erneuerbaren Quellen produziert werden – klar –, aber zusätzlich auch nur mit Stromquellen, die extra für die SAF-Produktion aufgebaut worden sind. Das ist die sogenannte Zusätzlichkeit. Für die biobasierten SAF gibt es bereits Firmen, die die Kraftstoffe zertifizieren und Labels vergeben, analog zu Kaffee und Schokolade.
Lässt sich das heutige Flugaufkommen vollständig mit Kerosinalternativen bewältigen?
Selbstverständlich, das geht sogar leicht.
Was macht Sie so sicher?
Die Luftfahrt verbucht auf sich nur etwa 5 % des Energieverbrauchs der gesamten Mobilität inklusive Straßenverkehr. Aber der Kraftstoff für Autos – Diesel wie auch Benzin – besteht mittlerweile zu 10 % aus biobasiertem Ethanol oder Biodiesel.
Wird es dabei bleiben, dass die Beimischungen vor allem biobasiert sind?
Bis 2030 sicherlich. Die biobasierten SAF sind zwar teurer als fossiles Kerosin, aber immerhin am Markt erhältlich. Es hat auch schon viele Flüge damit gegeben. Nach 2030 ist das Wachstum nur noch mit PtX (Power to X bezeichnet hier strombasierte SAF, d. Red.) zu bewältigen. Die Ressourcen für nachhaltige biobasierte Kraftstoffe sind dann bereits weitgehend ausgenutzt: Die Mengen werden niemals ausreichen, um das heutige Flugaufkommen damit zu bewältigen.
Strombasierte SAF mit besserer Klimawirkung
Wie unterscheiden sich die strombasierten von den biobasierten SAF?
Die strombasierten SAF sind synthetische Kohlenwasserstoffe, durch die pur synthetische Herstellung wissen wir sehr genau, welche Moleküle enthalten sind. Die Klimawirkung ist deshalb besser. Demgegenüber werden die biobasierten SAF aus natürlichen Quellen gewonnen, die alles Mögliche enthalten können.
Warum werden die synthetischen Kerosine nicht heute schon verwendet?
Diese Kraftstoffe sind in der Entwicklung noch lange nicht so weit. In ein paar Laboren und wenigen Pilotanlagen werden sie hergestellt, aber erst im Litermaßstab. Wir brauchen rund 10 Mio. t pro Jahr. Sie sehen: Es gibt da ein kleines Skalierungsproblem. Außerdem sind diese Kraftstoffe noch einmal teurer als die biobasierten. Dennoch gehört ihnen die Zukunft.
Glossar: Sustainable Aviation Fuels
Die Produktion macht nur dann Sinn, wenn der Strom aus erneuerbaren Quellen kommt. Diesen Strom allerdings wollen auch Stahlwerke, Chemiebetriebe und die Automobilindustrie haben …
Dieses Problem kommt auf uns zu. Und die Lösung liegt nicht in Deutschland. Wir haben bisher drei Viertel unserer Primärenergie eingeführt – in Form von Kohle und Erdöl – und werden das auch weiterhin tun müssen. Das Szenario dürfte sein, dass im Sonnengürtel der Erde, zum Beispiel in der Sahara, Strom produziert wird, der an Ort und Stelle genutzt wird, um per PtX transportfähige chemische Energieträger herzustellen.
Welche zum Beispiel?
Im Rennen sind Wasserstoff, synthetische Kohlenwasserstoffe wie Kerosin, oder Exoten wie das wasserstoffreiche Ammoniak.
Wenn Sie sagen „Kohlenwasserstoffe“, über welche Moleküle sprechen wir dann?
Ein Szenario besteht darin, in der Sahara einen Kraftstoff herzustellen, typischerweise mit der Summenformel C10H20. Dieser wäre dann kerosin- oder dieselartig, beide sind sich sehr ähnlich. Gegenüber der Wasserstoffproduktion hätte das einen entscheidenden Vorteil: Wasserstoffmoleküle sind klein und flüchtig; beim Handling treten Abdampfverluste auf. Welches Molekül schlussendlich produziert werden soll, ist Forschungsgegenstand. Das ist ein gigantisches mehrdimensionales Optimierungsproblem. Herstellungskosten, Verbrennungseigenschaften, Lager- und Transportverluste: Insgesamt müssen ca. 50 Parameter berücksichtigt werden.
Vom Ergebnis dieses Optimierungsproblems hängen Investitionen in Milliardenhöhe ab: in Schiffe, Hafenterminals, Kraftwerke, Verfahrenstechnik. Wer entscheidet darüber?
Ganz ehrlich: Das wüsste ich auch gern. Ich glaube, dass der Markt darüber entscheiden wird. Wir Forschenden haben in diesem Prozess die Aufgabe, die Fakten zur Verfügung zu stellen.
Sind schon Weichen gestellt?
Noch wird immer die Technologieoffenheit betont. Aber ein paar Hauptrouten kristallisieren sich heraus: zum Beispiel die Methanolroute und die Fischer-Tropsch-Route zur Synthese von Kohlenwasserstoffen. Beide Routen können synthetischen Diesel und Kerosin liefern, die Frage ist, was am Ende billiger ist. Entscheidend ist die Menge. Ich sagte vorhin, wir produzieren heute Liter. Wie aber gelingt es, in 15 Jahren Milliarden Liter zu produzieren? Über all diese Prozesse wissen wir im großindustriellen Maßstab fast nichts. Das macht auch die Kostenabschätzung so schwierig. Wer heute behauptet, die Preise der PtX-Kraftstoffe im Jahr 2035 abschätzen zu können, rät mehr als dass er weiß.
Beimischungen noch im Verhältnis 50:50
Bislang sind im Flugzeug immer nur 50:50-Beimischungen von fossilem Kerosin und SAF erlaubt. Warum?
Das hat damit zu tun, dass einige alte Flugzeugtypen bestimmte Dichtungen verwenden, die auf Erdöl maßgeschneidert worden sind. Zur Sicherheit gilt deshalb die 50:50-Regel, mit der es sich wahrscheinlich aber bald erledigt hat. Im Frühjahr haben wir gezeigt, dass ein Airbus A350 mit dem modernsten Triebwerk der Welt, dem Trent XWB, problemlos mit 100 % SAF fliegen kann.
Das DLR hat seit 2018 Flugversuche mit SAF durchgeführt und festgestellt, dass im Abgasstrahl deutlich weniger und dafür größere Rußpartikel sind. Was bedeutet das und warum ist das so?
Zwei Drittel der Klimawirkung der Luftfahrt gehen auf Nicht-CO2-Effekte zurück. Rußpartikel im Abgasstrahl sind Kondensationskeime für Wasser in der Luft und im Abgas selbst. Je weniger Rußpartikel entstehen, desto kleiner und kurzlebiger die Kondensstreifen und desto geringer die Klimawirkung. In den Flugversuchen haben wir herausgefunden, dass wir automatisch die Zahl der Rußpartikel halbieren, wenn wir synthetisches Kerosin verwenden. Das liegt auch an der hohen Zahl der Aromaten im fossilen Kraftstoff.
Was sind Aromaten?
Das sind Ringmoleküle wie das Benzol mit relativ stabilen Doppelbindungen zwischen den Kohlenstoffatomen. Ruß entsteht, wenn sich Kohlenstoff in der Brennkammer aufkonzentriert und zu wenig Sauerstoff für die weitere Verbrennung zur Verfügung hat. Aromaten neigen, weil sie so stabil sind, dazu, dem Verfall durch Hitze zu entkommen. Es braucht viel Energie, um das Molekül aufzubrechen.
DLR forscht daran, Rußpartikel zu minimieren
Wie lässt sich beeinflussen, wie viele Rußpartikel entstehen?
Wir müssen die Brennkammer so steuern, dass genügend Sauerstoff bei genügend hohen Temperaturen zur Verfügung steht, und zwar für eine genügend lange Zeit, typischerweise 1 ms. Rußpartikel benötigen im Bereich von 1 ms zum Wachsen, sie sind aber bis zu 3 ms in der Brennkammer. Ein Trick besteht also darin, Rußpartikel früh entstehen zu lassen, damit sich wenige und dafür große Rußpartikel bilden. Hinzu kommt: In der Brennkammer kommt es zur Aboxidation der Rußpartikel, sie verbrennen regelrecht, wenn Hitze und Sauerstoffversorgung zusammenkommen. Auch das spricht dafür, dass die Rußpartikel idealerweise früh entstehen.
Wie bewerkstelligen Sie das?
Die großen Stellschrauben sind der Zerstäuber, der für die Durchmischung von Treibstoff und Sauerstoff sorgt, und das Brennkammerdesign. Ich entwickle seit 40 Jahren Brennkammern. Die längste Zeit haben wir aus dem Bauch heraus entschieden, welche Geometrien Sinn ergeben und welche nicht. Inzwischen haben wir neben der Erfahrung andere mächtige Werkzeuge. Wir können mit Lasermesstechnik auf die Millionstelsekunde genau auflösen, was in der Brennkammer vor sich geht, welches Molekül wie heiß ist und wie es sich entlang des Wegs verändert. Im Kopf können wir solche komplexen Daten nicht mehr verarbeiten, aber wir können damit unsere Computermodelle füttern und sie validieren. Und jetzt kommt durch PtX die Möglichkeit hinzu, nicht nur die Verbrennung, sondern auch den Kraftstoff zu optimieren. Wir haben gelernt vorauszusagen, wie sich bestimmte Moleküle auf die Rußbildung auswirken. Dadurch, dass wir die chemische Zusammensetzung der SAF so exakt steuern können, sind wir in der Lage, die Nicht-CO2-Klimawirkung auf nahezu Null herunterzubringen. Die Physik schreibt überhaupt nicht vor, dass bei einer Verbrennung Stickoxide entstehen. Sie entstehen, weil die Brennkammern ungenügend optimiert sind. Deshalb ist Zero Emission kein Traum mehr, sondern nur noch viel Arbeit.
