Luftfahrt 11. Jan 2023 Von Iestyn Hartbrich

Sustainable Aviation Fuels: Mit diesem Kraftstoff wollen Lufthansa und Co. in Zukunft fliegen

Die europäischen Airlines müssen bis 2050 klimaneutral sein. Synthetisches Kerosin soll dabei helfen. Doch ausgerechnet der Kohlenstoff droht unterwegs auszugehen.

Der Großteil des heute getankten SAF wird auf der HEFA-Route zum Beispiel aus Altspeiseölen produziert.
Foto: Neste

Auf einer Wiese im Rheinland sind unzählige Spiegel aufgereiht und recken ihre reflektierenden Oberflächen zum Himmel – wie etwas zu groß geratene Klapptische. Aber das hier ist kein Picknick, hier soll synthetischer Flugkraftstoff hergestellt werden. Und dafür muss das Sonnenlicht eingefangen werden. Genau das machen die Spiegel.

Vom linken Rand des 1500 m² großen Areals geht an diesem blassen Herbstmorgen ein Surren durch die Reihen; Spiegel um Spiegel ruckelt in Position, bis schließlich ein jeder sein Licht auf den gleichen Punkt wirft. Das fokussierte Sonnenlicht trifft auf eine kreisrunde Aushöhlung hoch oben in einem Turm, der das Spiegelfeld überragt. Im Innern wandelt sich das Licht in Wärme, mit deren Hilfe aus Kohlenstoffdioxid Kerosin produziert wird.

Das Spiegelfeld und der Solarturm stehen in Jülich und gehören dem Deutschen Zentrum für Luft und Raumfahrt (DLR), genutzt werden sie von der Firma Synhelion. Zurzeit forscht das schweizerische Unternehmen dort noch. Aber es will in Jülich künftig auch mit einer eigenen Anlage solaren Kraftstoff herstellen und ab 2023 unter anderem an die Fluggesellschaft Swiss liefern.

Das Unternehmen Synhelion nutzt in Jülich konzentriertes Sonnenlicht, um nicht-fossiles Flugbenzin aus CO2 herzustellen. Die Solartürme gehören dem Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR). Ab 2023 will Synhelion in einer eigenen Anlage Flugbenzin herstellen.
Foto: Synhelion

Run auf nicht-fossilen Kohlenstoff: Experte erwartet Engpässe

Mit Technologien wie dieser wollen die Airlines ihre CO2-Emissionen senken. Sustainable Aviation Fuels (SAF, Flugkraftstoffe aus nicht-fossilen Quellen) sind das Kernstück einer erdölfreien Luftfahrt. Mit anderen Worten: Ohne SAF gehen die Rechnungen, die Lufthansa, Swiss und Co. zu Netto-Null-Emissionen anstellen, allesamt nicht auf.

Ausgerechnet Kohlenstoff könnte dabei knapp werden. Denn wenn die Klimagasminderungsziele eingehalten werden sollen, reicht es nicht, wenn nur die Luftfahrtindustrie nicht-fossile Kohlenstoffquellen erschließt. Anderen Branchen steht Ähnliches bevor, zum Beispiel der Chemie- und der Pharmaindustrie. „Wir müssen der Tatsache ins Auge sehen, dass nicht-fossiler Kohlenstoff in den kommenden Jahren eine umkämpfte und knappe Ressource werden wird“, sagt Martin Kaltschmitt, Leiter des Instituts für Umwelttechnik und Energiewirtschaft an der TU Hamburg-Harburg (TUHH).

Welche Alternativen gibt es zum Erdöl?

Wenn die C-Atome nicht aus Erdöl, Gas und Kohle stammen dürfen, bleiben nur zwei Alternativen. Eine davon ist Biomasse, die vor allem beim Hochlauf der SAF-Produktion eine große Rolle spielen dürfte. Allerdings ist Biomasse begrenzt. „Die benötigten Mengen für 2050 werden wir mit biogenen Ursprungsmaterialien allein nicht erfüllen können“, sagt Jan Pechstein, der bei der Lufthansa Group das Emissionsmanagement und den Bereich Sustainable Aviation Fuels leitet.

Die Alternative zur Biomasse ist das CO2 aus der Luft. Per Direct Air Capture soll das Kohlendioxid unter Einsatz elektrischer Energie direkt aus der Luft abgeschieden werden. Hier ist für viele in der Branche nicht nur die Frage, wie das funktionieren kann, sondern ob.

Spiel mit Wahrscheinlichkeiten: Kommentar zu SAF

Für alle SAF-Produktionsrouten gilt ausnahmslos: Entweder sind die Rohstoffe begrenzt, oder die Technologie ist nicht ausgereift. In vielen Fällen trifft beides zu.

Wie Sustainable Aviation Fuels heute eingesetzt werden

Stand heute spielen SAF im Luftverkehr kaum eine Rolle. Der finnische Neste-Konzern, nach eigenen Angaben Weltmarktführer, gibt seine installierte Kapazität mit 100 000 t pro Jahr an, die Lufthansa tankt jährlich einen fünfstelligen Tonnenbetrag. Zum Vergleich: Im Jahr 2021 entfielen allein auf die in Deutschland gestarteten Flüge 6,4 Mio. t Kerosin.

Nahezu das gesamte bislang getankte SAF geht auf die sogenannte HEFA-Technologie zurück (Hydroprocessed Esters and Fatty Acids). Fettreiche Biomasse – oder in den Worten Pechsteins „Pflanzenöle mit Vornutzung in einer Fritteuse“ – wird in konventionellen Erdölraffinerien zu Bio-Kerosin verarbeitet. Mit demselben Verfahren – und anderen Rohstoffen wie der Rapspflanze – produzieren Unternehmen wie Neste auch Biodiesel (HVO) für den Straßenverkehr.

Der große Vorteil der HEFA-Route: Die Prozesstechnik existiert bereits – im Gegensatz zu nahezu allen weiteren Routen. SAF-Produzenten bauen deshalb aktuell ihre Raffineriekapazitäten aus.

Altspeiseöl in Erdölraffinerien: Die HEFA-Route

Beispiel Neste: Zusätzlich zu den 100 000 t SAF hat das Unternehmen im Jahr 2022 3,2 Mio. t. Biodiesel hergestellt. 2023 sollen es 1,5 Mio. t SAF und weitere 4 Mio. t Biokraftstoffe sein. 2026 will Neste in Rotterdam eine zusätzliche Raffinerie in Betrieb nehmen und dadurch seine SAF-Produktion auf jährlich 2,2 Mio. t steigern.

Das österreichische Energieunternehmen OMV will bis 2030 seine SAF-Kapazität auf 700 000 t pro Jahr erhöhen. Als Produktionsstätten sind neben Schwechat am Flughafen Wien auch Burghausen (Bayern) und die OMV-Petrom-Raffinerie in Rumänien (Petrobrazi) vorgesehen.

Allerdings ist der Markt für Altspeiseöle stark eingeschränkt. Laut Neste fallen pro Jahr weltweit nicht mehr als 40 Mio. t dieser Rohstoffe an. „Langfristig kann die HEFA-Route 10 % des Kraftstoffbedarfs decken“, sagt Jonathan Wood, Vice President Renewable Aviation bei Neste.

Die Raffinerien stehen deshalb im Wettbewerb um die Rohstoffe. Beispiel TotalEnergies: Der französische Konzern teilte im September mit, er habe sich die nötigen Rohstoffe gesichert, um ab 2025 jährlich 210 000 t SAF herstellen zu können. OMV hat bereits für 80 % des 2030 benötigten biogenen Materials Versorgungspläne hinterlegt. Noch versuchen die SAF-Hersteller, den Bedarf aus regionalen Quellen abzudecken. 2030 ist ein rein regionaler Bezug aber nicht mehr möglich, heißt es in der Branche.

Die Alternativen: Alcohol-to-Jet und Biomass-to-Liquid

Andere biomassebasierte Prozessrouten nutzen andere Rohstoffe. Alcohol-to-Jet zum Beispiel. Hier werden Zuckerbausteine aus Pflanzen wie Zuckerrübe und Mais herausgelöst und fermentiert, wobei Alkohol entsteht, der zu SAF verarbeitet werden kann. In den USA und in Brasilien ist das Verfahren verbreitet, in Europa gilt diese Rohstoffbasis wegen der Konkurrenz zur Nahrungsmittelproduktion als ausgeschlossen – selbst wenn es Anlagendesigns für die industrielle Produktion gäbe.

Biomassebasierte Routen für die SAF-Produktion gibt es viele. Die Grafik umreißt die bestehenden Verfahren (HEFA, Alcohol-to-Jet) und das Biomass-to-Liquid-Verfahren. Alle drei Routen nutzen jeweils andere Rohstoffe als Kohlenstoffquelle. Als wahrscheinlich gilt auch die Kombination aus BtL-Route (für die Kohlenstoffbereitstellung) und Power-to-Liquid (für den Wasserstoff).

Eine dritte Rohstoffkategorie bildet die lignozellulosehaltige Biomasse: Nebenprodukte und Abfälle aus Land- und Forstwirtschaft. Neben Stroh fallen darunter auch Energiepflanzen wie Weide, Pappel und Miscanthus. Diese würden im Biomass-to-Liquid-Verfahren (BtL) vergast. Die dabei entstehenden Gase, Kohlenstoffmonoxid und Wasserstoff, bilden die Grundbausteine für das Fischer-Tropsch-Verfahren, mit dem Kohlenwasserstoffe synthetisiert werden können.

Die Rohstoffe für diese Route sind weniger stark limitiert als Mais und Speiseöl. Allerdings ist das Verfahren technisch anspruchsvoll. Immer wieder hat es zum Beispiel vergebliche Versuche gegeben, die Gasaufbereitung in den Griff zu bekommen.

Sowohl auf der Alcohol-to-Jet- wie auch auf der BtL-Route fehlen Lieferketten für die Biomasse und entscheidende technische Prozesse im industriellen Maßstab. Für ausnahmslos alle biomassebasierten Verfahren gilt: Die Verfügbarkeit der Rohstoffe ist begrenzt.

Wie sieht die Power-to-Liquid-Route aus?

Es liegt nahe, die Kohlenstoffquelle ins Visier zu nehmen, die am wenigsten limitiert erscheint: die Luft. Das Direct Air Capture (DAC) ist Bestandteil der Power-to-Liquid-Route (PtL, strombasierte Kraftstoffproduktion) und basiert auf der Annahme, dass künftig große Mengen regenerativ erzeugten Stroms zur Verfügung stehen.

Die reine Lehre für Power-to-Liquid sieht in etwa so aus: Im Sonnengürtel der Erde, zum Beispiel in der Sahara, entstehen gigantische Solarkraftwerke, deren Strom vor Ort in Elektrolyseuren genutzt wird. Dabei wird entsalztes Meerwasser aufgespalten und Wasserstoff produziert.

Power-to-Liquid beinhaltet zwei stromintensive Prozesse: Im Elektrolyseur wird erstens aus Wasser H2 gewonnen, zweitens wird per Direct Air Capture aus der Luft CO2 abgeschieden. Daraus entstehen die Ausgangsstoffe für die SAF-Produktion per Fischer-Tropsch-Synthese.

Im DAC-Prozess wird parallel in noch flächen- und stromintensiveren Anlagen CO2 aus der Luft abgeschieden und zu CO prozessiert – zum Beispiel mit dem Verfahren, das Synhelion in Jülich nutzt. Je nach Szenario entsteht dann vor Ort aus dem CO und dem elektrolytisch gewonnenen Wasserstoff ein transportfähiges Vorprodukt für die SAF-Produktion (z. B. ein Fischer-Tropsch-Crude, Ammoniak oder Methanol) oder sogar der fertige Kraftstoff.

Konkurrenzfähigkeit zu biobasiertem Kraftstoff: Knackpunkt Direct Air Capture

Für viele in der Luftfahrt – und in der Bundesregierung – ist die DAC-Technologie ein Traum. Thermodynamisch ist sie eher ein Albtraum. Aufwendig, ineffizient, teuer. Ohne staatliche Eingriffe in den Markt – zum Beispiel über Quoten – seien PtL-Kraftstoffe „nicht konkurrenzfähig gegenüber den biobasierten Kraftstoffen“, sagt Nils Bullerdiek, SAF-Experte an der TUHH.

Unter rein techno-ökonomischen Gesichtspunkten – standortpolitische und soziale Fragen also ausgeklammert – könnte die optimale PtL-Ökonomie deshalb so aussehen: Die Elektrolyseure stehen nach wie vor in Algerien. Aus Brasilien oder den USA wird überschüssiges nicht-fossiles CO2 aus Biomasse in die Nähe der Elektrolyseure verschifft. Heißt: Wasserstoff aus Mittelmeerwasser, Kohlenstoff aus brasilianischen Plantagen. Diese Kombination aus PtL- und BtL-Routen macht Sinn, solange DAC zu teuer und zu aufwendig ist. Aber das Problem der Kohlenstoffknappheit löst sie nicht.

Tricksen in der Brennkammer: DLR forscht an emissionsärmeren Luftfahrtantrieben

Die Bundesregierung spricht bislang keine Präferenz aus, wie SAF zu gewinnen ist. „Unser Anspruch ist, Deutschland zum Vorreiter des CO2-neutralen Fliegens zu machen. Im Verkehrsbereich kann der Weg dahin nur technologieoffen sein“, sagt Oliver Luksic, Parlamentarischer Staatssekretär beim Bundesverkehrsministerium.

Neste, OMV und Co.: SAF-Produzenten bauen Kapazitäten aus

Aktuell zieht die SAF-Produktion weltweit an – ausgelöst etwa durch direkte Subventionen auf den Kraftstoffpreis in den USA. Die Regierung Biden hat eine jährliche SAF-Kapazität von 9 Mio. t als Zielmarke für 2030 ausgegeben.

Das finnische Unternehmen Neste bezeichnet sich als Weltmarktführer für SAF. Das Unternehmen stellt den Kraftstoff unter anderem in dieser Raffinerie in Rotterdam her.
Foto: Neste

In der EU sollen es 3 Mio. t sein. Um die SAF-Produktion anzukurbeln, hat die EU Quoten angekündigt. Diese gelten nicht für die Airlines, sondern für die Kraftstofflieferanten an den Flughäfen: Shell, BP, TotalEnergies und OMV zum Beispiel. Ab 2025 soll der Anteil von SAF am Flugkraftstoff in der EU 2 % betragen, 5 % ab 2030 (0,7 % aus PtL-Produktion). 2050 soll die SAF-Quote zwischen 63 % und 85 % betragen.

Flankiert wird die EU-Quote durch ein Discountsystem an bestimmten Flughäfen, darunter Amsterdam Schiphol und Stockholm Arlanda. Hier wird Airlines, die SAF tanken, ein Teil der Landegebühr erlassen.

PtL-Quoten sollen strombasierte Verfahren pushen

Hinzu kommen verschiedene nationale Regeln, zum Beispiel in Norwegen, Schweden und Frankreich. Deutschland plant eine spezielle PtL-Quote: Bis 2026 sollen 0,5 % der Treibstoffmenge strombasiert hergestellt werden. 2028 beträgt der Wert 1 % und steigt 2030 auf 2 %.

International steht Deutschland in dem Ruf, strombasierte Technologien zu pushen und biomassebasierte Routen zu verschmähen. „Der Hype um PtL ist in Deutschland größer als in anderen Staaten. Ich fürchte, die 2 %-Quote für 2030 ist mit so unausgereiften Technologien kaum zu erfüllen“, kritisiert der Neste-Manager Jonathan Wood und plädiert für die Nutzung biogener Rohstoffe. „Als Kohlenstoffquelle für die SAF-Produktion werden wir die Biomasse weiter brauchen.“

Die Airlines warnen vor Regeln, die nur europäische Flüge betreffen. „Problematisch würde es, wenn wir eine Quote erfüllen und bezahlen müssen, und unsere außereuropäischen Wettbewerber nicht. Eine solche Situation erzeugt einen Wettbewerbsnachteil“, sagt der Lufthansa-Manager Jan Pechstein.

In der Branche kursiert eine Beispielrechnung: Durch das Fit-for-55-Programm, mit dem die EU den Ausstoß von Treibhausgasen bis 2030 um 55 % im Vergleich zu 1990 senken will, würden sich demnach Tickets am Frankfurter Flughafen bis 2035 um mehr als 25 % verteuern – in Istanbul hingegen nur um 4 %.

SAF sind deutlich teurer als fossiles Kerosin

Grundlage für solche Rechnungen sind die hohen SAF-Preise. Die Fluggesellschaften sind unter Druck, ihre Bedarfe abzusichern. Lufthansa etwa hat mit Shell eine Absichtserklärung über die Abnahme von 1,8 Mio. t SAF bis 2030 unterzeichnet. Im selben Zeitraum will die Airline von OMV 800 000 t beziehen. Das österreichische Unternehmen geht für Europa 2030 von einem Mangel in Höhe von gut 1 Mio. t aus. Bedeutet: Nicht-fossiler Flugkraftstoff ist knapp und könnte es bleiben.

„Derzeit liegt der Preis von Sustainable Aviation Fuel circa drei- bis viermal höher als der reguläre Kerosinpreis“, sagt Nina Marczell, die bei OMV als Vice President für das Luftfahrtgeschäft zuständig ist. Exakte Zahlen sind schwer zu finden. Die auf Exportkredite spezialisierte deutsche Bank KfW Ipex gab den Kurs im vergangenen Jahr mit 1200 $/t an – gegenüber 600 €/t für fossiles Kerosin. Insidern zufolge lag der reale Preis im Jahr 2022 eher bei 3000 €/t.

Zur Preisdifferenz tragen möglicherweise Subventionsmechanismen in Europa bei. Beispiel Niederlande: Dort gibt es eine CO2-Quote für den Straßenverkehr, die über einen Zertifikatehandel virtuell mit SAF erfüllt werden kann, auch wenn der Kraftstoff physisch an die Luftfahrt geliefert wird. Airlines bekommen den SAF in den Niederlanden also günstiger, weil querfinanziert über den Straßenverkehr. „Es sind dieselben Moleküle, aber die Umwelteigenschaften hat der Straßenverkehr gekauft. Aus meiner Sicht kann eine Airline die Emissionsminderung nicht noch einmal beanspruchen. Deshalb kaufen wir keinen Kraftstoff aus diesen Mechanismen“, sagt Pechstein.

Vielleicht ist das eine Stilblüte des Zertifikatehandels. Sicher ist es ein Vorgeschmack auf die kommenden Jahrzehnte. Jedes nicht-fossile Kohlenstoffatom ist so kostbar, dass man seine Umwelteigenschaften am liebsten doppelt nutzen möchte.

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