Suche nach Kerosin-Ersatz Flug ins Grüne – Projekt zu umweltfreundlicheren Flugzeug-Treibstoffen

Ohne schlechtes Klima-Gewissen in den Urlaub fliegen. Dafür würde es helfen, wenn statt des erdölbasierten Kerosins umweltfreundlichere Treibstoffe in den Tank kommen. Dieses Ziel verfolgt ein neu gestartetes Projekt der Empa und des Paul-Scherrer-Instituts (PSI). Die Forscher suchen dabei nach Methoden und Katalysatoren, um synthetisches Kerosin aus erneuerbaren Rohstoffquellen herzustellen.

Villigen/Schweiz, Zürich/Schweiz – Eine Mobilität ohne fossile Treibstoffe – auch im Flugverkehr: Zu diesem Ziel will die Initiative „Syn Fuels“ von Empa und PSI beitragen. In den kommenden drei Jahren werden die beiden Schweizer Forschungsinstitute zusammen nach Wegen suchen, um Kohlendioxid (CO₂) und Wasserstoff (H₂) zu längerkettigen Molekülen zu verknüpfen und so synthetische Treibstoffe zu produzieren. Dass sich diese Treibstoffe auch für ein Flugzeugtriebwerk eignen sollen, sei ein ehrgeiziges, aber lohnendes Ziel, sagt Thomas J. Schmidt, Leiter des Forschungsbereichs Energie und Umwelt am PSI. „Flugzeugtreibstoffe sind die Treibstoffe mit der höchsten Qualität. Wenn wir es schaffen, sie aus erneuerbaren Ressourcen herzustellen, dann können wir auch alle anderen Kraftstoffe synthetisieren“, erklärt Schmidt.

An Kerosin führt im Flugverkehr auf absehbare Zeit kein Weg vorbei. Das Gemisch aus fossilen Rohstoffquellen besteht aus Kohlenwasserstoffen mit spezifizierten chemischen und physikalischen Eigenschaften, die für die Ökonomie und Sicherheit des Flugbetriebes unbedingt einzuhalten sind. Ein synthetischer Treibstoff, der das erdölbasierte Kerosin ablösen kann, muss dieselben Eigenschaften aufweisen. „Ein Syntheseprozess, der solche Treibstoffe aus erneuerbaren Ressourcen herstellt, ist daher sehr gefragt“, sagt Brigitte Buchmann, Leiterin der Abteilung „Mobilität, Energie und Umwelt“ an der Empa.

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Über viele Schritte zum Ziel

Ausgangsstoffe für den zu entwickelnden Herstellungsprozess sind Kohlendioxid und Wasserstoff. Das CO₂ kommt dabei aus verschiedenen Quellen, etwa aus Biomasse, direkt aus der Umgebungsluft oder aus industriellen Produktionsprozessen wie der Zementherstellung. Der benötigte Wasserstoff wiederum entsteht mithilfe von erneuerbarem Strom aus Wasser.

Die Synthese des flüssigen Treibstoffs erfolgt nicht in einem einzigen Schritt, sondern über ein oder mehrere Zwischenprodukte wie Methan, Kohlenstoffmonoxid, Methanol, Ethylen oder Dimethylether. Im Laufe der Initiative wollen die Forscher die Vorzüge und Herausforderungen dieser verschiedenen Produktionswege ermitteln. Besonderes Augenmerk legen sie dabei auf eine bessere Selektivität bei der Synthese der Zwischen- und Endprodukte. Wichtiger Teil des Projekts sind zudem Analysen dazu, wie hoch der ökologische Fußabdruck der hergestellten Treibstoffe ist, welchen Beitrag diese zur Treibhausgasreduktion in der Schweiz leisten können und wie wirtschaftlich ihre Herstellung ist.

Kohlenwasserstoffe aus nachhaltigen Quellen

„Die Produktion von flüssigen Treibstoffen ist eine natürliche Ergänzung zu dem, was wir am PSI schon länger erforschen: die Synthese von erneuerbarem Methan“, sagt PSI-Forschungsleiter Schmidt. Das Gas mit der chemischen Summenformel CH₄ ist der einfachste Kohlenwasserstoff, den man aus Kohlendioxid und Wasserstoff herstellen kann.

Auch die Empa beschäftigt sich mit der Herstellung von Treibstoffen aus erneuerbarer Energie. Im Mobilitätsdemonstrator „Move“ entstand etwa die erste Wasserstofftankstelle in der Schweiz. Außerdem wird die Anlage zurzeit um ein neues Methanisierungsverfahren erweitert. „Die Kooperation unserer beiden Institutionen erlaubt es uns, mehr Gewicht auf flüssige Kohlenwasserstoffe zu legen“, sagt Empa-Forscherin Buchmann. „Diese sind für eine Mobilität ohne fossile Treibstoffe unerlässlich – insbesondere in der Luft oder auf dem Wasser.“

Gesucht: das ideale Katalysator-System

Schlüssel zum Erfolg des Projekts sind neue und verbesserte Katalysatoren. An der Empa sowie am PSI werden unterschiedliche Katalysatoren und Verfahren untersucht, die die schrittweise Umwandlung von CO₂ und Wasserstoff zu flüssigen Kohlenwasserstoffen auf molekularer Ebene ermöglichen. Dabei kommen die Katalysatoren sowohl in chemischen also auch elektrochemischen Prozessen zum Einsatz.

Ein wichtiges Hilfsmittel auf dem Weg zu „grünen“ Flugzeugtreibstoffen wird die Synchrotron Lichtquelle Schweiz (SLS) am PSI sein. „Mit Messungen an der SLS werden wir die Katalysatoren und die mit ihnen durchgeführten Reaktionen genau charakterisieren, um herauszufinden, welche die besten Ergebnisse liefern“, sagt Schmidt. So wollen die Forscher Einblicke in die Reaktionsmechanismen gewinnen und beispielsweise untersuchen, wie sich die Katalysatoren während des Einsatzes verändern und wie die Veränderungen das Produktspektrum beeinflussen.

* B. Osterath,, Paul-Scherrer-Institut (PSI), Villigen/Schweiz

* *S. Kälin, EMPA Eidgenössische Material- Prüfungs-, und Forschungsanstalt, 8600 Dübendorf/Schweiz

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