Das neue Öl aus der Kläranlage: Flugtreibstoff aus städtischen Abfällen
Flugtreibstoff aus der Kläranlage: Neue Verfahren wandeln städtische Abfälle in SAF um. Wie realistisch ist der Ansatz für die Luftfahrt?
Foto: Smarterpix / tbtb
Die Luftfahrt weiß längst, wie sie einen Teil ihrer CO₂-Emissionen senken könnte: mit nachhaltigem Flugkraftstoff, kurz SAF (Sustainable Aviation Fuel). Das Problem liegt inzwischen weniger in der grundsätzlichen Technologie als bei den verfügbaren Rohstoffen. Gebrauchte Speiseöle, tierische Fette und andere heute genutzte Ausgangsstoffe reichen bei Weitem nicht aus, um den künftigen Bedarf der Branche zu decken.
Forschende suchen deshalb nach alternativen Quellen. Eine davon könnte dort liegen, wo bislang vor allem entsorgt wird: in Biotonnen, Kläranlagen und kommunalen Abfallströmen. Eine neue Studie der University of Illinois Urbana-Champaign untersucht, wie sich Lebensmittelabfälle in nachhaltigen Flugkraftstoff umwandeln lassen. Die Arbeit ist Teil eines größeren Trends. Weltweit beschäftigen sich Forschungseinrichtungen und Unternehmen zunehmend mit der Frage, ob sich städtische Abfälle künftig als Rohstoffquelle für die Luftfahrt nutzen lassen.
Inhaltsverzeichnis
- Warum die Luftfahrt neue Rohstoffe braucht
- Wie aus Lebensmittelabfällen Flugtreibstoff entsteht
- Ohne Wasserstoff geht es nicht
- Warum Kläranlagen plötzlich interessant werden
- Erste Unternehmen arbeiten bereits an der Umsetzung
- Was passiert mit den Nebenprodukten?
- Wie gut ist die Klimabilanz wirklich?
- Die größten Hürden liegen noch vor der Technologie
- Die Zulassung dauert Jahre
- Auch Abfälle werden das Kerosinproblem nicht allein lösen
Warum die Luftfahrt neue Rohstoffe braucht
Die Luftfahrt steht unter Druck. Die Branche soll ihre Treibhausgasemissionen reduzieren, gleichzeitig steigt der weltweite Flugverkehr langfristig weiter an. Elektrische Antriebe gelten für große Langstreckenflugzeuge auf absehbare Zeit als kaum praktikabel. Auch Wasserstoffflugzeuge befinden sich noch in einer frühen Entwicklungsphase.
Deshalb konzentrieren sich viele Hoffnungen auf nachhaltige Flugkraftstoffe. Diese können grundsätzlich in bestehenden Flugzeugen und mit vorhandener Infrastruktur genutzt werden. Allerdings stößt die Produktion bereits heute an Grenzen.
Der Grund ist einfach: Die verfügbaren Mengen an Altspeiseölen und tierischen Fetten reichen nicht aus, um den Bedarf der Luftfahrt dauerhaft zu decken. Die Branche sucht deshalb nach Rohstoffen, die in deutlich größeren Mengen verfügbar sind. Lebensmittelabfälle, Klärschlamm und andere organische Reststoffe erscheinen dabei besonders attraktiv. Sie fallen täglich in großen Mengen an und verursachen bislang vor allem Entsorgungskosten.
Wie aus Lebensmittelabfällen Flugtreibstoff entsteht
Die Forschenden aus Illinois setzen auf ein Verfahren namens hydrothermale Verflüssigung (HTL). Dabei werden feuchte organische Materialien unter hohen Temperaturen und hohem Druck verarbeitet. Das Verfahren nutzt Wasser als Reaktionsmedium und eignet sich deshalb besonders für nasse Biomasse, die sich nur schwer trocknen lässt.
Am Ende entsteht zunächst ein Bio-Rohöl. Dieses kann jedoch noch nicht direkt als Flugkraftstoff eingesetzt werden. Es muss anschließend durch weitere Raffinationsschritte und katalytische Verfahren aufbereitet werden. Erst dadurch entstehen Kohlenwasserstoffe, die den Anforderungen moderner Flugtriebwerke nahekommen.
Die Forschenden verfolgen dabei einen vereinfachten Ansatz. Im Vergleich zu früheren Arbeiten setzen sie weniger auf aufwendige katalytische Prozesse und stärker auf klassische Destillationsverfahren. Das soll die Herstellung wirtschaftlicher machen und den Energiebedarf senken.
Der Nachteil: Das resultierende Produkt erreicht nicht die Qualität von reinem Flugtreibstoff. Es muss daher mit konventionellem Kerosin gemischt werden. Genau das ist allerdings auch bei vielen anderen SAF-Verfahren üblich.
Ohne Wasserstoff geht es nicht
Ein Aspekt wird in der öffentlichen Diskussion häufig übersehen: Die Herstellung nachhaltiger Flugkraftstoffe benötigt Wasserstoff.
Bei der Aufbereitung des Bio-Rohöls müssen Sauerstoffverbindungen entfernt und die Kohlenwasserstoffe gezielt verändert werden. Dafür kommen Hydrierungsprozesse zum Einsatz. Die Klimabilanz des gesamten Verfahrens hängt deshalb nicht nur vom verwendeten Abfall ab, sondern auch von der Herkunft des Wasserstoffs.
Wird grüner Wasserstoff aus erneuerbaren Energien eingesetzt, verbessert sich die CO₂-Bilanz erheblich. Stammt der Wasserstoff dagegen aus fossilen Quellen, schrumpft der Klimavorteil deutlich. Die Frage nach der Herkunft des Wasserstoffs wird daher für viele künftige SAF-Projekte entscheidend sein.
Warum Kläranlagen plötzlich interessant werden
Noch spannender als Lebensmittelabfälle sind für viele Forschende die Stoffströme aus Kläranlagen.
Klärschlamm enthält große Mengen organischer Verbindungen. Dazu gehören Kohlenstoffverbindungen, Fette, Proteine und andere Biomassebestandteile. Genau diese Stoffe lassen sich grundsätzlich in Bio-Rohöl umwandeln.
Die aktuelle Studie betrachtet deshalb nicht nur die Verwertung von Lebensmittelabfällen. Sie untersucht auch, wie sich städtische Reststoffströme in eine Kreislaufwirtschaft integrieren lassen. Kläranlagen könnten künftig nicht mehr nur der Abwasserreinigung dienen. Sie könnten zusätzlich Rohstoffe für die Energie- und Kraftstoffproduktion bereitstellen.
Das wäre ein grundlegender Wandel. Viele moderne Kläranlagen erzeugen bereits heute Biogas aus Klärschlamm. Künftig könnten sie weitere Produkte liefern – von zurückgewonnenen Nährstoffen bis hin zu Ausgangsstoffen für nachhaltige Flugkraftstoffe.
Erste Unternehmen arbeiten bereits an der Umsetzung
Die Idee existiert nicht nur auf dem Papier. Das britische Unternehmen Firefly Green Fuels verfolgt bereits einen ähnlichen Ansatz. Dort dient aufbereiteter Klärschlamm als Ausgangsmaterial für nachhaltigen Flugkraftstoff. Auch hier kommt die hydrothermale Verflüssigung zum Einsatz, um zunächst ein Bio-Rohöl zu erzeugen.
Anschließend wird dieses weiter aufbereitet und zu SAF verarbeitet. Das Unternehmen arbeitet mit Partnern aus der Wasserwirtschaft zusammen und strebt eine kommerzielle Produktion in den kommenden Jahren an. Fluggesellschaften beobachten solche Entwicklungen aufmerksam, weil der Bedarf an nachhaltigen Kraftstoffen kontinuierlich wächst.
Die Projekte zeigen, dass die Idee längst die reine Grundlagenforschung verlassen hat. Von einer großflächigen Nutzung ist die Technologie allerdings noch entfernt.
Was passiert mit den Nebenprodukten?
Die Forschenden aus Illinois betrachten nicht nur den eigentlichen Kraftstoff. Bei der hydrothermalen Verflüssigung entsteht eine nährstoffreiche Flüssigphase, die als HTL-Aqueous Phase bezeichnet wird. Diese Nebenprodukte enthalten verschiedene organische Verbindungen sowie Nährstoffe, die nicht einfach entsorgt werden können.
Das Team untersuchte deshalb elektrochemische Verfahren zur Rückgewinnung von Nährstoffen und anderen Wertstoffen. Ziel ist es, möglichst viele Stoffe wieder in den Kreislauf zurückzuführen.
Aus ingenieurwissenschaftlicher Sicht ist genau dieser Ansatz interessant. Statt einzelne Technologien isoliert zu betrachten, analysieren die Forschenden ein integriertes Gesamtsystem aus Abfallwirtschaft, Wasserwirtschaft, Chemietechnik und Kraftstoffproduktion.
Wie gut ist die Klimabilanz wirklich?
Ein wichtiger Teil der Studie war die Analyse der Treibhausgasemissionen. Die Forschenden verglichen verschiedene Szenarien. Dabei berücksichtigten sie nicht nur die Kraftstoffproduktion selbst, sondern auch die Behandlung der Nebenprodukte und die Rückgewinnung von Nährstoffen.
In ihren Modellrechnungen kommen sie zu dem Ergebnis, dass bestimmte Prozessvarianten eine sehr günstige Klimabilanz erreichen könnten. Teilweise ergeben sich sogar rechnerisch negative Emissionen.
Solche Ergebnisse sollten allerdings vorsichtig interpretiert werden. Sie hängen stark von den zugrunde gelegten Annahmen ab. Dazu gehören etwa die Herkunft des Wasserstoffs, der Energieeinsatz der Anlagen und die Frage, wie die Abfälle alternativ behandelt würden.
Ob sich diese Werte im industriellen Maßstab tatsächlich erreichen lassen, müssen spätere Demonstrations- und Großanlagen erst zeigen.
Die größten Hürden liegen noch vor der Technologie
Trotz vielversprechender Ergebnisse stehen die Entwickler vor mehreren Herausforderungen. Eine davon ist die Logistik. Lebensmittelabfälle müssen gesammelt, sortiert und transportiert werden. Auch die Zusammensetzung von Klärschlamm schwankt je nach Herkunft und Aufbereitung erheblich.
Hinzu kommen wirtschaftliche Fragen. Die aktuelle Studie zeigt selbst, dass bestimmte Aufbereitungsschritte die Produktionskosten deutlich erhöhen können. Die Forschenden gehen davon aus, dass technische Verbesserungen diese Kosten künftig senken werden. Ob das gelingt, muss die Praxis zeigen.
Die Zulassung dauert Jahre
Ein weiterer wichtiger Punkt ist die Zertifizierung. Jeder neue Flugkraftstoff muss umfangreiche Prüfungen durchlaufen, bevor er in Verkehrsflugzeugen eingesetzt werden darf. Maßgeblich sind dabei unter anderem die Standards der ASTM International. Die Anforderungen sind hoch, denn Flugtreibstoff muss unter sehr unterschiedlichen Bedingungen zuverlässig funktionieren.
Der Weg vom erfolgreichen Laborversuch bis zur kommerziellen Nutzung kann deshalb viele Jahre dauern.
Auch Abfälle werden das Kerosinproblem nicht allein lösen
Selbst wenn sich Verfahren auf Basis von Lebensmittelabfällen und Klärschlamm durchsetzen, werden sie den weltweiten Bedarf an Flugkraftstoff voraussichtlich nicht vollständig decken können.
Die Luftfahrt verbraucht jährlich hunderte Milliarden Liter Treibstoff. Abfallbasierte Verfahren könnten einen wichtigen Beitrag leisten, gelten jedoch eher als Teil eines breiteren SAF-Portfolios. Dazu gehören künftig vermutlich auch synthetische E-Fuels, andere Biomassequellen und möglicherweise weitere Technologien, die heute noch in der Entwicklung sind.
Ein Beitrag von:
