Flugreisen gehören zu den schwer elektrifizierbaren Verkehrssektoren. Um den CO2-Ausstoß zu reduzieren, sind nachhaltige Alternativen zu fossilem Kerosin notwendig. Eine vielversprechende Lösung bietet das Power-to-Liquid-Verfahren (PtL), bei dem synthetischer Flugkraftstoff aus CO2, Wasser und erneuerbarem Strom hergestellt wird. Forschende des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) und Partner im Kopernikus-Projekt P2X haben nun einen wichtigen Durchbruch erzielt: Die großtechnische Kopplung der innovativen Co-Elektrolyse mit der Kraftstoffsynthese steigert die Effizienz des Verfahrens erheblich.
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Wie funktioniert die Co-Elektrolyse?
Die Herstellung von synthetischem Kerosin erfolgt in mehreren Schritten. Zunächst wird Synthesegas, eine Mischung aus Wasserstoff und Kohlenstoffmonoxid, benötigt. Üblicherweise entstehen diese Gase in getrennten Prozessen. Die neue Co-Elektrolyse-Technologie vereinfacht diesen Schritt erheblich.
„Das Besondere an der Co-Elektrolyse ist, dass sie Wasserdampf und CO2 in einem einzigen Schritt elektrochemisch und hocheffizient direkt in Synthesegas umwandelt“, erklärt Hubertus Richter, Senior Engineer bei Sunfire. „Bis zu 85 % der aufgewendeten elektrischen Energie finden sich als chemische Energie im Synthesegas wieder.“
Zusätzlich zeigte die Kopplung mit der Kraftstoffsynthese, dass die Co-Elektrolyse-Anlage zuverlässig arbeitet und kontinuierlich Synthesegas in der erforderlichen Qualität liefert. Die sonst notwendige separate Wasserstofferzeugung entfällt, wodurch das gesamte Verfahren deutlich effizienter wird.
Effizientere Prozesskette durch intelligente Kopplung
Um die Co-Elektrolyse nahtlos mit der Kraftstoffproduktion zu verbinden, integrierten die Forschenden einen Hochdruckkompressor mit Sicherheitsvorrichtungen. Damit wird das Synthesegas auf das erforderliche Reaktionsniveau gebracht. Anschließend erfolgt die Umwandlung in langkettige Kohlenwasserstoffe mittels Fischer-Tropsch-Synthese.
Diese Technologie wird am KIT erforscht und von der Ausgründung INERATEC kommerzialisiert. Die entstehenden Kohlenwasserstoffe – auch Syncrude genannt – lassen sich direkt zu Kerosin oder anderen chemischen Produkten weiterverarbeiten.
Ein weiteres Optimierungspotenzial liegt in der Nutzung der bei der Synthese entstehenden Wärme. In zukünftigen Anlagen soll diese Wärme als Dampf in die Co-Elektrolyse zurückgeführt werden. Dadurch würde der Energiebedarf des Gesamtprozesses weiter sinken und die Effizienz weiter steigen.
Skalierung: Der nächste Schritt zur industriellen Nutzung
Im Kampagnenbetrieb testeten Forschende die Technologie bereits erfolgreich. Dabei wurden täglich bis zu 100 Liter Syncrude produziert. Die aktuelle Anlage wird nun auf eine Kapazität von bis zu 300 Litern pro Tag erweitert.
Parallel entsteht im Industriepark Höchst bei Frankfurt eine größere Produktionsanlage. „Dort wird erstmals eine Produktion im Tonnenmaßstab realisiert werden“, erklärt Roland Dittmeyer vom KIT. Das synthetische Kerosin wird anschließend in Triebwerkstests auf seine Eignung geprüft. Begleitende Untersuchungen stellen sicher, dass es den strengen Normen der Luftfahrt entspricht.
Kopernikus-Projekt P2X: Gemeinsam für CO2-neutrale Kraftstoffe
Das Kopernikus-Projekt P2X vereint Industriepartner, Forschungseinrichtungen und zivilgesellschaftliche Organisationen mit dem Ziel, klimaneutrale Kraftstoffe herzustellen. Neben dem KIT sind Unternehmen wie Sunfire, Climeworks und INERATEC beteiligt. Gefördert wird das Vorhaben vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF).
Das „Power-to-Fuel“-Konzept ermöglicht die Produktion synthetischer Kraftstoffe aus CO2 und erneuerbarer Energie. Diese sogenannten E-Fuels bieten eine nachhaltige Alternative zu fossilen Brennstoffen und könnten eine Schlüsselrolle in der klimafreundlichen Luftfahrt spielen.
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