Flugzeuge mit Pflanzenantrieb sind möglicherweise keine Illusion
EU-Forscher erkunden Wege, die Verfügbarkeit von umweltfreundlichen Flugkraftstoffen zu erhöhen, indem sie verstärkt auf landwirtschaftliche Ressourcen setzen.
Professor David Chiaramonti blickt auf den Boden, um ein Problem am Himmel zu lösen: die Emissionen von Kohlendioxid (CO2) und anderen Schadstoffen durch Flugzeuge.
Als Experte für Energiesysteme und Energieerzeugung an der Polytechnischen Universität Turin in Italien möchte Chiaramonti ungenutzte, marginale und degradierte Landflächen zur Produktion sauberer Kraftstoffe für Flugzeuge einsetzen.
Ölhaltige Pflanzen
Die Treibstoffe würden aus ölhaltigen Pflanzen wie Camelina sativa gewonnen, die in Europa und Zentralasien beheimatet sind, und Kerosin ersetzen, einen fossilen Brennstoff, der traditionell Flugzeuge antreibt. Kerosin verschärft den Klimawandel, indem es CO2 und Stickoxide in die Atmosphäre abgibt.
Chiaramonti leitete ein mit EU-Mitteln gefördertes Forschungsprojekt, um die Versorgung mit der einzigen derzeit verfügbaren Art von nachhaltigem Flugkraftstoff zu verbessern: wasserstoffverarbeitete Ester und Fettsäuren, die unter dem Namen HEFA bekannt sind. Das Projekt namens BIO4A wurde Mitte 2023 nach fünf Jahren abgeschlossen.
HEFA ist ein Biokraftstoff, der hauptsächlich aus gebrauchtem Speiseöl und tierischen Fetten aus der Fleischproduktion hergestellt wird – Quellen, die bestenfalls 2 % des Kraftstoffbedarfs der Luftfahrt decken können. Chiaramonti ist der Ansicht, dass Leindotter, der auch als falscher Lein bekannt ist und unter anderem in Italien und Spanien wächst, dazu beitragen kann, diesen Engpass zu überwinden, ohne den Anbau von Nahrungsmitteln zu beeinträchtigen.
„Wir haben uns auf sehr arme Böden konzentriert – auf Flächen, die sehr trocken und dürr sind und für die Nahrungsmittelproduktion verloren sind, aber wiederhergestellt werden könnten“, sagt er. So bietet Leindotter die Aussicht, die Gesamtmenge an HEFA zu erhöhen und der Bodendegradation entgegenzuwirken, die in vielen Ländern, insbesondere im Mittelmeerraum, durch den Klimawandel und die intensive Landwirtschaft verursacht wird.
„Das größte Problem bei nachhaltigen Flugkraftstoffen heute ist die Beschaffung nachhaltiger Lipide“, sagt Chiaramonti, der auch Präsident einer italienischen Forschungsorganisation für erneuerbare Energien namens RE-CORD ist. „Wir haben untersucht, wie man nachhaltige Fette auf marginalen, degradierten Flächen produzieren kann.“
Himmelhohe Emissionen
Die globalen CO2-Emissionen der Luftfahrtindustrie sind in den letzten Jahrzehnten schneller angestiegen als die des Straßen-, Schienen- und Schiffsverkehrs. Der Luftverkehr ist heute für 2 bis 3 % der weltweiten CO2-Emissionen verantwortlich.
Hinzu kommt, dass im Gegensatz zum Straßen- und Schienenverkehr die Elektrizität in der Luftfahrt generell noch keine Rolle spielt, da Batterietechnologien derzeit nur leichte Flugzeuge wie Drohnen antreiben können.
Damit rücken nachhaltige Flugkraftstoffe, auch SAF genannt, noch stärker in den Fokus. Im Oktober 2023 verabschiedeten die Regierungen der EU-Mitgliedstaaten ein Gesetz, das die Anbieter von Flugkraftstoffen in Europa verpflichtet, einen SAF-Marktanteil von mindestens 2 % im Jahr 2025, 6 % im Jahr 2030 und 70 % im Jahr 2050 zu gewährleisten.
Das Gesetz ist Teil eines umfangreichen europäischen Gesetzespakets, das das Ziel der EU untermauert, die Treibhausgasemissionen bis 2030 um 55 % gegenüber dem Stand von 1990 zu senken. Das Ziel von 55 % ist ehrgeiziger als ein früherer Plan der EU, die Emissionen in diesem Zeitraum um 40 % zu senken.
Traditioneller Erfolg
HEFA hat eine ähnliche chemische Struktur wie fossile Brennstoffe, was die Aufgabe erleichtert, es für Flugzeugtriebwerke geeignet zu machen. Schon während der Erprobung ungenutzter Flächen zur Herstellung von HEFA aus Leindotter entwickelten die BIO4A-Forscher traditionelle Produktionsmethoden weiter.
Im Rahmen des Projekts wurde eine Raffinerie eingesetzt, die HEFA aus Altspeiseöl und tierischen Fetten aus der Fleischproduktion in industriellem Maßstab herstellt. Dieser Schwerpunkt erklärt die Beteiligung von zwei großen europäischen Ölgesellschaften an dem Projekt: Total in Frankreich und Eni mit Sitz in Italien. „Wir haben 1.000 Tonnen HEFA aus Restöl hergestellt, was bisher die größte Menge war, die in Europa im Rahmen des EU-Forschungsprogramms industriell hergestellt wurde“, so Chiaramonti.
Fruchtfolge
Zurück auf den ungenutzten Flächen wollte das Team zeigen, dass die Herstellung von HEFA aus Pflanzen wie Leindotter möglich ist, während gleichzeitig der Anbau von Nahrungs- und Futtermitteln unterstützt wird.
Die Idee basiert auf der Verwendung von Kompost und Biokohle, die aus pflanzlicher und tierischer Biomasse hergestellt wird, die Bodenqualität verbessert und zu Kohlenstoffneutralität oder sogar -negativität beiträgt.
Die Forscher glauben, dass der Anbau von Energiepflanzen den Landwirten helfen könnte, die Qualität von Grenzertragsböden zu verbessern, damit die Produktion von Biotreibstoffen und Lebensmitteln nebeneinander existieren können, anstatt miteinander zu konkurrieren.
Chiaramonti zufolge könnten die Energiemärkte die Landwirte dafür bezahlen, dass sie die Bodenqualität mit Kompost und Biokohle wiederherstellen. „Dann kann der Boden in einem Jahr Energiepflanzen wie Leindotter liefern und im nächsten beispielsweise Gerste anbauen“, fügt er hinzu.
Die Pflanzenreste würden kompostiert und/oder durch Erhitzen bei hohen Temperaturen in Biokohle umgewandelt und dem Boden wieder zugeführt. Dies würde nicht nur die Bodengesundheit verbessern, sondern auch Kohlenstoff binden, was den ökologischen Fußabdruck des entstehenden Flugzeugtreibstoffs weiter verringern würde.
„Wir haben gezeigt, dass Biokraftstoffe kohlenstoffnegativ sein können“, sagt Chiaramonti. „Das ist ein bahnbrechendes Ergebnis.“ Die Forscher testeten ihren Ansatz auf Flächen degradierter Böden in der Nähe der spanischen Hauptstadt Madrid und in der italienischen Region Toskana.
Sie experimentierten mit verschiedenen Methoden der Bodensanierung und bauten abwechselnd Gerste und Leindotter an, der Trockenheit besser verträgt als andere Energiepflanzen und bereits zur Herstellung von Flugzeugtreibstoff auf HEFA-Basis verwendet wurde.
Parallele Schritte
Auch wenn degradierte Böden das HEFA-Angebot erhöhen können, sind viele Forscher der Meinung, dass nachhaltige Flugzeugtreibstoffe auf jeden Fall auch aus reichhaltigeren Ressourcen wie Biomasseabfällen, die nicht reich an Ölen sind, hergestellt werden müssen.
Das ist um einiges komplizierter als die Herstellung von HEFA aus ölhaltiger Biomasse und eine Herausforderung, der sich ein anderes von der EU finanziertes Forschungsprojekt widmet. Das Projekt mit dem Namen HIGFLY hat eine Laufzeit von vier Jahren bis Ende 2024 und wird von der Technischen Universität Eindhoven in den Niederlanden geleitet.
Die Forscher untersuchen landwirtschaftliche Rückstände, Rückstände aus der Lebensmittelindustrie und bestimmte Arten von Algen: alles, was Zucker enthält, aber nicht essbar ist, so Dr. Fernanda Neira D’Angelo, die Leiterin des HIGFLY-Projekts und Expertin für Chemieingenieurwesen an der niederländischen Universität. Diese Art von Material wird als lignozellulosehaltige Biomasse bezeichnet.
Die Umwandlung von zuckerbasierten Stoffen in energiereiches Öl, mit dem Flugzeuge abheben könnten, umfasst mehrere Schritte, so D’Angelo. „Der Prozess erfordert viel mehr Energie und Verarbeitungsschritte als die Umwandlung von ölhaltiger Biomasse in HEFA-Treibstoff“, sagt sie.
Die Forscher versuchen, die Effizienz der einzelnen Schritte zu maximieren, so dass der größte Teil der Biomasse und der im Prozess verwendeten Energie im entstehenden Kraftstoff verbleibt.
Sie verarbeiten die Biomasse zu zyklischen organischen Molekülen, die Furane genannt werden, und verschmelzen sie dann zu Ölen, die weiter zu Kraftstoffen raffiniert werden können. Das Team beabsichtigt, in den nächsten Monaten erste Proben seines auf Biomasse basierenden Flugzeugtreibstoffs in Labors zu testen.
Obwohl die Ergebnisse des Projekts vielversprechend sind, wird es Jahre dauern, bis ein solcher biomassebasierter Treibstoff Flugzeuge antreiben kann, da die Zertifizierung neuer Treibstoffe und die Markteinführung neuer Technologien Zeit brauchen, so D’Angelo.
„Abhängig von den Ergebnissen, die wir in diesem Projekt erzielen, können wir mögliche Verbesserungen in der Zusammensetzung des Treibstoffs und auch die für die Kommerzialisierung erforderlichen Schritte bewerten“, erklärt sie.
Kostenfragen
Abgesehen von der Suche nach ausreichendem Material für Flugzeugtreibstoffe auf Pflanzenbasis steht ihre Entwicklung vor einer bedeutenden wirtschaftlichen Hürde: den Kosten.
Flugzeugtreibstoffe auf HEFA-Basis kosten derzeit mindestens doppelt so viel wie ihre fossilen Pendants. Und der Preis für Kraftstoffe aus Biomasseabfällen wird vielleicht dreimal so hoch sein.
Damit pflanzliche Flugzeugtreibstoffe mit fossilem Treibstoff konkurrieren können, sind laut D’Angelo politische Änderungen und mehr Investitionen in Forschung und Entwicklung erforderlich. „Wir können sie wettbewerbsfähig machen, wenn wir die entsprechenden Investitionen tätigen und die entsprechenden Vorschriften erlassen“, sagt sie.
Chiaramonti pflichtet ihr bei und meint, dass Fortschritte nur durch eine Reihe von Maßnahmen möglich sein werden, darunter regulatorische Anreize und Verbesserungen bei der Produktion und Lieferung von Rohstoffen. „Es wird keine Lösung sein, die nur aus einer einzigen Maßnahme resultiert“, schließt er erklärend ab.
von Tereza Pultarova
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Recherchen zu diesem Artikel wurden vom Horizon-Programm der EU gefördert. Die Ansichten der Befragten spiegeln nicht unbedingt die der Europäischen Kommission wider. Dieser Artikel wurde erstmals in Horizon, dem EU-Magazin für Forschung und Innovation, veröffentlicht.