Bis 2050 soll die zivile Luftfahrt laut den Plänen der Europäischen Kommission klimaneutral werden, daher hat man die Initiative „ReFuelEU Aviation“ ins Leben gerufen. Um Klimaneutralität zu erreichen, braucht es nachhaltige Flugtreibstoffe, denn so schnell werden Flugzeuge nicht mit anderen Treibstoffen fliegen können, erklärt Markus Lehner. Er ist Leiter des Lehrstuhls für Verfahrenstechnik des industriellen Umweltschutzes an der Montanuniversität Leoben. „Moderne Langstreckenflugzeuge werden in absehbarer Zeit – also in den nächsten zwei bis drei Jahrzehnten – Kerosin als Treibstoff benötigen, da eine Elektrifizierung oder ein Antrieb mit grünem Wasserstoff technisch (noch) nicht möglich ist.“ Zudem nennt er weitere Herausforderungen für die Dekarbonisierung des Flugverkehrs: „Gleichzeitig steigt die Anzahl der Passagier*innen und damit der Flugzeuge und Flüge kontinuierlich, bis 2050 wird mit einer Verdreifachung gerechnet. Damit ergibt sich die Notwendigkeit, fossiles Kerosin durch synthetisches Kerosin zu ersetzen, um den Flugverkehr weitgehend zu dekarbonisieren.“
Sustainable Aviation Fuels (SAF)
Fossiles Kerosin wird aus Erdöl gewonnen und bei der Verbrennung von fossilem Kerosin wird Kohlenstoffdioxid (CO₂) freigesetzt – das trägt zum Klimawandel bei. Deshalb hat man nun an der Montanuniversität Leoben – in Kooperation mit der OMV – eine Forschungsanlage für die Entwicklung der synthetischen Treibstoffe eröffnet. Diese heißen in der Fachsprache Sustainable Aviation Fuels (SAF). Markus Lehner erklärt, was man darunter versteht: „Sustainable Aviation Fuels (SAF), auf deutsch nachhaltige Flugtreibstoffe, sind synthetisch hergestelltes Kerosin. SAF ist chemisch mit fossilem Kerosin weitgehend identisch, so dass es nach derzeitigem Stand der Technik mit bis zu 50 % fossilem Kerosin beigemischt werden kann. Die Besonderheit an SAF ist, dass der darin enthaltene Kohlenstoff aus der Atmosphäre kommt. Wenn also SAF im Flugzeugtriebwerk verbrannt wird, entsteht, genauso wie beim fossilen Kerosin, das Treibhausgas CO₂. Da es aber vorher der Atmosphäre entnommen wurde, ist die Nutzung von SAF weitgehend klimaneutral. Weitgehend klimaneutral heißt, dass eine CO₂-Reduktion von bis zu 80 % erreicht werden kann.“
Neue Forschungsanlage
Für die Bereitstellung des Kohlenstoffs in Sustainable Aviation Fuels (SAF) gibt es zwei Möglichkeiten, erklärt der Experte: „Entweder trennt man das CO₂ mit einem technischen Verfahren direkt aus Atmosphäre ab, man spricht von ‚Direct Air Capture‘. Das ist technisch möglich, derzeit aber noch energieaufwändig und teuer. Die zweite Möglichkeit ist, Biomasse-Reststoffe zu verwenden, beispielsweise Reste aus Waldbewirtschaftung, der Lebensmittelindustrie oder der Landwirtschaft.“ Mittels der neuen Forschungsanlage an der Montanuniversität Leoben will man zu beiden Optionen forschen. „An der Anlage in Leoben werden wir Prozesse entwickeln und optimieren, in welchen durch mehrstufige katalytische Umwandlung letztendlich synthetisches Kerosin, also SAF, produziert wird. Die Anlage besteht aus einer Serie von chemischen Reaktoren, in denen die einzelnen Umwandlungsschritte vom Ausgangsstoff (zum Beispiel Ethanol) zu SAF erfolgen.“
Machine Learning
Um Prozesse für die Herstellung von Produkten – wie in diesem Fall Sustainable Aviation Fuels (SAF) – zu entwickeln und zu optimieren, braucht man Daten, die an der Versuchsanlage gewonnen werden. Diese Daten werden dazu verwendet, um Prozesse zu simulieren. An der Montanuniversität Leoben wird dabei auch Machine Learning eingesetzt. Markus Lehner: „In den Simulationen braucht man geeignete Modelle, welche den Ablauf der chemischen Reaktionen beschreiben. Würde nur eine einzelne Reaktion von bestimmten Reaktanten zu einem bestimmten Produkt ablaufen, dann lässt sich das im Regelfall sehr genau beschreiben. Bei den bei uns ablaufenden Reaktionen reagieren aber viele verschiedene Stoffe zu noch mehr Produkten und Zwischenprodukten. In so einem Fall sind Methoden des Machine Learning sehr hilfreich, um auf Basis experimenteller Daten prädiktive Modelle bereitzustellen, welche wir in den Simulationen verwenden können.“ Die Simulationen kann man wiederum dazu benutzen, um Experimente zielgerichteter zu gestalten. Oder man gestaltet gleich einen digitalen Zwilling der gesamten Anlage, um die Anlage zu steuern und während des Betriebs zu optimieren. „Auf diese Weise gehen Experiment, Prozesssimulation und Machine Learning Hand in Hand.“
Weitere Bemühungen
Die Forschung von Markus Lehner und seinen Kolleg*innen trägt dazu bei, den Flugverkehr nachhaltiger zu gestalten. Darüber hinaus gibt es noch weitere Möglichkeiten für einen klimaneutralen Flugverkehr, erinnert der Experte: Vor allem technische Verbesserungen an den Flugzeugen und Triebwerken, Optimierung der Flugrouten und Flughöhen sowie der verantwortungsvolle Umgang von uns allen mit Flugreisen bzw. die Nutzung von Alternativen wie Zugfahrten. Zudem können moderne Flugzeuge mittlerweile mehr Passagier*innen mit weniger CO₂-Ausstoß pro Passagier*in transportieren. Auch die Flugzeugabfertigung am Boden wurde optimiert und hier wurde zumindest teilweise wurde auf klimafreundliche Alternativen umgestellt, wie elektrisch oder mit Wasserstoff betriebenen Fahrzeugen. „Sustainable Aviation Fuels (SAF) werden aber die wesentliche Rolle in der Dekarbonisierung spielen“, ist sich Markus Lehner sicher.
