Dekarbonisierung der Luftfahrt: Ermöglichende Technologien für eine Netto-Null-Zukunft

Zusammenfassung

Die Verbrennung von Flugzeugtreibstoff ist einer der wichtigsten Mechanismen, durch die der Luftverkehr zum Klimawandel beiträgt. Er ist für schätzungsweise 2 % bis 3 % der weltweiten Kohlendioxidemissionen (_CO2) verantwortlich, ohne Berücksichtigung zusätzlicher Erwärmungseffekte durch Kondensstreifen. Diese Emissionen könnten sich bis 2050 verdreifachen und 25 % des in die Atmosphäre freigesetzten_CO2 ausmachen, wenn die Emissionen in anderen Sektoren zurückgehen. Da die Nachfrage nach Lufttransporten von Menschen und Gütern weiter steigt, ist die Dekarbonisierung der Luftfahrtindustrie in vielerlei Hinsicht die schwierigste Herausforderung für den Transportsektor - zum großen Teil, weil die Gewichts- und Platzbeschränkungen des Flugverkehrs am kosteneffizientesten mit energieintensiven fossilen Brennstoffen erfüllt werden. Trotz dieser Herausforderung haben sich die Länder verpflichtet, den Klima-Fußabdruck der Luftfahrtindustrie zu verringern, wobei sich die meisten Bemühungen bisher auf die verstärkte Verwendung von nachhaltigem Flugbenzin (SAF) konzentriert haben. In der Praxis bezieht sich SAF in der Regel auf Biokraftstoffe, die aus mit Wasserstoff behandelten Altölen und -fetten gewonnen werden, so dass das Endprodukt chemisch identisch mit Kerosin ist. Diese biogenen SAF sind die einzige Alternative zu Flugzeugtreibstoff, die heute auf dem Markt erhältlich ist. Ihre Auswirkungen auf das Klima hängen von vielen Faktoren ab, aber theoretisch können einige Bio-SAF zu erheblichen_{CO2-Reduzierungen} führen. So wird beispielsweise geschätzt, dass typische Produktionsmethoden für hydrierend aufbereitete Ester und Fettsäuren (HEFA), eine gängige Form von SAF, die Treibhausgasemissionen im Vergleich zu herkömmlichem Düsentreibstoff auf Lebenszyklusbasis um 50-65 % reduzieren. 

Es ist jedoch unwahrscheinlich, dass die ausschließliche Verwendung von Biokraftstoffen zur Erreichung der erklärten Dekarbonisierungsziele längerfristig erfolgreich sein wird, da es an Rohstoffen mangelt und Bedenken hinsichtlich der Nachhaltigkeit im Zusammenhang mit den indirekten Auswirkungen der Biokraftstoffproduktion auf die Landwirtschaft und die Landnutzung bestehen. Vergleicht man die Prognosen für ein nachhaltiges Biokraftstoffangebot mit dem erwarteten Wachstum der Energienachfrage im Luftverkehr in den nächsten Jahrzehnten, so könnte die Energienachfrage im Luftverkehr - mit geschätzten 21,5 Quadrillionen BTU (Quads) - bis Mitte des Jahrhunderts doppelt so hoch sein wie das prognostizierte globale Biokraftstoffangebot. Dieses Defizit weist auf die Notwendigkeit anderer kohlenstoffarmer oder -freier Technologien für den Luftverkehr hin. Einige der Hauptkandidaten sind synthetische oder E-Treibstoffe, die wie SAF als Ersatz für fossiles Kerosin verwendet werden könnten, die direkte Verwendung von Wasserstoff und Ammoniak als Flugzeugtreibstoffe und vollelektrische Flugzeuge. Dieser Bericht stützt sich auf die Literatur und auf Interviews mit wichtigen Marktteilnehmern, um jede dieser nicht-fossilen Dekarbonisierungsoptionen für den Luftverkehr detailliert zu untersuchen. 

Synthetische Kraftstoffe beziehen sich auf Kohlenwasserstoffkraftstoffe, die in der Regel aus Synthesegas, einem Gemisch aus Kohlenmonoxid und Wasserstoff, hergestellt werden. Synthetische Kraftstoffe können je nach Quelle des_CO2 und der Kohlenstoffintensität des zu ihrer Herstellung verwendeten Wasserstoffs erhebliche_{CO2-Reduzierungen} bewirken. Diese werden manchmal als E-Fuels" bezeichnet, wenn die synthetischen Kraftstoffe Wasserstoff verwenden, der aus elektrolytischen Verfahren stammt. Es werden mehrere klimaschonende Optionen für die Beschaffung von_CO2 untersucht, einschließlich_{CO2-Abscheidung} an Emissionsquellen wie Kraftwerken, Vergasung von Biomasseabfällen, direct air capture von_CO2 aus der Atmosphäre und Meerwasser CO2-abscheidung. Aus technischer Sicht sind die ausgereiftesten dieser Optionen zur Kohlenstoffgewinnung punktuelle Quellen CO2-abscheidung , während die am wenigsten ausgereiften das Meerwasser CO2-abscheidung nutzen. Direct air capture (DAC) ist wahrscheinlich die am leichtesten skalierbare Technologie, aber sie ist derzeit auch die teuerste, mit $600-$1.000 pro metrischer Tonne_{abgeschiedenen} ^CO21. Das ist deutlich mehr als die Kosten für die_{CO2-Abscheidung} an der Quelle mit 15 bis 130 Dollar pro Tonne. Es wird erwartet, dass die DAC-Kosten in Zukunft sinken werden, vor allem wenn die Vorteile der netzunabhängigen Kopplung mit erneuerbaren Energien genutzt werden. Dies könnte DAC neben der Vergasung von Biomasseabfällen zu einer der wirtschaftlichsten und klimaschonendsten_CO2-Quellen machen. Die Abtrennung von Kohlenstoff aus dem Meerwasser ist eine relativ neue Idee, die jedoch vielversprechend sein könnte, vor allem wenn man bedenkt, dass die_{CO2-Konzentration} im Meer das 120- bis 150-fache der Konzentration in der Atmosphäre beträgt. Um diese Option weiterzuverfolgen, müssen jedoch Bedenken hinsichtlich möglicher Auswirkungen auf die Meeresökologie ausgeräumt und die Geschwindigkeit, mit der der Ozean_CO2 aus der Luft wieder aufnimmt, mit großer Sicherheit bestimmt werden.   

Sauberer Wasserstoff mit geringen oder gar keinen vorgelagerten Kohlenstoffemissionen ist die andere Komponente, die für die Synthese von Flugkraftstoff benötigt wird. Aus der Klimaperspektive ist Wasserstoff, der durch Wasserelektrolyse unter Verwendung sauberer Elektrizitätsressourcen hergestellt wird, wahrscheinlich die beste Option, aber Wasserstoff, der durch Reformierung fossiler Brennstoffe mit CO2-abscheidung hergestellt wird, wird wahrscheinlich auch eine Rolle spielen. Unabhängig davon muss kohlenstoffarmer Wasserstoff zu einem wettbewerbsfähigen Preis hergestellt werden. Derzeit liegen die Erwartungen weltweit zwischen 1 und 6 US-Dollar pro Kilogramm (kg), wobei die Produktionskosten je nach Projekt und Region aufgrund von Unterschieden in der Produktionsmethode, den Kapitalkosten für erneuerbare Energien, den Kapitalkosten für die Ausrüstung sowie den Betriebs- und Wartungskosten erheblich schwanken.  

Nach der Gewinnung beider Komponenten können das abgeschiedene_CO2 und der kohlenstoffarme Wasserstoff entweder in Synthesegas umgewandelt werden, um anschließend durch Fischer-Tropsch-Verfahren in flüssige Kohlenwasserstoff-Kraftstoffe umgewandelt zu werden, oder sie können zu einem Alkohol wie Methanol synthetisiert werden, der dann mittels der Alkohol-zu-Jet-Technologie in synthetisches Kerosin umgewandelt werden kann. Derzeitige Kostenschätzungen für synthetischen Kraftstoff liegen zwischen 1,50 und 4,50 Dollar pro Gallone, was dem Zwei- bis Fünffachen der Kosten für herkömmlichen Flugzeugtreibstoff entspricht. Es wird erwartet, dass die Preise sinken werden, wenn die_CO2- und Wasserstoffkosten sinken und der Markt wächst. Die hohen Kosten für synthetische Kraftstoffe schmälern jedoch nicht die Bedeutung dieser Technologie. Wie Biokraftstoffe bieten synthetisches Kerosin, auch als synthetischer SAF bezeichnet, eine Einstiegslösung - sie können langsam eingeführt und direkt mit herkömmlichem Düsenkraftstoff gemischt werden, so dass der Markt Zeit hat, sich zu entwickeln, während die Emissionen zu sinken beginnen.  

Ungeachtet der potenziellen Vorteile von synthetischem SAF befinden sich ehrgeizigere kohlenstofffreie Luftfahrttechnologien in der Entwicklung. Wasserstoff kann zum Antrieb von Flugzeugen verwendet werden, wodurch ein erheblicher Teil der Luftfahrtemissionen auf nahezu Null reduziert werden kann, je nachdem, wie der Wasserstoff beschafft wird. Diese Option erfordert jedoch einen erheblichen Ausbau der Wasserstoffinfrastruktur und bringt Änderungen an der Flugzeugkonstruktion mit sich, die ein langwieriges Neuzertifizierungsverfahren erfordern würden; außerdem würden bei Flugzeugen mit größerer Reichweite Passagiersitze durch Wasserstofftanks ersetzt. Bislang konzentrierten sich die Bemühungen um die Entwicklung einer wasserstoffbetriebenen Flugzeugtechnologie auf kleinere Flugzeuge für regionale Strecken.  

Eine weitere kohlenstofffreie Option ist der mit Ammoniak betriebene Flug. Ammoniak, ein Wasserstoffträger, hat 49 % mehr Energie pro Volumen als flüssiger Wasserstoff, was bedeutet, dass mit Ammoniak betriebene Flugzeuge herkömmliche Konfigurationen nutzen und dabei doppelt so weit fliegen könnten wie mit Wasserstoff betriebene Flugzeuge. Nachteilig sind jedoch die Toxizität des Treibstoffs und, ähnlich wie bei Wasserstoff, die Notwendigkeit einer speziellen Infrastruktur, wobei die Toxizität für Passagierflugzeuge besonders problematisch ist. Ammoniak ist vielversprechend, aber die Technologie liegt etwa 10 Jahre hinter der von Wasserstoff zurück, was bedeutet, dass ihr Beitrag zur Dekarbonisierung der Luftfahrt im Zeitrahmen 2025-2050 wahrscheinlich gering sein wird.   

Vollelektrische Flugzeuge könnten ebenfalls eine Nischenrolle spielen, aber es ist nicht zu erwarten, dass diese Technologie die Emissionen im Vergleich zum herkömmlichen Flugverkehr nennenswert reduziert. Der Hauptgrund dafür ist, dass für kommerzielle Flüge über regionale Entfernungen eine Energiedichte von etwa 750 Wattstunden pro Kilogramm (Wh/kg) erforderlich wäre. Das ist das Drei- bis Vierfache der Energiedichte der heute verfügbaren Batteriesysteme. Selbst wenn die Batterietechnologie Fortschritte macht, werden Wasserstoff oder Ammoniak wahrscheinlich die bessere Option bleiben. Elektrizität als Energiequelle für den Flugverkehr ist am sinnvollsten für innerstädtische Flüge mit elektrisch vertikal startenden und landenden Flugzeugen (eVTOL), einer Technologie, die zur Entlastung des Fahrzeugverkehrs auf der Straße beitragen könnte, wenn ihr Markt wächst.  

Diese Studie verwendet Informationen aus einer Literaturstudie und aus Interviews mit Branchenteilnehmern, um Szenarien für das Erreichen von Netto-Null-Emissionen im Luftverkehr bis 2050 unter Verwendung eines Gemischs aus vier der oben erörterten Flugkraftstoffe zu entwickeln: Bio-SAF, synthetisches Kerosin, Wasserstoff und Ammoniak^.2 Zur Untermauerung unserer Analyse haben wir unsere Ergebnisse mit den Versorgungsprognosen für jeden Kraftstoff aus dem Szenario der Internationalen Energieagentur (IEA) für Netto-Null-Emissionen bis 2050 (NZE) verglichen. Keiner der in unseren Szenarien benötigten Kraftstoffmengen durfte die NZE-Versorgungsprognosen der IEA überschreiten, mit Ausnahme von Ammoniak, bei dem die IEA-Prognose nur die bestehenden Verwendungszwecke und die Verwendung als Schiffskraftstoff berücksichtigt. Für Wasserstoff verwenden wir die IEA NZE-Projektion der Wasserstoffversorgung nur für Transportzwecke, die etwa die Hälfte der IEA-Projektion der gesamten Wasserstoffversorgung ausmacht. Für die Versorgung mit synthetischen Kraftstoffen wurde nur die IEA-Projektion für das verfügbare_CO2 aus DAC zugrunde gelegt.   

Unter Berücksichtigung dieser Einschränkungen und des in den Interviews gesammelten Know-hows gehen wir in unserem Basisfall davon aus, dass 90 % der prognostizierten verfügbaren Biokraftstoff-Rohstoffe in die SAF-Produktion fließen. Darüber hinaus wird davon ausgegangen, dass Flugzeuge, die mit Wasserstoff betrieben werden, 20 % der Regionalflüge (weniger als 750 Meilen bzw. 1207 km) abdecken, während Flugzeuge, die mit Ammoniak betrieben werden, 10 % der Flüge unter 1650 Meilen (2655 km) abdecken sollen. Der restliche Bedarf soll durch synthetische Kraftstoffe gedeckt werden. Unter diesen Annahmen besteht der Treibstoffmix im Jahr 2050 auf dem Luftverkehrsmarkt zu 86% aus Bio- und synthetischem SAF, während CO2-freie kraftstoffe die restlichen 14% in unserem Basisfall ausmacht. Der untere Teil von Abbildung E.S.1. zeigt die für die Luftfahrt benötigte Brennstoffenergie als Prozentsatz des von der IEA prognostizierten Gesamtangebots. 

Abbildung E.S.1: Ergebnisse für den Basisfall  

Wie in der Abbildung vermerkt, ist in den IEA-Projektionen für Ammoniak die Nachfrage der Luftfahrt nicht enthalten, was bedeutet, dass die weltweite Ammoniakproduktion um zusätzliche 19 % gegenüber der IEA-Projektion steigen müsste. Nach Schätzungen der IEA wird der gesamte Verkehrssektor im Jahr 2050 12,5 Quads synthetischen Kraftstoff und 23,3 Quads Wasserstoff verbrauchen. In unserem Basisszenario entfallen 68,5 % bzw. 81,7 % des Bedarfs des Verkehrssektors an diesen beiden Kraftstoffen auf den Luftverkehr, wobei unsere Schätzung des Wasserstoffbedarfs im Basisszenario sowohl den Kraftstoff für den direkten wasserstoffbetriebenen Flug als auch den Wasserstoff umfasst, der als Ausgangsstoff für die Herstellung der anderen drei Kraftstoffe benötigt wird. Ein Szenario, in dem der Luftfahrtsektor 81,7 % des gesamten im NZE-Fall der IEA für das Jahr 2050 prognostizierten Wasserstoffs für den Verkehr verbraucht (oder 40,3 % des gesamten prognostizierten Wasserstoffangebots), hätte erhebliche Auswirkungen und würde wahrscheinlich spezifische politische und planerische Eingriffe erfordern, um Versorgungsengpässe zu vermeiden, die die Kosten in der gesamten Branche in die Höhe treiben könnten. 

Die Analyse der anderen Szenarien für den Treibstoffmix macht eine weitere Herausforderung deutlich: Die zunehmende Abhängigkeit von vergleichsweise einfachen, synthetischen Drop-in-Kraftstoffen zur Deckung des künftigen Luftverkehrsbedarfs erfordert von allen untersuchten Szenarien den meisten Wasserstoff - 3,18 Quads mehr Wasserstoff als im oben beschriebenen Basisfall. Im Gegensatz dazu benötigt das Szenario, das sich stattdessen auf die aggressive Einführung von wasserstoffbetriebenen Flugzeugen konzentriert, die geringste Menge an Wasserstoff. Dieses vielleicht überraschende Ergebnis veranschaulicht sowohl (1) das Ausmaß, in dem die künftige Nachfrage nach Wasserstoff durch seine Verwendung als notwendiger Input für die synthetische SAF-Produktion angetrieben wird, als auch (2) den Vorteil der direkten Verwendung von Wasserstoff angesichts seiner hohen spezifischen Energie. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass es Kompromisse gibt zwischen der Bequemlichkeit von synthetischem SAF, der Fähigkeit, die Produktion von kohlenstoffarmem Wasserstoff schnell zu skalieren, und der Ungewissheit darüber, wie schnell sich der Direktflug mit Wasserstoffantrieb entwickeln könnte.  

Um diese Herausforderungen zu bewältigen und die Instrumente und Technologien zu fördern, die für die Dekarbonisierung des Luftverkehrs erforderlich sind, ist ein breites Spektrum an politischen Maßnahmen erforderlich. Ein breit anwendbares politisches Instrument ist ein Standard für saubere Kraftstoffe, der eine schrittweise Verringerung der Kohlenstoffintensität des Kraftstoffmixes im Verkehrssektor vorschreiben würde. Ein starker Standard für saubere Kraftstoffe würde Folgendes beinhalten: einen Zielpfad bis zur Mitte des Jahrhunderts, eine solide und umfassende Bilanzierung der Treibhausgasemissionen über den gesamten Lebenszyklus, Schutzmaßnahmen gegen eine übermäßige Abhängigkeit von nicht nachhaltigen Rohstoffen und eine sektorübergreifende Abdeckung mit angemessenen Beschränkungen für den sektorübergreifenden Handel mit Emissionsgutschriften, um Szenarien zu vermeiden, in denen Fluggesellschaften billige Emissionsgutschriften kaufen, die in anderen Sektoren erzeugt wurden, anstatt in die Entwicklung von kohlenstoffarmen Flugkraftstoffen zu investieren. Weitere nützliche Maßnahmen sind Mandate für synthetische SAF oder Produktionssubventionen sowie Maßnahmen zur Unterstützung der synthetischen SAF-Produktion durch die Förderung des Angebots an klimafreundlichem Wasserstoff und Kohlenstoff-Rohstoffen. Schließlich sollten die Regierungen politische Maßnahmen prüfen, die dazu beitragen, die vollständige Kommerzialisierung der entscheidenden Technologien, die für die Dekarbonisierung der Luftfahrt erforderlich sind, durch aktive Investitionen in Forschungs- und Entwicklungsinitiativen zu beschleunigen. 

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass das prognostizierte Angebot an klimafreundlichen Biokraftstoffen wahrscheinlich nicht ausreicht, um den gesamten Energiebedarf des Luftfahrtsektors zu decken. Es müssen andere Arten von Energieträgern untersucht, entwickelt und möglicherweise eingesetzt werden. Unsere Analyse zeigt, dass die potenzielle Lücke in der kohlenstoffarmen Energieversorgung des Luftverkehrs, die durch die Nachhaltigkeitsprobleme von Biokraftstoffen verursacht wird, mit Hilfe anderer Technologien geschlossen werden kann, auch wenn noch viele bedeutende Hindernisse bestehen. Die Verwirklichung einer solchen Multi-Fuel-Zukunft erfordert jedoch eine enorme Menge an kohlenstoffarmem Wasserstoff, erhebliche Kostensenkungen und beträchtliche Innovationen, die durch umfassende strategische Änderungen in der Luftfahrtindustrie und durchdachte politische Maßnahmen zur Schaffung der richtigen Anreize vorangetrieben werden. Dennoch könnte ein Multi-Kraftstoff-Ansatz, wenn er erfolgreich ist, die Tür zur Verwirklichung ehrgeiziger Dekarbonisierungsverpflichtungen im Luftfahrtsektor öffnen.

1. Einleitung

Die Möglichkeit, Menschen und Güter über große Entfernungen mit dem Flugzeug zu transportieren, ist ein entscheidendes Merkmal des modernen Zeitalters, und da die Einkommen weltweit gestiegen sind, hat die Nachfrage nach Flugreisen stetig zugenommen - mit direkten Folgen für den Energieverbrauch in der Luftfahrt und die Auswirkungen des Klimawandels. Flugzeuge, die aufgrund ihres geringen Gewichts und Platzbedarfs energieintensive Kraftstoffe benötigen, werden heute fast ausschließlich mit Kerosin betrieben, einem kohlenstoffintensiven Kraftstoff, der aus Erdöl hergestellt wird^.3 Kohlendioxidemissionen (_CO2) aus der Verbrennung von Düsentreibstoff sind daher ein wichtiger Mechanismus, durch den der Luftverkehr zur globalen Erwärmung beiträgt. Im Jahr 2018 machten die direkten Emissionen aus dem Flugbetrieb schätzungsweise 2,5 % der weltweiten_{CO2-Emissionen} aus^.4 Da die Emissionen in anderen Sektoren zu sinken beginnen, könnte der Luftverkehr bei dem derzeitigen Tempo bis 2050 für 25 % des in die Atmosphäre abgegebenen_CO2 verantwortlich sein.

Der Flugbetrieb beeinflusst die Erdatmosphäre auch auf andere klimarelevante Weise. Üblicherweise unter dem Begriff "_{Nicht-CO2-Effekte} " zusammengefasst, kommt es zu einer zusätzlichen Erwärmung, wenn sich Triebwerksemissionen wie schwarzer Kohlenstoff (Ruß), Sulfataerosole und Stickoxide an atmosphärischen Wasserdampf anlagern und Zirruswolken und Kondensstreifen in der Stratosphäre bilden, die mit atmosphärischem Methan und troposphärischem Ozon interagieren. Diese direkten und indirekten Auswirkungen sind mit größerer Unsicherheit behaftet, aber neuere Studien kommen zu dem Schluss, dass ihr Nettoerwärmungseffekt ungefähr gleich groß oder sogar größer ist als der Beitrag der_{CO2-Emissionen} von Flugzeugen.  

Mehrere Merkmale des Luftfahrtsektors - vor allem seine vielschichtigen Klimaauswirkungen, der starke prognostizierte Wachstumspfad, die Nachfrage nach energieintensiven Kraftstoffen und der beträchtliche Kapitalstock an langlebigen Ausrüstungen und Infrastrukturen, die für einen einzigen Kraftstofftyp optimiert wurden - stellen eine große Herausforderung für die Dekarbonisierung dar. Nichtsdestotrotz ist die Branche in den letzten Jahren eine Reihe von Verpflichtungen eingegangen, um ihre Klimabilanz zu verringern. Die Internationale Zivilluftfahrt-Organisation (ICAO), ein technisches Gremium der Vereinten Nationen, das als globales Politik- und Normungsforum für die Luftfahrtindustrie dient, verabschiedete 2010 die Resolution A37-19, mit der eine jährliche Verbesserung der Treibstoffeffizienz um 2 % bis 2050 und ein kohlenstoffneutrales Wachstum ab 2020 angestrebt wird, so dass die bestehenden Luftfahrtemissionen bis Mitte des Jahrhunderts effektiv beibehalten werden^.5 Im Jahr 2021 verabschiedete die International Air Transport Association (IATA), die 300 Fluggesellschaften vertritt, eine Entschließung, in der sie ihre Mitglieder aufforderte, bis 2050 Netto-CO2-Emissionen zu erreichen^.6 Die ICAO folgte diesem Beispiel im Jahr 2022, als sich ihre Mitgliedstaaten auf ein aktualisiertes Ziel von_{Netto-CO2-Emissionen} bis 2050 einigten^.7 Zahlreiche einzelne Fluggesellschaften, darunter viele große Fluggesellschaften, haben ähnlich ehrgeizige Zusagen gemacht. 

Bislang konzentrierten sich die Bemühungen, diesen Verpflichtungen nachzukommen, weitgehend auf die verstärkte Verwendung nachhaltiger Flugkraftstoffe (SAF), eine Bezeichnung, die theoretisch eine Reihe klimafreundlicher Alternativen zum herkömmlichen Kerosin-Düsentreibstoff umfassen könnte. Es gibt jedoch keine klare Definition des Begriffs "nachhaltig" im Zusammenhang mit der Luftfahrt, und der Begriff SAF wurde nie einheitlich verwendet. In der Praxis sind Biokraftstoffe für die Luftfahrt - insbesondere Fette, Altöle und pflanzliche Öle, die mit Wasserstoff behandelt wurden, um sie für die Beimischung zu Kerosin geeignet zu machen - die einzige Alternative zu erdölbasiertem Düsenkraftstoff, die heute vollständig kommerziell verfügbar ist. Zwar wird häufig davon ausgegangen, dass jeder Kraftstoff biogenen Ursprungs per Definition als nachhaltig gilt, doch in Wirklichkeit unterscheiden sich die verschiedenen Biokraftstoffe in Bezug auf ihre Kohlenstoffemissionen während des gesamten Lebenszyklus sowie auf ihre sonstigen ökologischen und sozialen Vorteile erheblich. Diese Auswirkungen hängen von einer Vielzahl von Faktoren ab, einschließlich des Land-, Wasser- und Energiebedarfs, der mit den verschiedenen Arten von Rohstoffen, Anbaupraktiken und Kraftstoffherstellungsverfahren verbunden ist. Allein aus klimatischer Sicht kann die Verringerung des Kohlenstoffausstoßes über den gesamten Lebenszyklus durch die Verwendung abfallbasierter Biokraftstoffe anstelle konventioneller fossiler Kraftstoffe jedoch erheblich sein. Andere potenzielle kohlenstoffarme oder kohlenstofffreie Optionen zur Deckung des Energiebedarfs des Luftfahrtsektors, wie synthetische oder elektronische Kraftstoffe, wasserstoff- oder ammoniakbetriebene Direktflüge oder Elektrifizierung, sind vielversprechend, aber noch nicht kommerziell verfügbar.  

Im September 2022 veröffentlichte Clean Air Task Force (CATF) einen Bericht über die Herausforderungen und Chancen der Dekarbonisierung des Luftfahrtsektors, der den aktuellen Schwerpunkt auf biomassebasierte Kraftstoffalternativen widerspiegelt. Der Bericht definierte zunächst die Argumente für eine Dekarbonisierung des Luftverkehrs, unter anderem durch eine Schätzung der Klimaauswirkungen des Luftverkehrs im Jahr 2050, und untersuchte dann speziell die Beschränkungen für eine nachhaltige Biokraftstoffproduktion im Zusammenhang mit diesen Prognosen für den künftigen Energiebedarf des Luftverkehrs^.8 Er kam zu dem Schluss, dass biomassebasierte Optionen für die Dekarbonisierung des Luftverkehrs wahrscheinlich nicht ausreichen werden. Biokraftstoffe werden sicherlich eine Rolle spielen, und ihre Vorteile in Bezug auf die Kompatibilität mit bestehenden Flugzeugen und Betankungsinfrastrukturen sind wichtig, vor allem auf kurze Sicht. Aber das Angebot an SAF, das heute weitgehend kommerziell verfügbar ist, ist grundsätzlich durch Rohstoff- und Landnutzungsbeschränkungen, Konkurrenz mit der Nahrungsmittelproduktion und ökologische Bedenken begrenzt, die letztendlich den Anteil der Emissionen im Luftverkehr begrenzen, der allein durch die Verwendung von Biokraftstoffen verringert werden kann.  

Dieses Papier knüpft an die wichtigsten Ergebnisse des früheren Berichts von CATFan und präsentiert eine umfassendere Analyse anderer Nicht-Biokraftstoff-Optionen für den Luftfahrtsektor, einschließlich synthetischer Flüssigkraftstoffe, die aus abgeschiedenem Kohlenstoff und erneuerbarem Wasserstoff hergestellt werden können, sowie anderer Kraftstoffalternativen wie Wasserstoff und Ammoniak. Für jede dieser Alternativen wird eine Bestandsaufnahme der aktuellen Aussichten vorgenommen, wobei auf Erkenntnisse aus der Literatur und Interviews mit Branchenführern zurückgegriffen wird, um die jüngsten Kosten- und Technologieentwicklungen in den Bereichen synthetische Kraftstoffherstellung, CO2-abscheidung und kohlenstoffarme Wasserstoffherstellung hervorzuheben. Spätere Abschnitte gehen kurz auf die _{Nicht-CO2-Klimaauswirkungen} ein und erörtern Szenarien für die Dekarbonisierung des Luftfahrtsektors, die auf unterschiedlichen Kombinationen von kohlenstoffarmen und CO2-freie kraftstoffe basieren. Wir stellen auch politische Empfehlungen zur Unterstützung der Entwicklung einer breiteren Palette von klimafreundlichen Flugkraftstoffen vor. Schließlich ist es zwar ein wichtiges Thema, aber eine strenge Bewertung der Frage, ob, wann und in welchem Umfang der abgeschiedene Kohlenstoff dauerhaft gebunden oder zur Herstellung synthetischer Kraftstoffe verwendet werden sollte, ist ein Thema, das für zukünftige Arbeiten zurückgestellt wird. 

2. Die Rolle der Biokraftstoffe

Wie in der Einleitung erwähnt, machen Biokraftstoffe den größten Teil dessen aus, was heute als nachhaltiger Flugkraftstoff (SAF) bezeichnet wird. Biologisch erzeugter Flugkraftstoff wurde erstmals 2016 in nennenswerten Mengen verwendet, wobei die weltweite Produktion von anfänglich weniger als 10 Millionen Litern pro Jahr bis 2019 auf weit über 100 Millionen Liter anstieg^.9 In jüngster Zeit hat sich die weltweite SAF-Nutzung erneut ausgeweitet und wird nach Angaben der Internationalen Energieagentur (IEA) im Jahr 2022 300 Millionen Liter erreichen^.10 Als Bruchteil des herkömmlichen Flugkraftstoffs bleibt der SAF-Beitrag jedoch gering - in der Größenordnung von 0,1 % bei einem geschätzten weltweiten Flugkraftstoffbedarf von 360 Milliarden Litern im Jahr 2022^.11  

Mehrere Faktoren erklären die Konzentration auf Biokraftstoffe als bevorzugten kurzfristigen Weg zur Verringerung der Kohlenstoffemissionen im Luftverkehr. Erstens sind solche Kraftstoffe bereits über ausgereifte Lieferketten kommerziell verfügbar, die zumeist biogene Abfallstoffe wie Altspeiseöle, tierische Fette oder Pflanzenöle verwenden. Durch ein Umwandlungsverfahren, das als hydroverarbeitete Ester und Fettsäuren (HEFA) bekannt ist, werden diese Fette und Öle mit Wasserstoff zu Kohlenwasserstoffkraftstoffen verarbeitet, die die Energiedichte von fossilem Kerosin erreichen und problemlos mit herkömmlichem Flugzeugtreibstoff gemischt werden können. Nach den geltenden internationalen Vorschriften (ASTM) sind Biokraftstoffbeimischungen von bis zu 50 % für die Verwendung in Verkehrsflugzeugen zugelassen^.12 Der Betrieb mit 100 % Biokraftstoff ist technisch machbar und wurde in den letzten fünf Jahren von GE Aerospace und anderen auf mehreren Flügen mit verschiedenen Triebwerken demonstriert^,13 muss aber vor der Zulassung und dem breiten Einsatz noch hinsichtlich aller technischen Spezifikationen, die für kommerziellen Düsenkraftstoff gelten, einschließlich des Aromatengehalts und anderer Eigenschaften, vollständig validiert werden.  

Als Drop-in-Ersatz für Kerosin, der keine größeren Änderungen an der Konstruktion von Flugzeugtriebwerken oder der Infrastruktur für die Treibstoffversorgung erfordert, hat aus HEFA gewonnener Düsenkraftstoff wichtige Vorteile gegenüber anderen potenziellen Energieträgern wie Wasserstoff oder Ammoniak, die eine weitaus geringere Energiedichte aufweisen und nicht ohne weiteres in bestehende Treibstoffsysteme integriert werden können. Und obwohl Biokraftstoff für Endanwendungen in der Luftfahrt derzeit teurer ist als herkömmlicher Düsenkraftstoff - 1,80 Dollar pro Liter Biokraftstoff gegenüber 0,49 Dollar pro Liter herkömmlichem Düsenkraftstoff -, ist er die kostengünstigste kohlenstoffärmere Kraftstoffalternative, die der Branche heute zur Verfügung steht^.14 Daher erhalten große Flughäfen wie der Flughafen von San Francisco (SFO) bereits SAF und arbeiten aktiv daran, die SAF-Zufuhr in ihren Pipelines zu erhöhen - SFO strebt bis 2030 einen SAF-Anteil von 20 % an - und prüfen auch, wie Flughäfen die Kosten für die Lieferung von SAF senken können. Eine Option, die in Erwägung gezogen wird, ist die Verwendung staatlicher Zuschüsse oder anderer Anreize, um die zusätzlichen Kosten des SAF-Kaufs in den nächsten Jahren auszugleichen und die Verwendung von saubererem Kraftstoff schnell zu erhöhen.  

Sich ausschließlich auf Biokraftstoffe zu verlassen, um längerfristige Dekarbonisierungsziele zu erreichen, ist jedoch aus Gründen, die im Bericht 2022 von CATFhervorgehoben werden (siehe Fn. 8), wahrscheinlich nicht haltbar. Ein Problem ist, dass die Vorteile der Biokraftstoffe bei der Kohlenstoffreduzierung ungewiss sind und je nach Wahl der Rohstoffe stark variieren können. Das Angebot an Rohstoffen, die heute in großem Umfang kommerziell verfügbar sind und zur wirtschaftlichen Herstellung von Kraftstoffen mit eindeutigen Umweltvorteilen verwendet werden können - z. B. Rohstoffe wie Altöle und Fette - ist von Natur aus begrenzt. Angesichts dieser Einschränkungen hat sich der Biokraftstoffmarkt auf landwirtschaftlich angebaute Rohstoffe wie Mais und Soja verlassen, aber die zusätzliche Nachfrage nach flächenintensiven Stärke- und Pflanzenölpflanzen trägt direkt und indirekt zu kohlenstofffreisetzenden Landnutzungsänderungen bei. Andere Faktoren werden das Angebot an Bio-SAF weiter einschränken, insbesondere die Methoden und Energiequellen, die für die Herstellung von Wasserstoff verwendet werden, der für die Verarbeitung von biogenen Materialien zu Flugzeugtreibstoff erforderlich ist.  

Ausgehend von einem globalen volumengewichteten Durchschnitt von 88,7 Gramm_{CO2-Äquivalent} pro Megajoule (_gCO2e/MJ) für konventionellen^{Düsenkraftstoff15} zeigen Lebenszyklus-Emissionsmodelle, dass SAF im Allgemeinen eine Reduzierung der_{CO2e-Emissionen}über den gesamten Lebenszyklus von 25 % bis 85 % erreichen. Im Vergleich dazu liegen die modellierten Lebenszyklus-Emissionsreduktionen für HEFA-Kraftstoffe im Bereich von 50 bis 65 %^.16 Dies ist eine beträchtliche Spanne mit beträchtlichen Restemissionen, die angegangen werden müssten, um das Netto-Null-Ziel vollständig zu erreichen^.17 Um die Definition einzugrenzen, haben die SAF Grand Challenge der US-Regierung und ihr SAF Production Tax Credit die Messlatte für die Qualifizierung als nachhaltiger Flugkraftstoff auf mindestens 50 % Reduzierung der_{Lebenszyklus-CO2e-Emissionen}im Vergleich zu herkömmlichem Kraftstoff festgelegt^.18  

Es gibt weitere Methoden zur Herstellung von SAF aus anderen biogenen Rohstoffen, von denen einige derzeit zur Herstellung von Fahrzeugkraftstoffen wie Biodiesel verwendet werden. So kann beispielsweise durch fortschrittliche Fermentationsverfahren mit Zuckerpflanzen wie Mais Düsenkraftstoff mit Alkohol als Zwischenprodukt oder durch ein neuartiges Verfahren wie die katalytische Veredelung von Ligninölen hergestellt werden^.19 Eine weitere Option ist die Fischer-Tropsch-Synthese aus festen Siedlungsabfällen und lignozellulosehaltigen Biomasse-Rohstoffen wie forst- und landwirtschaftlichen Rückständen oder Switchgrass und Miscanthus. Diese Verfahren sind jedoch mit höheren Kosten verbunden und noch nicht so ausgereift wie HEFA. Darüber hinaus können der Wettbewerb mit anderen Flächennutzungen, ökologische Bedenken sowie der Umfang und das Tempo der Einführung von Rohstoffen, Technologien und Innovationen ihr Potenzial letztlich einschränken. 

CATFIn ihrem Bericht über die Dekarbonisierung der Luftfahrt im Jahr 2022 verglich die EU-Kommission das aktuelle Niveau der Biokraftstoffproduktion mit den Prognosen für den Energiebedarf der Luftfahrt in den nächsten Jahrzehnten. Im Jahr 2019 erreichte der Energiebedarf des Luftfahrtsektors einen historischen Höchststand von ca. 14 Quadrillionen Btu (Quads). Im selben Jahr belief sich die weltweite Produktion aller Arten von Biokraftstoffen für den Verkehr auf etwa 3,65 Quads. Der Flugverkehr und die damit verbundene Energienachfrage gingen in den Pandemiejahren 2020 und 2021 stark zurück, haben sich aber seither wieder erholt: Nach Angaben der IEA lag die weltweite Energienachfrage des Luftfahrtsektors im Jahr 2022 bei 10,8 Quads. Der weltweite Einsatz von Biokraftstoffen im Verkehrswesen ist unterdessen weiter gestiegen und erreichte laut IEA im Jahr 2022 4,08 Quads. Allerdings ist nur ein sehr kleiner Teil der derzeitigen Biokraftstoffproduktion für die Luftfahrt bestimmt - der überwiegende Teil entfällt auf Ethanol und Biodiesel, die in erster Linie für leichte bzw. schwere Nutzfahrzeuge bestimmt sind.   

Um konventionellen Düsenkraftstoff in nennenswertem Umfang zu ersetzen, müsste die weltweite Biokraftstoffproduktion mindestens um das Zwei- bis Dreifache steigen, und ein wesentlich größerer Anteil der Produktion müsste auf den Luftfahrtsektor verlagert werden. Ein weiterer Anstieg des Gesamtenergiebedarfs in der Luftfahrt in den kommenden Jahren würde die Herausforderung der Maßstabsvergrößerung noch verstärken und eine weitere Ausweitung des Biokraftstoffangebots erforderlich machen, um mit der Entwicklung Schritt zu halten, und möglicherweise die damit verbundenen Nachhaltigkeitsprobleme verschärfen, je nachdem, wie schnell die Entwicklung fortschrittlicher Biokraftstoffe und der Rohstofftechnologie voranschreitet. Die Beschränkungen bei den Rohstoffen werden auch das Potenzial für künftige Kostensenkungen begrenzen, und Biokraftstoffe könnten im Laufe der Zeit teurer werden, wenn der Anbau von Pflanzen für Flugkraftstoff mit anderen Landnutzungen konkurriert^.20 Aktuelle Schätzungen deuten darauf hin, dass die weltweite Nachfrage nach Energie für die Luftfahrt bis zur Mitte des Jahrhunderts um bis zu 50 % höher sein könnte als der Gesamtbetrag von etwa 14 Quads im Jahr 2019: Die Schätzungen der künftigen Nachfrage, die in der Analyse von CATFfür das Jahr 2022 berücksichtigt wurden, liegen bei 15,9 Quads im Jahr 2030, 18,8 Quads im Jahr 2040 und 21,5 Quads im Jahr 2050. Diese Schätzungen dienen als Grundlage für die Analyse des Multi-Fuel-Szenarios weiter unten in diesem Bericht.  

Die Luftfahrtindustrie selbst erkennt an, dass die derzeitigen SAF nicht ausreichen werden. In ihrem Fly-Net-Zero-Plan geht die IATA beispielsweise davon aus, dass die SAF 65 % der_{CO2-Reduktionen} erreichen wird, die erforderlich sind, um den Luftfahrtsektor auf Netto-Null zu bringen, während der Rest durch eine Kombination aus neuen Technologien und Verbesserungen der Infrastruktur und des Betriebs erreicht werden soll^.21  

Das soll nicht heißen, dass der weitere Einsatz von kommerziell nutzbaren biogenen SAF sowie die Forschung und Entwicklung von nicht kommerziell nachgewiesenen biogenen SAF keine Rolle bei der Dekarbonisierung der Luftfahrt spielen werden. Aus jüngsten Gesprächen mit einem Flugzeughersteller geht klar hervor, dass die Branche Bio-SAF als die wichtigste Technologie zur Erfüllung ihrer Dekarbonisierungsverpflichtungen ansieht. Man ist der Meinung, dass SAF jetzt in großem Maßstab benötigt wird. Diese Ansicht wurde auch in einem Gespräch mit World Energy, einem großen SAF-Lieferanten, geäußert. World Energy ist wie viele in der Branche der Meinung, dass HEFA nur eine Teillösung ist, argumentiert aber, dass die Skalierung der aktuellen HEFA-Technologie für die Entwicklung der SAF-Infrastruktur im gesamten Ökosystem notwendig ist. World Energy ist der Ansicht, dass die weitere Verbesserung des bekannten HEFA-Verfahrens und die Steigerung seiner Effizienz der Branche dabei helfen werden, sich auf den möglichen Übergang zu neuen Technologien wie synthetischen Kraftstoffen um die Jahrhundertmitte vorzubereiten. In diesem Sinne plant World Energy, die SAF-Produktion auf 25.000 Barrel pro Tag zu erhöhen und über Anlagen in Kalifornien und Texas 5 Milliarden Dollar in den Markt zu investieren. Das Unternehmen ist der Ansicht, dass eine kontinuierliche öffentliche Unterstützung, die Entwicklung von Technologien, langfristige Abnehmer, ein größeres Vertrauen in die Rückverfolgung/Verifizierung von Rohstoffen parallel zu einem wachsenden Angebot, eine größere Bereitschaft, einen Aufpreis für SAF zu zahlen, und eine private Finanzierung erforderlich sind, um SAF zu skalieren und den Marktanteil von SAF im Vergleich zu konventionellem Düsenkraftstoff zu erhöhen, damit die Dekarbonisierung der Luftfahrt beginnen kann. World Energy geht davon aus, dass die erhöhte Produktion durch die in naher Zukunft zu erwartende Nachfrage absorbiert wird. Airbus beispielsweise strebt bis Ende 2024 einen SAF-Anteil von 20 % und bis 2030 einen Anteil von 30 % an. Dieser Vorstoß erfolgt zeitgleich mit den Flottenerneuerungen der Flugzeughersteller, die eine Steigerung der Treibstoffeffizienz von Flugzeugen um etwa 25 % anstreben. 

Zusammen veranschaulichen diese Perspektiven die Sicht der Branche auf den Stand der kohlenstoffarmen Optionen und machen gleichzeitig das Ausmaß der Dekarbonisierungsherausforderung in der Luftfahrt deutlicher. Sie führen zu der unausweichlichen Schlussfolgerung, dass ein breiteres Spektrum an Strategien und Instrumenten erforderlich sein wird, um die aktuellen Klimaverpflichtungen zu erfüllen.  

3. Kohlenstoffbeschaffung und kohlenstoffarme Wasserstoffproduktion

Der Begriff synthetischer Kraftstoff wird üblicherweise für Kohlenwasserstoffkraftstoffe verwendet, die durch eine Abfolge chemischer Reaktionen aus Synthesegas hergestellt werden, einem Gemisch aus Kohlenmonoxid und Wasserstoff, das aus einer Vielzahl von kohlenstoffhaltigen Rohstoffen gewonnen werden kann. Für die Zwecke dieses Papiers verwenden wir den Begriff synthetischer Kraftstoff oder den Begriff synthetischer SAF für flüssige Drop-in-Flugkraftstoffe, die aus_CO2 und Wasserstoff oder Synthesegas als Ausgangsmaterial hergestellt werden. Synthetische Kraftstoffe, die manchmal auch als Elektrokraftstoffe oder E-Fuels bezeichnet werden oder in einigen Studien als Power-to-Liquids bezeichnet werden, können im Vergleich zu konventionellen Flugkraftstoffen erhebliche Vorteile bei der Kohlenstoffreduzierung bieten, abhängig von der Quelle des Kohlenstoffs und der Kohlenstoffintensität des Wasserstoffs, der als Ausgangsmaterial benötigt wird.   

Technologische Überlegungen zur Bereitstellung von Einsatzstoffen wie abgeschiedenem_CO2, aus Biomasse gewonnenem Synthesegas und kohlenstoffarmem Wasserstoff sind Schlüsselfaktoren bei der Bewertung der potenziellen Rentabilität von synthetischem Düsenkraftstoff als Dekarbonisierungsoption für den Luftfahrtsektor. Diese Technologien gibt es in einem breiten Spektrum von Technologiestufen (TRL), und ihre Kosten hängen stark vom Umfang, der Verfügbarkeit von Rohstoffen und der Marktnachfrage ab. Die etablierteste Technologie zur_{CO2-Gewinnung} ist die punktuelle_{CO2-Gewinnung} CO2-abscheidung, die gerade erst den kommerziellen Maßstab erreicht, während die maritime Technologie CO2-abscheidung gerade erst demonstriert wurde. Direct air capture (DAC) und die Biomassevergasung befinden sich in der Mitte des technologischen Bereitschaftsspektrums, aber höchstwahrscheinlich werden alle diese Techniken benötigt, um die Entwicklung des_{CO2-Rohstoffmarktes} in Gang zu bringen. Die Kohlenstoffintensität und die Kosten von Wasserstoff sind ein weiterer Schlüsselfaktor für die Erschwinglichkeit und die wahrscheinliche Akzeptanz von synthetischen Kraftstoffen für die Luftfahrt.  

Es liegt auf der Hand, dass die Akteure in der Industrie, die am aufkeimenden Markt für Kohlenstoff als Rohstoff für Brennstoffe teilnehmen wollen, viele Dinge in Betracht ziehen müssen, darunter auch die Frage, ob es besser wäre, den abgeschiedenen Kohlenstoff zu binden. Die Abwägung der unzähligen Überlegungen, die in eine strenge Bewertung der Vorteile und Kosten der Sequestrierung gegenüber der Nutzung, einschließlich der Nutzung als Rohstoff für die Kraftstoffherstellung, einfließen würden, würde den Rahmen dieser Arbeit sprengen. Es handelt sich jedoch um ein wichtiges Thema, das weiter analysiert werden muss, um zukünftige politische Diskussionen zu unterstützen.  

3.1 Punkt-Quelle CO2-abscheidung

Eine Möglichkeit,_CO2 für die Herstellung synthetischer Kraftstoffe bereitzustellen, besteht darin, es aus großen Punktquellen wie Kraftwerken oder Industrieanlagen abzutrennen. Die kommerziell ausgereiftesten Technologien, die für diesen Zweck zur Verfügung stehen, verwenden absorbierende Chemikalien, Sorbentien oder eine Membran, um_CO2 nach der Verbrennung von anderen Komponenten im Abgasstrom zu trennen. Chemische Systeme verwenden flüssige Alkanolamine oder Ammoniak, um_CO2 zu binden. Bei diesen Systemen wird das Rauchgas zunächst mit einer Aminlösung gewaschen", dann wird die_CO2-beladene Aminlösung in einen Regenerator geleitet, wo Wärme (in Form von Dampf) zur Freisetzung des_CO2 eingesetzt wird. Bei diesem Verfahren werden in der Regel 85 % bis 90 % des im Rauchgas enthaltenen_CO2 abgeschieden. Systeme, die feste Sorptionsmittel oder eine Membran zur Abtrennung von_CO2 aus anderen Rauchgasen verwenden, bieten potenzielle Vorteile im Hinblick auf eine geringere Handhabung gefährlicher Chemikalien und eine potenziell höhere Toleranz gegenüber Verunreinigungen, aber insbesondere Membransysteme befinden sich noch auf einem niedrigen Stand der Technik. 

Unabhängig von der verwendeten Abscheidungsmethode benötigen_{CO2-Abscheidungssysteme} Energie für ihren Betrieb. Absorptionssysteme benötigen Energie, um das Rauchgas durch eine Absorberkolonne oder eine Membran zu drücken, während Systeme auf Aminbasis Energie benötigen, um das_CO2 nach der Abtrennung wieder herauszulösen, damit das chemische Lösungsmittel wieder verwendet werden kann. Je höher der Energiebedarf des Abscheidungssystems ist, desto teurer wird sein Betrieb. Da für die Herstellung von synthetischem Düsentreibstoff große Mengen an hochreinem_CO2 benötigt werden, spielt diese Anforderung neben anderen Überlegungen eine Rolle bei der Entscheidung, welches Abscheidungssystem für die genutzte Emissionsquelle optimal ist.  

Die mit der punktuellen Abscheidung verbundenen Emissionen sind eine weitere Überlegung, da die Gewinnung von_CO2 mit dieser Methode und seine Verwendung als Ausgangsstoff für die Herstellung synthetischer Kraftstoffe einem Kohlenstoffrecycling gleichkommt. Der Prozess wird nie netto null sein, aber die mehrmalige Verwendung des Kohlenstoffs, bevor er in die Atmosphäre freigesetzt wird, führt zu einem Nettoklimavorteil. Branchenakteure wie ETFuels teilen diese Ansicht; in einem Interview mit CATF stellte das Unternehmen fest, dass die Verwendung von Kohlenstoff, der aus einer nicht-biogenen Punktquelle gewonnen wird, die Nettoemissionen um mindestens 50 % reduziert und daher im Rahmen der Politik für kohlenstoffarme Kraftstoffe zugelassen werden sollte. ETFuels betonte auch, dass die punktuelle Abscheidung zwar weniger klimaschonend sei als die vollständige Vermeidung kohlenstoffbasierter Brennstoffe, aber letztlich doch hilfreich, solange Kohlenstoffquellen, die die zusätzliche Gewinnung fossiler Brennstoffe fördern, wie Erdöl-, Erdgas- und Kohleverbrennungsanlagen, zugunsten unvermeidbarer Prozessquellen wie Zement- und Stahlwerke vermieden werden, um die Entwicklung perverser Anreize zugunsten fossiler Brennstoffe zu verhindern. Abschließend wies das Unternehmen darauf hin, dass die Lebenszyklusanalyse (LCA) schwierig, aber wichtig ist, um sie richtig durchzuführen. Ein weiteres E-Fuel-Unternehmen, HIF Global, schloss sich dieser Meinung an und erklärte, dass der enge Fokus vieler politischer Entscheidungsträger auf die Verwendung von_CO2 aus biogenen Quellen am Thema vorbeigeht. HIF Global ist der Meinung, dass_CO2 nur der Klebstoff ist, der sauberen Wasserstoff noch nützlicher macht. Als solche sind vernünftige bestehende_CO2-Quellen gültige Rohstoffe, solange die Ökobilanz streng ist und diese "weniger grünen" Kohlenstoffquellen korrekt berücksichtigt. CATF ist auch der Ansicht, dass es in den frühen Phasen der Marktentwicklung entscheidend ist,_CO2 so billig wie möglich zu beschaffen. Sobald sich ein Markt etabliert hat und die Preise aufgrund der Größenordnung zu sinken beginnen, können die politischen Maßnahmen so gestaltet werden, dass die Kohlenstoffintensität des Rohstoffs strenger ist^.22  

Die vergleichsweise niedrigen Kosten von Punktquellen CO2-abscheidung sind ihr größter Vorteil gegenüber anderen, neueren Abscheidungsmethoden. Die Schätzungen in der Literatur reichen von 15 $ pro Tonne_CO2 bis 130 $ pro Tonne, abhängig von einer Vielzahl von Faktoren, einschließlich der Emissionsquelle, der_{CO2-Konzentration} im Rauchgas, der verwendeten Abscheidungstechnologie und anderen Variablen^.23 Nach Angaben der IEA liegen die Abscheidungskosten für Quellen mit einer geringeren_{CO2-Konzentration} im Rauchgas - dazu gehören Kraftwerke und Stahl- oder Zementwerke - zwischen 40 und 120 US-Dollar pro Tonne; die Abscheidungskosten sind niedriger für Anlagen, die einen konzentrierteren_CO2-Strom emittieren, wie Bioethanol-, Ammoniak- und Erdgasverarbeitungsanlagen^.24  

In zahlreichen Bereichen wird geforscht, um die Leistung von_{CO2-Abscheidungssystemen} zu verbessern und ihre Kosten zu senken. Zu den Bereichen, die aktiv untersucht werden, gehören fortschrittliche Sorptions- und Lösungsmittelsysteme, die eine höhere Absorptionskapazität, einen geringeren Energiebedarf für die Regeneration, eine höhere Toleranz gegenüber Verunreinigungen und andere Vorteile aufweisen. Außerdem wird an der Entwicklung verbesserter Membranen mit geringeren Kosten, höherer Haltbarkeit, besserer Durchlässigkeit und Selektivität für_CO2 sowie höherer Toleranz gegenüber Verunreinigungen gearbeitet. Weitere potenziell vielversprechende Bereiche für technologische Fortschritte sind hybride Systeme, die mehr als eine Abscheidungstechnologie kombinieren, und neuartige Konzepte wie die kryogene Trennung und elektrochemische Membranen^.25    

3.2 Vergasung von Biomasse

Biomasse kann als Alternative zu abgeschiedenem_CO2 auch den Kohlenstoff liefern, der für die Herstellung klimafreundlicher synthetischer Flüssigkraftstoffe benötigt wird. Bei diesem Verfahren wird ein Biomasse-Rohstoff vergast, um Synthesegas zu erzeugen, das dann über Fischer-Tropsch in tropffähigen synthetischen Düsenkraftstoff umgewandelt werden kann. Die wichtigsten Schritte des Vergasungsprozesses sind in Abbildung 1 dargestellt. 

Kurz gesagt umfasst die Biomassevergasung zunächst die Ernte, die Vorbehandlung (z. B., einen Pyrolyseschritt, bei dem die Biomasse unter Ausschluss von Sauerstoff hohen Temperaturen ausgesetzt wird, um Kohlenwasserstoffgase ("Teer") und verkohlte Biomasse (Holzkohle) zu erzeugen;) und schließlich einen Vergasungsschritt, bei dem eine Abfolge von Oxidations- und Reduktionsreaktionen (in der Regel durch Verbrennen der Pyrolyseprodukte in Luft bei großer Hitze und anschließendes Leiten von_CO2 und Dampf über ein sehr heißes Holzkohlebett) zur Umwandlung eines erheblichen Teils der Teergase und der Holzkohle in_H2 und CO genutzt wird. Da bei der Vergasung Nebenprodukte und Verunreinigungen wie Partikel, Schwefel- und Stickoxide sowie Kohlenwasserstoffe wie Teer anfallen, muss das Synthesegas in der Regel in einem letzten Schritt gereinigt werden, bevor es für die Synthese eines flüssigen Kohlenwasserstoffkraftstoffs oder für andere Zwecke verwendet werden kann. Dieses Verfahren wird von den Unternehmen häufig an ihre spezifischen Prozessanforderungen angepasst, einschließlich der direkten Verwendung des zuvor im Vergasungsprozess_{erzeugten CO2} für die Alkoholsynthese.  

Abbildung 1: Erklärung der ^{Biomassevergasung26}  

Die Vergasung von Biomasse stößt derzeit auf Interesse als mögliche Alternative oder Ergänzung zur Herstellung von E-Kraftstoffen unter Verwendung von abgeschiedenem_CO2. Die Kosten für Biomassevergasungsprozesse, die heute in Raffinerien eingesetzt werden, variieren stark, wobei die Kosten für die Produktion von Flüssigbrennstoffen (einschließlich Ethanol, Methanol und F-T-Kraftstoffe) zwischen 2.023 und 36.200 US-Dollar pro Tonne liegen^.27 Die Beispiele am unteren Ende sind für die Ethanol- und Methanolsynthese, und obwohl die Details dieser Prozesse zweifellos unterschiedlich sind, ähneln diese Produktionswege denen, die für die kommerziellen Projekte von HIF Global in Chile, Uruguay und Tasmanien geplant sind. Nach Angaben von HIF Global wird jede dieser Anlagen Biomasseabfälle aus nahe gelegenen Wäldern als nachhaltige Kohlenstoffquelle für die Herstellung synthetischer Kraftstoffe nutzen. Zusammen verfügen sie über eine Elektrolyseur-Kapazität von über 1,5 Gigawatt (GW) und werden über 1 Million Tonnen synthetisches Methanol pro Jahr produzieren. HIF Global beabsichtigt außerdem, im Jahr 2024 mit dem Bau einer größeren Anlage in Texas zu beginnen. Die Pläne für diese Anlage sehen 1,8 GW Elektrolyseur-Kapazität und eine erwartete Produktion von 1,4 Millionen Tonnen synthetischem Methanol vor. Synthetisches Methanol kann mittels der Alkohol-zu-Jet-Technologie in Flugkraftstoff umgewandelt werden. 

Diese Art von Projekten spiegelt den Optimismus wider, dass die Biomassevergasung eine attraktive, kurzfristige Option für die Herstellung von klimafreundlichem Flugkraftstoff sein könnte, insbesondere an Standorten, an denen kostengünstige Biomasse oder Abfallstoffe in der Nähe von kostengünstigen, kohlenstoffarmen Energiequellen verfügbar sind. Zu den Bereichen, die derzeit untersucht werden, gehören Prozessverbesserungen und Vergasungstechnologien, die die Synthesegasausbeute erhöhen und gleichzeitig den Energiebedarf des Systems und die Anforderungen an die Synthesegasreinigung verringern. Zusätzlich beeinflusst die Art der Biomasse, die vergast wird, die Kohlenstoffintensität des entstehenden Brennstoffs, so dass eine Bewertung des alternativen Verbleibs des Biomasse-Rohstoffs - d.h., was mit dem Rohstoff passiert wäre, wenn er nicht für die Brennstoffproduktion gesammelt worden wäre - als Teil der Lebenszyklus-THG-Bewertung vorgenommen werden muss. Die Kohlenstoffintensität von SAF, die mit Kohlenstoff aus landwirtschaftlichen Rückständen wie Maisstroh hergestellt wird, ist wahrscheinlich relativ gering, da sich das Maisstroh, wenn es nicht für die Kraftstoffherstellung gesammelt worden wäre, zumindest teilweise zersetzt und Kohlenstoff wieder in die Atmosphäre freigesetzt hätte. Wurde der Kohlenstoff stattdessen durch die Ernte und Vergasung eines noch wachsenden Baumes gewonnen, könnte die Kohlenstoffintensität des resultierenden SAF relativ hoch sein, da der Baum andernfalls möglicherweise noch jahrelang Kohlenstoff aufgenommen und gespeichert hätte. Wie bei der punktuellen Vergasung CO2-abscheidung ist auch hier die Emissionsbilanzierung schwierig, und bestimmte Teile des Vergasungsprozesses lassen sich nicht ohne weiteres elektrifizieren. Es wird wichtig sein, die Details richtig zu gestalten, um sicherzustellen, dass klimaschonende Lösungen gedeihen.

3.3 Direktluft CO2-abscheidung

Im Gegensatz zu Punktquellen CO2-abscheidung entfernen direct air capture (DAC) Technologien_CO2 aus der Umgebungsluft. Dieser Ansatz hat den Vorteil, dass er überall umgesetzt werden kann: Da DAC-Anlagen eigenständig sind, muss ihr Betrieb nicht in den einer anderen Industrieanlage integriert werden. Dies macht die Technologie in hohem Maße skalierbar, was in Gesprächen mit dem University College London (UCL) festgestellt wurde. Allerdings ist Kohlendioxid in der Atmosphäre um mehrere Größenordnungen weniger konzentriert als im Abgasstrom einer Verbrennungsquelle. Die technisch-wirtschaftliche Herausforderung für die DAC-Technologie besteht daher in der Entwicklung von Methoden zur kostengünstigen und energieeffizienten Entfernung bedeutender_CO2-Mengen aus einer verdünnten Quelle.  

Abbildung 2: Schematische Darstellung eines ^{DAC-Flüssiglösungsmittelsystems28}  

Ein Schema zur Veranschaulichung des grundlegenden Ansatzes ist in Abbildung 2 dargestellt. Wie bei den Punktquellen CO2-abscheidung basieren die meisten aktuellen Konzepte auf einem flüssigen Lösungsmittel oder einem festen Sorptionsmittel, das_CO2 selektiv absorbiert_{, wenn es} der Umgebungsluft ausgesetzt wird. Da DAC-Systeme sehr viel größere Luftmengen bewegen müssen, um eine nennenswerte_CO2-Menge abzuscheiden, sind sie in der Regel mit großen Gebläseanordnungen ausgestattet. Bei einigen Anlagen reagiert das_CO2 mit einer flüssigen Lösung, um einen Feststoff zu erzeugen, der bei Erwärmung reines_CO2-Gas freisetzt; bei anderen Anlagen wird der Filter oder das Sorptionsmittel direkt erhitzt, um einen konzentrierten_CO2-Strom zu erzeugen. Wie bei der Punktquellenabscheidung und der Biomassevergasung ist der Energiebedarf für den Betrieb des DAC-Systems ein wichtiger Faktor.  

Eine Vielzahl von DAC-Systemen wurde vorgeschlagen, und mehr als ein Dutzend Pilot- und Demonstrationsanlagen wurden in den letzten zehn Jahren in den Vereinigten Staaten, Kanada und Europa errichtet. Die drei größten Unternehmen, die derzeit im Bereich DAC tätig sind, sind das US-Unternehmen Global Thermostat mit Pilotanlagen in Kalifornien und Alabama, das kanadische Unternehmen Carbon Engineering mit einer Pilotanlage in British Columbia und das Schweizer Unternehmen Climeworks mit Anlagen in Island, der Schweiz und Italien^.29 Derzeit sind zwei kommerzielle DAC-Anlagen in Betrieb: Die erste, von Climeworks entwickelte Anlage befindet sich in Island und ist seit 2021 in Betrieb; die zweite, in Kalifornien gelegene und von Heirloom Carbon Technologies entwickelte Anlage wurde 2023 in Betrieb genommen. Beide Anlagen nutzen erneuerbare Energien (im Fall der Climeworks-Anlage Geothermie), verwenden ein festes Sorptionsmittel (Kalziumoxid im Fall der Heirloom-Technologie) und sind für die Abscheidung von Tausenden von Tonnen_CO2 pro Jahr ausgelegt. Die Climeworks-Anlage außerhalb von Reykjavik in Island bindet etwa 4.000 Tonnen_CO2 pro Jahr; die Heirloom-Anlage in Tracy, Kalifornien, ist für die Abscheidung von etwa 1.000 Tonnen pro Jahr ausgelegt^.30  

Die erste Anlage von Carbon Engineering soll im Jahr 2025 in Betrieb gehen. In einem Interview mit CATF wiesen Vertreter des Unternehmens auf die Pläne hin, dass die erste Anlage 0,5 Millionen Tonnen pro Jahr und eine zweite Anlage, die in Texas gebaut werden soll, bis zu 1 Million Tonnen pro Jahr abscheiden soll. Carbon Engineering plant, bereits entwickelte kommerzielle Verfahren zu nutzen und sie miteinander zu verbinden, um die Energieeffizienz schnell zu verbessern, während die ersten Anlagen in Betrieb genommen werden. Bei diesen Anlagen, wie auch bei anderen, die für die Zukunft geplant sind, liegt der Schwerpunkt auf der Suche nach erneuerbaren, zusätzlichen und kohlenstoffarmen Energiequellen - eine schwierige Herausforderung, die durch die Standortflexibilität der DAC-Technologie teilweise gemildert wird. Im Wesentlichen sucht Carbon Engineering nach Standorten, an denen Wind- und Sonnenenergie im Überfluss vorhanden sind und an denen es wenig Bedenken hinsichtlich konkurrierender Landnutzungen gibt, die die Entwicklung von DAC einschränken könnten. HIF Global ist ein weiteres Unternehmen, das sich nachdrücklich für DAC einsetzt. Es hat eine Kooperationsvereinbarung mit Baker Hughes für die Entwicklung und Erprobung von DAC-Anlagen in den Vereinigten Staaten geschlossen. HIF Global plant außerdem eine DAC-Demonstrationsanlage, die in seiner Anlage in Haru Oni installiert werden soll und auf einer Technologie basiert, die gemeinsam mit Porsche und MAN entwickelt wird. 

Wie in einigen unserer Gespräche hervorgehoben wurde, ist die Konzentration auf gemeinsame Standorte, getestete Prozesse, Energieeffizienz und starke Partnerschaften von entscheidender Bedeutung, wenn der DAC-Markt wächst - andernfalls könnten hohe Kosten die weitere Entwicklung stoppen. Abgesehen von den oben erörterten Sonderfällen reichen die Kostenschätzungen für derzeit verfügbare DAC-Systeme in der Literatur von 600 bis über 1.000 US-Dollar pro Tonne_CO2 - deutlich höher als die Kosten für die Abscheidung an Ort und Stelle und andere Klimaschutzoptionen^.31 Auch wenn die aktuelle Kostenspanne der IEA für DAC-Systeme ohne Speicherung, die auf einer Bewertung aus dem Jahr 2019 basiert, optimistischer ist ($134-$342 pro Tonne), ist es wahrscheinlich, dass die Kosten weiter sinken müssen: $100 pro Tonne wird oft als grobes Kostenziel genannt, um den Einsatz von DAC in größerem Maßstab zu rechtfertigen^.32  

Wie schnell sich der Markt für abgeschiedenes_CO2 entwickeln wird, ist jedoch umstritten. Einige Unternehmen, die derzeit die DAC-Technologie entwickeln, wie z. B. Carbon Engineering, sagen, dass sie von der Replikation und dem Scale-up erhebliche Kostensenkungen erwarten, während Befürworter auf die jüngsten Investitionen von Unternehmen und Regierungen in DAC als Gründe für den Optimismus über die zukünftige Entwicklung der Technologie verweisen^.33 Der expandierende Markt für E-Treibstoffe sollte auch die Nachfrage nach_CO2 erhöhen, was Investitionen ankurbeln und schließlich die Preise senken würde. Andere Analysten warnen jedoch davor, dass die derzeitige Unterstützung nicht ausreicht, um die für eine drastische Kostensenkung erforderlichen technologischen Durchbrüche zu erzielen. So warnt BCG in einer aktuellen Bewertung, dass DAC Gefahr läuft, hinter seinem Potenzial zurückzubleiben, weil die Unterstützung von Regierungen und anderen Akteuren" bei der Senkung der Kostenkurve vergleichsweise gering ist. Nach dieser Bewertung ist es entscheidend, dass die Kosten für DAC auf 150 Dollar pro Tonne oder weniger sinken, wenn es bis 2050 in großem Umfang eingesetzt werden soll^.34  

3.4 Ozean CO2-abscheidung

Ein weiteres, neueres Konzept zur Bereitstellung von_CO2 für die Herstellung synthetischer Kraftstoffe ist die Abscheidung von_CO2 aus dem Meerwasser. Die Ozeane, die schätzungsweise 25 % der anthropogenen fossilen_{CO2-Emissionen} seit Beginn des Industriezeitalters absorbiert haben^,35 sind das größte Kohlenstoffreservoir der Welt, und die_{CO2-Konzentration} im Meerwasser ist etwa 120-150 Mal so hoch wie die_{CO2-Konzentration} in der Atmosphäre.  

Es wurden elektrochemische Verfahren zur Entfernung von_CO2 aus dem Meerwasser vorgeschlagen, die derzeit untersucht werden. Vereinfacht gesagt, wird bei diesen Verfahren Elektrizität verwendet, um Wasser- und Salzmoleküle im Meerwasser in saure und basische Lösungen umzuwandeln. Gasförmiges_CO2 kann dann durch Elektrodeionisation oder Elektrodialyse aus dem sauren Strom abgetrennt werden. Ein solches System könnte so konzipiert werden, dass es etwas basischeres,_CO2-armes Wasser in den Ozean zurückführt, was dazu beitragen könnte, der Versauerung der Ozeane entgegenzuwirken und die Fähigkeit des Ozeans,_CO2 aus der Atmosphäre zu absorbieren, zu erhöhen - was weitere Vorteile für das Klima mit sich bringen würde. Abbildung 3 zeigt eine Vision für ein umfassendes Ozeanabscheidungssystem.  

Abbildung 3: Elektrochemische ^Entfernung von Kohlendioxid aus dem Meer36 

Ungeachtet dieser theoretischen Vorteile stehen die Wege der_{CO2-Abscheidung} im Meer vor Kosten- und Technologieproblemen. In der Größenordnung der_{CO2-Abtrennung}, die für die Massenproduktion synthetischer Kraftstoffe erforderlich ist, könnten die Auswirkungen auf die Meeresökologie und die damit verbundenen Anforderungen an die Infrastruktur Anlass zu erheblichen Bedenken geben. Wie bei der DAC sind die beteiligten elektrochemischen Prozesse energieintensiv; darüber hinaus verursacht die Notwendigkeit, große Mengen an Meerwasser zu pumpen, zu behandeln und zu kühlen, weitere große Energie- und Kostennachteile. Die genauen Kosten sind nicht bekannt, aber erste Schätzungen deuten darauf hin, dass sie bei einigen Prototypsystemen bei über 100 $ pro Tonne_CO2 liegen könnten. Außerdem ist die wissenschaftliche Überprüfung der Fähigkeit des Ozeans, eine entsprechende Menge_CO2 wieder aufzunehmen, noch nicht abgeschlossen. Derzeit geht man davon aus, dass der größte Teil des aus dem Meer entnommenen_CO2 nach 1 bis 2 Jahren wieder aus der Luft aufgenommen wird und der Rest weitere 5 bis 10 Jahre dauert. 

Diesen unbeantworteten Fragen und offensichtlichen Nachteilen steht die Tatsache gegenüber, dass die Technologie skalierbar sein sollte (angesichts der riesigen Fläche, die für die Verbindung mit Abscheidungssystemen zur Verfügung steht), dass sie mit Offshore-Windkraftanlagen kombiniert werden kann, um die Energieprobleme zu mildern, und dass sie im Gegensatz zu DAC nicht mit anderen Nutzungen um Land konkurriert. All diese Punkte, Vor- und Nachteile, wurden in dem Gespräch von CATFmit World Energy hervorgehoben. Es wird daran gearbeitet, die Herausforderungen der Ozeanabscheidung zu bewältigen, wobei die Entwicklung der erforderlichen Technologien über relativ kleine Demonstrationsprojekte erfolgt. Ein Beispiel ist Captura, ein Unternehmen, das versucht,_CO2 aus dem Meerwasser zu entfernen, ohne Zusatzstoffe oder Nebenprodukte in den Ozean freizusetzen^.37 Das erste Pilotprojekt von Captura im Jahr 2022 fängt eine Tonne_CO2 pro Jahr ab. Ein System mit einer Kapazität von 100 Tonnen pro Jahr wurde dann 2023 im Hafen von Los Angeles installiert, und es ist geplant, die Anlage in Kürze auf 1000 Tonnen pro Jahr zu erweitern. Gleichzeitig werden erhebliche Anstrengungen unternommen, um die Auswirkungen des Abscheidungssystems auf den Ozean zu überwachen, zu melden und zu überprüfen^.38 Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die Abscheidung von Kohlenstoff aus dem Meerwasser ein relativ neues Konzept ist, das aber je nach den Ergebnissen der künftigen Forschung und Entwicklung eine Rolle bei der Beschaffung von_CO2 für synthetische Flugkraftstoffe und andere Dekarbonisierungsmaßnahmen spielen könnte. 

3.5 Kohlenstoffarme Wasserstoffproduktion

Wasserstoff ist ein entscheidender Faktor bei allen Produktionswegen für nachhaltige Flugkraftstoffe - er wird sogar benötigt, um die Arten von Bio-SAF zu produzieren, die bereits kommerziell erhältlich sind. Damit synthetische Flugkraftstoffe als kohlenstoffarm oder kohlenstofffrei gelten können, muss auch der zu ihrer Herstellung verwendete Wasserstoff geringe oder gar keine vorgelagerten Treibhausgasemissionen aufweisen. Diese Diskussion konzentriert sich in erster Linie auf Wasserstoff, der durch Wasserelektrolyse unter Verwendung von Elektrizität aus erneuerbaren Ressourcen hergestellt wird, d. h. auf das, was üblicherweise als "grüner" Wasserstoff bezeichnet wird. Wir erörtern jedoch auch kurz die Kostenschätzungen für "blauen" Wasserstoff, d. h. Wasserstoff, der mit herkömmlichen Methoden aus fossilen Brennstoffen (in der Regel Erdgas) hergestellt wird, mit CO2-abscheidung. Blauer Wasserstoff mit niedrigem Kohlenstoffgehalt wird wahrscheinlich eine Rolle als Übergangsoption spielen, vor allem in den frühen Phasen der Dekarbonisierung, wenn die konkurrierende Nachfrage nach Strom aus erneuerbaren Energiequellen die Fähigkeit der Hersteller zur Lieferung von grünem Wasserstoff auf elektrolytischem Wege einschränken könnte. Dieser Punkt wurde in einigen der Interviews von CATFaufgegriffen, in denen die Bedeutung von Produktionsoptionen in der Anfangsphase des Marktes hervorgehoben wurde, insbesondere angesichts des derzeitigen Kosten- und Technologierisikos im Zusammenhang mit der Elektrolyse.  

Ganz allgemein ist Wasserstoff als Prozessrohstoff kein neues Konzept; tatsächlich wird Wasserstoff bereits in großem Umfang in einer Vielzahl industrieller Anwendungen hergestellt und verwendet, unter anderem bei der Erdölraffination, zur Herstellung von Ammoniak für Düngemittel und bei der Produktion von Methanol^.39 Im Jahr 2020 erreichte die weltweite Wasserstoffproduktion nach Angaben der IEA 90 Millionen Tonnen^.40 Allerdings ist nur ein kleiner Teil der derzeitigen Wasserstoffproduktion als kohlenstoffarm einzustufen. Nach Angaben der IEA macht die Produktion durch Elektrolyse derzeit etwa 2 % des weltweiten Wasserstoffangebots aus, während die Elektrolyse mit erneuerbarem Strom einen noch geringeren Anteil ausmacht: in der Größenordnung von einem Zehntel Prozent des weltweiten Wasserstoffangebots^.41  

Stattdessen werden für die Wasserstoffproduktion heute fast ausschließlich fossile Brennstoffe verwendet, die relativ kohlenstoffintensiv sind. Weltweit werden jährlich etwa 59 Millionen Tonnen Wasserstoff aus Erdgas durch Methandampfreformierung hergestellt. Weitere 20 Millionen Tonnen pro Jahr werden aus Kohle durch Vergasung hergestellt (hauptsächlich in China), der Rest der weltweiten Produktion stammt aus Öl und Elektrizität. Etwa 16 % der weltweiten Wasserstoffproduktion im Jahr 2022 entfielen auf Nebenprodukt-Wasserstoff, der meist vor Ort verbraucht wird. Es wird geschätzt, dass die derzeitigen Methoden der Wasserstoffproduktion 6 % des weltweiten Erdgasverbrauchs ausmachen und dabei jährlich fast 900 Millionen Tonnen_{CO2-Emissionen} verursachen^.42  

Im Gegensatz dazu kann die Herstellung von Wasserstoff durch Elektrolyse - d. h. durch Durchleiten von elektrischem Strom durch Wasser, um die Wasserstoffatome von den Sauerstoffatomen zu trennen - mit sehr geringen Kohlenstoffemissionen verbunden sein, sofern der verwendete Strom aus emissionsfreien Quellen wie erneuerbaren Energien oder Kernenergie erzeugt wird. Abbildung 4 veranschaulicht schematisch die Schritte der elektrolytischen Wasserstofferzeugung. Im Gegensatz zu CO2-abscheidung, wo sich viele der zugrundeliegenden Technologien und Prozesse noch in den frühen Stadien der kommerziellen Entwicklung befinden, ist die Wasserelektrolyse relativ gut entwickelt und verstanden. Es gibt zwar Probleme bei der Maßstabsvergrößerung, aber die größeren Hürden für eine starke Ausweitung der Produktion von grünem Wasserstoff für den Markt für synthetische Kraftstoffe liegen in der Wirtschaftlichkeit und im Zugang zu kostengünstigen erneuerbaren Stromquellen.  

Abbildung 4: Systemschema eines ^{Elektrolyseurs43} 

Im Jahr 2021 beispielsweise lagen die Kosten für die Herstellung von Wasserstoff aus Erdgas in verschiedenen Teilen der Welt zwischen 0,50 $ pro Kilogramm (kg) und 1,70 $ pro kg, so die IEA. Im Gegensatz dazu liegen die derzeitigen Kosten für die Wasserstoffproduktion durch Elektrolyse mit erneuerbaren Energien zwischen 3 und 6 $ pro kg^.44 Einige optimistische Prognosen sagen voraus, dass die Produktionskosten für grünen Wasserstoff unter 1 $ pro kg fallen werden. 

Eine neuere Analyse von CATF ist weniger optimistisch^.45 Sie kommt zu dem Schluss, dass die durchschnittlichen Produktionskosten für sauberen Wasserstoff in absehbarer Zukunft höchstwahrscheinlich nicht unter 3 $/kg fallen werden, was zum großen Teil darauf zurückzuführen ist, dass die Preise für sauberen festen Strom wahrscheinlich nicht unter 40 $ pro Megawattstunde (MWh) fallen werden. Dennoch werden die Produktionskosten zwischen verschiedenen Projekten und Regionen erheblich schwanken, was auf viele Faktoren zurückzuführen ist, darunter die Kapitalkosten für erneuerbare Energien, die Kapitalkosten sowie die Betriebs- und Wartungskosten.  

Eine von World Energy in Neufundland entwickelte Anlage für grünen Wasserstoff ist ein Beispiel dafür, wie sich geografische Vorteile zur Senkung der Produktionskosten nutzen lassen. In Gesprächen mit CATF wies World Energy darauf hin, dass seine Anlage in Neufundland 3 GW Windenergie nutzen wird, um Elektrolyseure für die Wasserstoff- und spätere Ammoniakproduktion zu betreiben. Ziel des Unternehmens ist es, die Kohlenstoffintensität des Wasserstoffs zu senken, den es für die Aufwertung von Bio-SAF benötigt, aber eine Demonstration des Skalierungspotenzials von grünem Wasserstoff wird unabhängig davon eine breite Anwendung finden. World Energy ist der Ansicht, dass es letztendlich Möglichkeiten geben wird, die Produktion von grünem Wasserstoff zu skalieren, und dass die kosteneffiziente_{CO2-Beschaffung} wahrscheinlich die größere Herausforderung für synthetische Kraftstoffe darstellt, wenn sie in Zukunft Bio-SAF ersetzen sollen. Die Gespräche mit HIF Global wiesen indessen auf ein anderes Problem hin: die Gesamtnachfrage nach Wasserstoff. HIF Global würde den von ihm produzierten Wasserstoff gerne verkaufen, wies aber auf die Schwierigkeiten beim Transport von Wasserstoff und bei der Ermittlung von Märkten hin, die für die direkte Verwendung von Wasserstoff geeignet sind. Nach Ansicht des Unternehmens ist der Markt für die direkte Nutzung noch nicht ausgereift, und obwohl die Wasserstoffbestimmungen des U.S. Inflation Reduction Act in dieser Hinsicht hilfreich sein werden, ist der Zugang zu billigem, sauberem Strom die wichtigste kurzfristige Priorität für das Wachstum des grünen Wasserstoffmarktes. 

Wasserstoff kann auch kohlenstoffarm aus Erdgas hergestellt werden, wenn die_{CO2-Emissionen} aus konventionellen Produktionsverfahren wie der Methandampfreformierung am Standort der Anlage aufgefangen und unterirdisch gespeichert oder auf andere Weise von der Atmosphäre ferngehalten werden. Um kohlenstoffarm zu sein, muss Wasserstoff, der aus fossilen Brennstoffen hergestellt wird, alle vorgelagerten Methan- und_{CO2-Emissionen} aus der Versorgungskette für fossile Brennstoffe, einschließlich Methanleckagen aus der Erdgasförderung und dem Transport, minimieren. Der Betrieb von CO2-abscheidung Systemen erhöht jedoch den Gesamtenergiebedarf der Anlage und damit die Kosten - aus diesem Grund wird blauer Wasserstoff noch nirgendwo auf der Welt im kommerziellen Maßstab hergestellt. Die IEA schätzt, dass die Hinzufügung von CO2-abscheidung die Produktionskosten für blauen Wasserstoff auf etwa $1-$2 pro kg erhöht^.46   

Eine neuere, von CATF in Auftrag gegebene Analyse der Optionen für den Import von Wasserstoff nach Europa untersuchte die Kosten für die Herstellung von blauem Wasserstoff in verschiedenen Teilen der Welt^.47 Sie schätzte die Produktionskosten für blauen Wasserstoff auf 0,68 $ pro kg bis zu 2,45 $ pro kg, je nach Exportstandort und der modellierten Wasserstoffproduktionsmenge. Diese Kostenschätzungen beinhalten die Kapital- und Betriebskosten der Anlage unter der Annahme, dass die Wasserstoffproduktion mittels auto-thermischer Reformierung (ATR) mit Erdgas als Ausgangsstoff erfolgt, was hohe Raten von CO2-abscheidung (>97%) zu geringeren Kosten als bei konventionellen Dampf-Methan-Reformierungssystemen ermöglicht; vollständig erneuerbare Elektrizität; 97% Vorverbrennung CO2-abscheidung am Standort der Anlage; und pauschale Kosten von 20 $ pro Tonne für die_{CO2-Sequestrierung}. Das untere Ende dieser Kostenspanne (0,68 $/kg) spiegelt eine großvolumige Produktion mit kostengünstigem Erdgas wider, während das obere Ende (2,45 $/kg) eine kleinvolumige Produktion mit viel teurerem Erdgas widerspiegelt^.48 Grob gesagt stimmen diese Kostenschätzungen - die eine Reihe von Input-Annahmen von den günstigsten bis zu den ungünstigsten für die Produktion von blauem Wasserstoff umfassen - mit der Spanne von 1 bis 2 $ pro kg der IEA überein. 

Ein letzter Punkt ist, dass die Kosten für die Lieferung von Wasserstoff an eine Anlage zur Herstellung synthetischer Kraftstoffe wahrscheinlich auch Kosten für Transport und Speicherung beinhalten. Da die Handhabung von Wasserstoff in großen Mengen von Natur aus schwierig ist, könnten diese Kosten beträchtlich sein und im Bereich von 0,05 bis 0,15 $/kg für die Wasserstoffspeicherung in Salzkavernen und 0,20 bis 0,50 $/kg für den Wasserstofftransport per Pipeline^liegen49, wobei die höheren Kosten zu erwarten sind, wenn der Wasserstoff von einem weit entfernten Lieferanten bezogen wird. Die geringe Volumendichte von Wasserstoff bedeutet, dass er durch Kompression und/oder Kühlung verdichtet werden muss, um effizient in großen Mengen transportiert oder gespeichert werden zu können. Nach der Komprimierung kann gasförmiger Wasserstoff kostengünstig über Pipelines transportiert werden; alternativ kann er verflüssigt oder in einen chemischen "Träger" umgewandelt werden, der über große Entfernungen transportiert werden kann, wenn ein Transport über Pipelines nicht möglich ist. World Energy hat eine Möglichkeit gefunden, dieses Problem vorübergehend zu lösen. Das Unternehmen plädiert für ein "Book and Claim"-System, bei dem ein Unternehmen die Produktionsprämie zahlt, während ein anderes Unternehmen, das näher an der Produktion liegt, den sauberen Wasserstoff anstelle des aus fossilen Rohstoffen gewonnenen grauen Wasserstoffs verwendet. World Energy ist der Ansicht, dass eine solche Maßnahme in der Anfangsphase von entscheidender Bedeutung ist, um den Investoren zu zeigen, dass ein Interesse an kohlenstoffarmem Wasserstoff besteht, und so die Kapitalbeschaffung für künftige Produktionsanlagen zu unterstützen. Um wirksam zu sein, müsste ein Wasserstoffbuch- und -forderungssystem jedoch eine strenge Bilanzierung der Treibhausgasemissionen bei der Wasserstoffproduktion beinhalten. Andere Unternehmen wie HIF Global untersuchen die Möglichkeit, die Wasserstoffproduktion und die Produktion synthetischer Kraftstoffe am selben Standort anzusiedeln, wodurch es möglich wäre, Fässer mit flüssigen Kraftstoffen auf herkömmliche Weise zu verschiffen, anstatt den Wasserstoff transportieren zu müssen.  

4. Die Rolle der synthetischen Kraftstoffe

Als Drop-in-Kraftstoff, der Kerosin direkt ersetzen kann, ist die Rolle synthetischer Düsenkraftstoffe von besonderem Interesse, da sie viele der Vorteile von Bio-SAF bieten, ohne die Einschränkungen bei den Rohstoffen und die Bedenken hinsichtlich der Nachhaltigkeit, die für die herkömmliche großtechnische Herstellung von Biokraftstoffen gelten. Angesichts der Ungewissheit über die langfristigen Auswirkungen von Biokraftstoffen auf die Flächennutzung kann synthetischer Kraftstoff, der aus abgeschiedenem Kohlenstoff und kohlenstoffarmem Wasserstoff hergestellt wird, auch größere und verlässlichere Klimavorteile bieten. Die tatsächlichen Emissionsvorteile hängen von den Einzelheiten des Produktionsprozesses ab, und jeder daraus resultierende Kraftstoff müsste durch eine strenge Lebenszyklusanalyse validiert werden. Im Gegensatz zu Bio-SAF würde diese Option jedoch im besten Fall (d. h. wenn der Kraftstoff aus sauberem Wasserstoff und aus der Luft gewonnenem_CO2 synthetisiert wird und während des gesamten Prozesses erneuerbare Energien zum Einsatz kommen) eine nachhaltige, klimaneutrale Luftfahrt ermöglichen. Die klimafreundliche Herstellung synthetischer Kraftstoffe bringt jedoch ihre eigenen Herausforderungen mit sich. Erstens ist der Prozess mit einem hohen Energiebedarf verbunden, einschließlich eines beträchtlichen Strom- und Wärmebedarfs für die Herstellung von Wasserstoff und den Betrieb der Systeme von CO2-abscheidung . Ein weiteres Problem ist der Stand der Technik: Während die zugrundeliegenden Methoden wie die Wasserelektrolyse und die Fischer-Tropsch-Synthese (F-T) gut bekannt sind, müssen einige der Systeme und Technologien, die für die kohlenstofffreie Herstellung synthetischer Kraftstoffe erforderlich sind, erst noch demonstriert und in großem Maßstab kommerzialisiert werden.  

4.1 Wege zur Herstellung synthetischer Kraftstoffe

Derzeit werden vor allem zwei Wege zur klimafreundlichen Herstellung von synthetischem Düsenkraftstoff erforscht. Der erste Weg beinhaltet die Umwandlung von_CO2 in Kohlenmonoxid (CO) und Wasser (_H2O)über eine umgekehrte Wasser-Gas-Shift-Reaktion und die anschließende Verwendung von F-T zur katalytischen Synthese von Düsentreibstoff aus CO und Wasserstoff (_H2). Zu den klimafreundlichen_CO2-Quellen für diesen Weg, die im vorigen Kapitel ausführlich erörtert wurden, könnte_CO2 gehören, das aus einer großen industriellen Punktquelle, direkt aus der Atmosphäre oder aus Meerwasser abgeschieden wird. Eine weitere potenziell klimafreundliche Option, die nicht auf abgeschiedenem_CO2 beruht, ist die Vergasung von Abfällen oder Biomasse zur Erzeugung von Synthesegas, das dann mittels F-T in synthetischen Düsenkraftstoff umgewandelt werden kann. Ein potenzieller Vorteil dieses Weges ist die direkte Anwendung des F-T-Verfahrens, das gut bekannt ist und sich seit Jahrzehnten bei der Herstellung flüssiger Kohlenwasserstoffkraftstoffe für eine Reihe von Anwendungen bewährt hat. F-T war auch das erste Verfahren, das für die Herstellung von Drop-in-Flugzeugtreibstoffen zertifiziert wurde.  

Ein zweiter Weg, der die Umwandlung von Alkohol in Düsentreibstoff beinhaltet und kein F-T erfordert, ist ebenfalls erwähnenswert. Bei diesem Weg wird ein Alkohol (z. B. Ethanol oder Methanol) mit Hilfe einer als_{CO2-Hydrierung} bekannten Technik hergestellt. Dieser Alkohol wird dann dehydriert und mit Hilfe von Katalysatoren über einen als Oligomerisierung bezeichneten Prozess in komplexere, langkettige Kohlenwasserstoffe umgewandelt. Die durch Oligomerisierung gewonnenen langkettigen Kohlenwasserstoffe können dann zu synthetischem Düsenkraftstoff weiterverarbeitet werden. Eine Variante dieses Weges, bei der Methanol (_CH3OH) als Zwischenschritt hergestellt wird, wird derzeit von mehreren Unternehmen untersucht.  

Gegenwärtig stehen die Unternehmen auf dem aufstrebenden Markt für synthetische Kraftstoffe noch vor vielen kommerziellen und technischen Herausforderungen, und jede Lösung für einen Produktionsprozess muss aus beiden Perspektiven sinnvoll sein. Im Fall von ETFuels führte das Bemühen, einen wirtschaftlich tragfähigen Prozess zu finden, dazu, dass sich ETFuels auf eine einzige Wertschöpfungskette konzentrierte, die ein netzunabhängiges Modell für erneuerbare Energien nutzt. Daher konzentriert sich das Unternehmen derzeit auf die Herstellung von E-Methanol durch_{CO2-Hydrierung} anstelle der direkten SAF-Synthese mit Fischer-Tropsch. ETFuels ist der Ansicht, dass Methanol aufgrund des netzunabhängigen Modells, das die Kosten senkt, und der Vielseitigkeit des kohlenstoffarmen synthetischen Methanols, das Zugang zu mehreren Abnahmemärkten bietet, einen guten Business Case darstellt. Außerdem ist der Syntheseprozess aus technischer Sicht modularer und flexibler. Dies trägt dazu bei, die Kapitalkosten niedrig zu halten und ermöglicht Skalierbarkeit. Schließlich birgt die Methanolerzeugung weniger technische Risiken als die F-T-Synthese, da weniger Prozesswärme benötigt wird und nicht viele Nicht-SAF-Produkte anfallen. ETFuels ist der Ansicht, dass F-T in der Zukunft sinnvoll sein könnte, aber im Moment bevorzugt das Unternehmen den Methanolweg.   

HIF Global konzentriert sich aus vielen der gleichen Gründe auf den gleichen Weg. Das Unternehmen weist darauf hin, dass es F-T an Flexibilität mangelt, da es einen Kapazitätsfaktor von nahezu 100 % bei den Rohstoffen erfordert. Bei der_{CO2-Hydrierung} zur Herstellung von Methanol hingegen kann die eingesetzte Energie hoch- und runtergefahren werden, was gut zu den Schwankungen passt, die mit erneuerbaren Energien einhergehen. Die Abhängigkeit von F-T würde wahrscheinlich erfordern, dass der Kraftstoffhersteller Strom aus dem Netz bezieht oder viele Batterien für die Energiespeicherung vor Ort kauft - beides sehr teure Optionen, die die Kostenvorteile einer Raffinerie an einem netzfernen, zweckmäßig ausgewählten Standort schmälern würden. Darüber hinaus wurde die umgekehrte Wasser-Gas-Shift-Reaktion bisher noch nicht in großem Maßstab demonstriert, ist aber dennoch für F-T erforderlich, was ein zusätzliches technisches Risiko darstellt. HIF Global weist auch auf das Problem der Erzeugung mehrerer Produkte im F-T-Prozess hin, die dann behandelt,^gecrackt50 und aufbereitet werden müssen. Carbon Engineering konzentriert sich auf die Skalierung von DAC und nicht auf die Herstellung von E-Treibstoffen nach dem F-T-Verfahren, da die wichtigsten technologischen Komponenten (umgekehrte Wassergasverschiebung, Produktion von kohlenstoffarmem Wasserstoff), die für die Herstellung von E-Treibstoffen benötigt werden, bereits vorhanden sind. Das Unternehmen ist sich bewusst, dass die Kombination von aus der Atmosphäre abgeschiedenem_CO2 mit kostengünstigem, sauberem Wasserstoff in Zukunft Teil des Weges zur Dekarbonisierung schwer abbaubarer Sektoren wie der Luftfahrt sein kann.  

Unabhängig davon, ob das F-T-Verfahren wirtschaftlich sinnvoller wird oder die Unternehmen weiterhin Methanol als Zwischenprodukt verwenden, werden die entstehenden E-Kraftstoffe Infrastrukturanforderungen mit sich bringen, die bewältigt werden müssen. Diese Anforderungen hängen vom Standort ab, aber wenn die Raffinerie für synthetische Kraftstoffe nicht zusammen mit einer_CO2-Quelle angesiedelt werden kann, muss das_CO2 über eine Pipeline oder, wie von ETFuels erwähnt, per LKW oder Bahn zur Raffinerie gebracht werden. Auch auf der Seite des Flughafens wird eine Infrastruktur benötigt. Das SFO beispielsweise hat ein Null-Kohlenstoff-Ziel, das darauf abzielt, den Energieverbrauch des Flughafens zu senken und bis 2030 alle kohlenstoffintensiven Energiequellen vor Ort zu entfernen. Im Rahmen dieser Initiative plant das SFO, seinen Einsatz von SAF zu erhöhen, um das kalifornische Ziel einer 20-prozentigen Beimischung bis zum Ende des Jahrzehnts zu erreichen. Das SFO schloss 2018 eine Infrastruktur-, Lieferketten- und Machbarkeitsstudie ab, die es dem SFO ermöglicht, ab 2019 kontinuierlich SAF über eine Pipeline zu beziehen. Obwohl SAF ein Drop-in-Kraftstoff ist, der ohne Änderungen an der aktuellen Flughafeninfrastruktur empfangen, verteilt und in die Flugzeuge geladen werden kann, muss das SFO die Logistik der Verbindung von SAF von seinem Produktionsort zu den Flughafeneinrichtungen besser verstehen. Da neue und verschiedene SAF-Lieferanten auf den Markt drängen, müssen möglicherweise neue Transportknotenpunkte entwickelt werden, um SAF mit bestehenden Pipelines oder der Flughafeninfrastruktur zu verbinden. 

Bio-SAF ist zwar die fortschrittlichste Alternative für Flugkraftstoff, die heute verfügbar ist, und viele Unternehmen der Branche haben bereits Liefervereinbarungen für Bio-SAF abgeschlossen, doch UCL stellt fest, dass die Kosten in Zukunft steigen könnten, wenn die Nachfrage nach SAF über die Menge hinausgeht, die mit billigeren Rohstoffen bei der geplanten Kapazität gedeckt werden kann, so dass der Markt gezwungen ist, auf synthetische Kraftstoffe auszuweichen. Ausgehend von den Erkenntnissen, die CATFin Gesprächen mit Branchenteilnehmern gewonnen hat, muss sich der aufkeimende Markt für synthetische Kraftstoffe und verwandte Technologien in den kommenden Jahrzehnten durchsetzen, so dass eine kohlenstoffarme, mischungsfähige Drop-in-Kraftstoffoption zur Verfügung steht, die die Nachfrage in der Luftfahrt decken kann.  

4.2 Kostenschätzungen für kohlenstoffarmen oder kohlenstofffreien synthetischen Flugzeugtreibstoff

Die Herstellung von synthetischen Kraftstoffen ist derzeit teuer - viel teurer als die Herstellung von herkömmlichem Düsenkraftstoff oder Bio-SAF. In einer neueren Analyse von Bergero et al^.51 werden die Kosten für die Herstellung von synthetischem Düsenkraftstoff auf etwa 2,60 $ pro Liter geschätzt, wenn man davon ausgeht, dass die Kosten für elektrolytischen Wasserstoff bei 4,50 $ pro kg und die Kosten für abgeschiedenes_CO2bei 250 $ pro Tonne liegen. In der Studie wird festgestellt, dass die Produktionskosten von 2,60 $ pro Liter mehr als dreimal so hoch sind wie die weltweiten Durchschnittskosten für fossilen Düsenkraftstoff im Jahr 2022. Den Autoren zufolge stimmen ihre Schätzungen weitgehend mit anderen neueren Studien überein, in denen die Kosten für synthetischen Kraftstoff zwischen 1,30 und 4,70 US-Dollar pro Liter liegen. Bergero et al. weisen auch darauf hin, dass Größenvorteile und "Learning-by-doing" die Kosten für Elektrolyseure und CO2-abscheidung in Zukunft erheblich senken könnten, wodurch synthetische Kraftstoffe wettbewerbsfähiger würden. 

Eine weitere aktuelle Studie von Gössling und Humpe kommt zu ähnlichen Schätzungen für die derzeitigen Kosten der E-Fuels-Produktion: 2,53 bis 2,63 $ pro Liter, je nachdem, ob der Strom durch Solar- oder Onshore-Windkraft erzeugt wird, wobei für das Jahr 2050 nur ein bescheidener Kostenrückgang - auf 2,20 bis 2,38 $ pro Liter - prognostiziert wird. Der Kostenrückgang resultiert in erster Linie aus einer Verringerung des Strombedarfs für die Produktion von E-Fuels von 32 kWh/Liter im Jahr 2025 auf 20 kWh/Liter im Jahr 2050^.52   

Die Schätzungen einer IEA-Analyse der Optionen für synthetische Kraftstoffe zur Dekarbonisierung des Verkehrssektors im Jahr 2024 stimmen ebenfalls weitgehend mit den Ergebnissen von Bergero et al. sowie Gössling und Humpe überein^.53 Die IEA kommt insbesondere zu dem Schluss, dass die Kosten für die Herstellung von synthetischem Kerosin heute zwischen 2,50 und 4,20 US-Dollar pro Liter liegen dürften^,54 wobei das untere Ende einen optimierten Fall einer Großanlage an einem Standort mit Zugang zu hochwertigen Wind- und Photovoltaik-Ressourcen (PV) mit hohem Kapazitätsfaktor und kostengünstigen biogenen Rohstoffen darstellt, während das obere Ende nicht optimierte Bedingungen widerspiegelt.  

Weitere Kostenschätzungen sind in der Literatur zu finden. So schätzt eine Analyse der britischen Royal Society die Kosten für synthetischen Düsenkraftstoff auf 3,47 bis 4,52 Dollar pro Liter, je nachdem, ob der benötigte_CO2-Input durch punktuelle Quellen CO2-abscheidung oder durch die teurere DAC bereitgestellt wird^.55 Eine andere Studie, die die Machbarkeit einer zusätzlichen Produktion von synthetischem Treibstoff in einer bestehenden, mit Biomasse betriebenen Kraft-Wärme-Kopplungsanlage (KWK) in Östersund, Schweden, untersucht, kommt dagegen zu wesentlich niedrigeren Kostenschätzungen: ca. 1,5 $/Liter, wobei die Kosten für das Alkohol-zu-Jet-Treibstoff-Verfahren im Vergleich zum F-T-Verfahren nur geringfügig (3 %) höher sind^.56 Die schwedischen Ergebnisse spiegeln wider, wie wichtig es ist, Rohstoffe und erneuerbare Energien bewusst an einem Ort zu platzieren, um die Kosten zu minimieren, solange der Markt noch im Entstehen begriffen ist - ein Punkt, der in mehreren Interviews angesprochen wurde. Am schwedischen Standort wird das_CO2 durch die Implementierung einer aminbasierten Abscheidung in einem bestehenden Heizkraftwerk bereitgestellt, das hauptsächlich mit holzartiger Biomasse betrieben wird; darüber hinaus bietet das Heizkraftwerk Möglichkeiten zur Energieintegration, die den thermischen Gesamtwirkungsgrad des Prozesses verbessern^.57 Am wichtigsten ist jedoch, dass der Standort Zugang zu einer reichhaltigen Versorgung mit kostengünstigem Strom aus erneuerbaren Energien bietet. Dieser Vorteil ist von entscheidender Bedeutung, da die schwedische Analyse, die mit anderen Kostenstudien übereinstimmt, zu dem Ergebnis kommt, dass die Gesamtkosten für die Herstellung von E-Kraftstoffen von den Kosten für Strom aus erneuerbaren Energien dominiert werden, der in erheblichen Mengen für die Wasserstofferzeugung durch Elektrolyse und für andere Schritte im Kraftstoffsyntheseprozess benötigt wird.  

Das schwedische Beispiel und die Beispiele aus den Interviews von CATFmit Unternehmen, die in diesem Bereich tätig sind, veranschaulichen einen wichtigen allgemeineren Punkt: Die besten kurzfristigen Möglichkeiten für die Herstellung synthetischer Kraftstoffe im Hinblick auf die Minimierung der Kosten und die Maximierung des Umweltnutzens bestehen wahrscheinlich an Standorten, die eine Kombination von Vorteilen bieten, einschließlich eines Überflusses an erneuerbaren Energieressourcen, des Zugangs zu kostengünstigen Rohstoffen und der Möglichkeit, die Effizienz durch die Integration der E-Fuels-Produktion mit Systemen zur Deckung anderer Energie- oder Industriebedürfnisse zu maximieren.  

Schließlich kommen die meisten Studien zu dem Schluss, dass die Produktionskosten für synthetische Kraftstoffe in Zukunft durch Verbesserungen der Prozesseffizienz und Kostensenkungen für CO2-abscheidung und kohlenstofffreie Stromerzeugung sinken dürften. In der bereits erwähnten IEA-Studie von 2024 wird beispielsweise geschätzt, dass bei einer weiteren Senkung der Kosten für Elektrolyseure um 60 % und einer Senkung der Kosten für Strom aus erneuerbaren Energien um 25 % die Produktionskosten für synthetisches Kerosin auf 1,75 $ pro Liter sinken würden, was immer noch mehr als das Dreifache der Kosten für konventionellen Düsenkraftstoff bedeutet, aber in etwa mit den derzeit verfügbaren Bio-SAF-Kraftstoffen konkurrenzfähig ist. In ähnlicher Weise schätzt eine Analyse von Martin et al., dass die Kosten für E-Treibstoffe in der Luftfahrt bis 2050 um bis zu 68 % sinken könnten^.58 Übersetzt man die gestiegenen Treibstoffkosten in ein Maß für die nivellierten Transportkosten, so kommt diese Analyse zu dem Ergebnis, dass die Verwendung von E-Treibstoffen die Kosten für den Luftverkehr derzeit um den Faktor 2,0 bis 2,6 erhöhen und bis 2050 auf einen Faktor von 1,5 bis 1,7 zurückgehen könnte.  

Tabelle 1. Geschätzte Produktionskosten für synthetischen SAF: Erkenntnisse aus ausgewählten Studien. Die derzeitigen Durchschnittskosten für konventionellen, auf fossilen Rohstoffen basierenden Düsenkraftstoff betragen 0,49 $ pro Liter.

Studie	Aktuelle Kosten ($/Liter)	Voraussichtliche Kosten ($/Liter)	Anmerkungen, wesentliche Annahmen
IEA (2024)	$2.50 - $4.20	1,75 $ (bis 2030)	Die derzeitigen Kosten entsprechen optimierten und nicht optimierten Bedingungen. Die zukünftigen Kosten gehen von einer Senkung der Elektrolyseurkosten um 60 % und einer Senkung der Kosten für erneuerbaren Strom um 20 % aus.
Bergero, et al. (2023)	$2.60	k.A.	Geht von Kosten von 4,50 $/kg für elektrolytischesH2 und 0,25 $/kg für abgeschiedenesCO2 aus.
Gössling & Humpe (2023)	$2.53 - $2.63	2,20 $ - 2,38 $ (bis 2050)	Die Spanne für die aktuellen Kosten spiegelt den Unterschied zwischen den Stromkosten für Offshore-Windkraft und Onshore-PV wider. Die prognostizierten künftigen Kosten basieren auf einer Verringerung des Bedarfs an erneuerbarer Elektrizität von 32 kWh/Liter auf 20 kWh/Liter.
Britische Königliche Gesellschaft (2023)	$3.47 - $4.52	k.A.	Die Spanne spiegelt den Kostenunterschied zwischen derCO2-Versorgung über eine Punktquelle CO2-abscheidung und der (teureren) DAC wider.
Heizkraftwerk Östersund, Schweden (2021)	$1.50 - $1.55	k.A.	Anlage an einem optimalen Standort mit reichlich erneuerbarer Energie und einerCO2-Quelle an einem anderen Standort.

Diese Zusammenfassung der aktuellen Markt- und Technologiebedingungen für synthetische Kraftstoffe soll nicht bedeuten, dass diese Kraftstoffe aufgrund der hohen Kosten keine Zukunft in der Luftfahrt haben werden. Die Herstellung synthetischer Kraftstoffe ist theoretisch extrem skalierbar, ermöglicht flexible Standorte, da Anlagen dort errichtet werden können, wo erneuerbare Ressourcen im Überfluss vorhanden sind, und könnte im Jahr 2050 weniger kosten als die Herstellung von Biokraftstoffen - und das alles bei den Vorteilen einer Drop-in-Lösung. Dieser letzte Punkt ist von entscheidender Bedeutung, da die Flugzeughersteller heute einen großen Vorstoß in Richtung Bio-SAF unternehmen, da sie wissen, dass es gegen Mitte des Jahrhunderts wahrscheinlich mehr als 40.000 Flugzeuge in den Flotten geben wird, die mit sauberem Kraftstoff betrieben werden können müssen. Die Fähigkeit, nahtlos auf synthetische SAF umzusteigen, sobald die Technologie entwickelt ist, die Märkte etabliert sind und die Preise angemessener sind, ist eine Möglichkeit, wie die Luftfahrt auch in einer Netto-Null-Zukunft florieren kann.    

5. Jenseits von Kraftstoffen mit Kohlenstoff: Wasserstoff, Ammoniak, Batterien und _{Nicht-CO2-Effekte}

Die Anforderungen an das Startgewicht und die Energiedichte haben verständlicherweise dazu geführt, dass nicht-fossile, synthetische oder biogene Kohlenwasserstofftreibstoffe als potenzielle Lösungen für die Dekarbonisierung der Luftfahrt in den Mittelpunkt gerückt sind. Abgesehen von der Tatsache, dass das komplexe globale System, das für die Betankung von Flugzeugen mit aus Kerosin gewonnenem Jet-A-Kraftstoff erforderlich ist, bereits besteht, haben die größten Flugzeuge auf internationalen Strecken kaum eine andere Wahl, als sich auf absehbare Zeit auf diese Kraftstoffe zu verlassen. Wie in früheren Kapiteln erläutert, können kohlenstoffhaltige Kraftstoffe auf klimaschonendere Weise hergestellt werden, was jedoch nicht ausschließen sollte, dass Optionen für eine weitergehende Dekarbonisierung verfolgt werden, wo dies machbar ist. Insbesondere gibt es Flugzeugtypen und -routen, bei denen alternative CO2-freie kraftstoffe wie Wasserstoff und Ammoniak sowie batteriebetriebene Flugzeuge die_{CO2-Emissionen} des Luftverkehrs deutlicher reduzieren können als biobasierte SAF oder synthetische Kraftstoffe. Dies liegt daran, dass bei der Verbrennung von biogenen oder synthetischen SAF Kohlenstoff freigesetzt wird, der sonst Teil natürlicher Prozesse wäre oder absichtlich gebunden wird. Die Auswirkungen eines Kraftstoffs auf das Klima hängen immer sowohl von seinen Abgasemissionen als auch von den Besonderheiten des Prozesses ab, der zur Herstellung des Kraftstoffs verwendet wird, was durch eine strenge Lebenszyklusanalyse ermittelt wird, die alle Schadstoffe berücksichtigt; im Allgemeinen wird jedoch ein größerer Emissionsvorteil bei nicht kohlenstoffbasierten Kraftstoffen erwartet. Die Nutzung dieses Vorteils in geeigneten Segmenten des Luftverkehrs bei gleichzeitigem Verständnis der _{Nicht-CO2-Auswirkungen} des Luftverkehrs auf das Klima könnte die Strategien zur Erreichung des Ziels einer Netto-Nullbelastung durch den Luftverkehr bis Mitte des Jahrhunderts deutlich schärfer machen.   

5.1 Wasserstoffbetriebene Flugzeuge

Die Idee der wasserstoffbetriebenen Luftfahrt ist nicht neu. Beispiele für militärische Anwendungen lassen sich bis in die 1950er Jahre zurückverfolgen. Tatsächlich beauftragte die US-Regierung während der Ölkrise in den 1970er Jahren die National Aeronautics and Space Administration (NASA), Lockheed Martin und andere mit der eingehenden Erforschung eines theoretischen wasserstoffbetriebenen Flugzeugs für 400 Passagiere mit einer Reichweite von 5500 Meilen (8851 km)^.59 Die Größe und Reichweite des wasserstoffbetriebenen Flugzeugs, auf das diese frühen Forschungen abzielten, ist ebenso wichtig wie das Datum des Beginns der Forschungen. Die Wasserstoff-Flugzeugtechnologie wird nicht nur seit Jahrzehnten erforscht, sondern zumindest ein Teil der Forschung konzentrierte sich auf Flugzeuge, die für internationale Flüge geeignet sind. Theoretisch kann kohlenstoffarmer Wasserstoff Luftfahrtanwendungen für ein sehr großes Marktsegment antreiben und einen erheblichen Teil der Emissionen auf nahezu Null reduzieren. Darüber hinaus bietet ein Wasserstoffflugzeug einige konstruktive Vorteile, darunter die Möglichkeit, die Effizienz der Gewichtsverteilung durch eine optimierte Anordnung der Wasserstofftanks zu verbessern. Dies im Vergleich zu Kerosin, das immer in den Flügeln mitgeführt werden muss^.60 Allerdings würde jede Neukonstruktion eine langwierige Neuzertifizierung des Flugzeugs erzwingen, und die neuen Flugzeuge würden Passagiersitze an die Wasserstofftanks verlieren, was besonders bei längeren Flügen problematisch ist, die ohnehin mit höheren Ticketpreisen verbunden sind. Daher konzentriert sich das Interesse an Wasserstoff als potenziellem Flugtreibstoff in letzter Zeit auf kleinere Flugzeuge und Drohnen, wobei die Möglichkeit in Betracht gezogen wird, künftig Single-Aisle-Flugzeuge für regionale Strecken anzutreiben.  

Die Meinungen in der Branche über den wirtschaftlichen Nutzen von Wasserstoffflugzeugen sind etwas gespalten. ETFuels ist der Ansicht, dass direkte wasserstoffbetriebene Technologien in der Luftfahrt nicht funktionieren, und führt die Verteilung, Speicherung und Betankungsinfrastruktur von Wasserstoff sowie die allgemein geringe technologische Bereitschaft als Hauptprobleme an. HIF Global schließt wasserstoffbetriebene Flugzeuge nicht gänzlich aus, geht aber davon aus, dass die Zertifizierung sehr schwierig sein wird, insbesondere angesichts der zu bewältigenden Herausforderungen in den Bereichen Tests, Sicherheit und Logistik. 

Die Lösung für die nahe Zukunft scheint darin zu bestehen, klein anzufangen. Kürzlich hat sich Honeywell Aerospace mit dem National Renewable Energy Laboratory (NREL) zusammengetan, um die Umrüstung einiger unbemannter Elektrodrohnen auf Wasserstoff zu prüfen^,61 mit dem Ziel, die Reichweite zu erhöhen und gleichzeitig die übermäßigen Geräusche, Vibrationen und Emissionen der derzeitigen Langstreckendrohnen mit Verbrennungsmotoren zu beseitigen. ZeroAvia und Universal Hydrogen denken in größeren Dimensionen. ZeroAvia hat Anfang 2023 einen 10-minütigen Testflug mit einem wasserstoffbetriebenen Flugzeug mit 19 Sitzen absolviert, und Universal Hydrogen prüft die Entwicklung eines Wasserstoff-Turboprop-Flugzeugs mit 50 Sitzen. Beide Unternehmen verwenden Brennstoffzellen, die Wasserstoff chemisch in Elektrizität umwandeln, die zum Antrieb der Flugzeugmotoren verwendet wird, und streben derzeit Flüge von einigen hundert Meilen an. Ihre Pläne sehen vor, die Brennstoffzellen auf eine Größe zu skalieren, die für den Antrieb von Flugzeugen mit 100-150 Sitzen (ähnlich einer Boeing 737) erforderlich ist, und die Wasserstoffverbrennung zu untersuchen^.62 

Das ZEROe-Programm von Airbus ist sogar noch ehrgeiziger: Ziel ist es, bis 2035 das erste wasserstoffbetriebene Verkehrsflugzeug der Welt auf den Markt zu bringen. Airbus strebt Reichweiten von mehr als 2.000 Seemeilen an, und zwar mit einer Vielzahl von Konzepten, die von einem Blended-Wing-Body (BWB) mit Wasserstoffverbrennung für längere Strecken bis hin zu einer vollelektrischen Wasserstoff-Brennstoffzellen-Turboprop-Konstruktion für kürzere Strecken reichen. Das Unternehmen nutzt sein A380-Flugzeug als Prüfstand für die Wasserstoffverbrennung und testet gleichzeitig im Labor Hochleistungsbrennstoffzellen mit 1,2 Megawatt, einer Leistung, die den Anforderungen eines Triebwerks beim Start entspricht. Airbus geht davon aus, dass die Verwendung von elektrolytischem Wasserstoff, der aus erneuerbarem Strom erzeugt wird, entweder direkt oder als Zusatz zu synthetischen Kraftstoffen, das Potenzial hat, die gesamten_{CO2-Emissionen} des Luftfahrtsektors um bis zu 50 % zu senken^.63  

Während die Erfahrung des wasserstoffbetriebenen Fluges aus der Sicht der Passagiere sehr ähnlich erscheint, werden sich wasserstoffbetriebene Flugzeuge in einigen wichtigen technischen Aspekten von den heutigen Flugzeugen unterscheiden. Der größte Unterschied ergibt sich aus den in Tabelle 2 zusammengefassten Treibstoffeigenschaften. Im Vergleich zu Jet-A-Kraftstoff hat Wasserstoff eine viel höhere Energiedichte nach Gewicht, aber eine viel geringere Energiedichte nach Volumen. Tatsächlich ist die spezifische Energie von Wasserstoff, d. h. der Energiegehalt pro Kilogramm Kraftstoff, dreimal so hoch wie der von Kerosin. Aber Wasserstoff enthält bestenfalls viermal weniger Energie pro Liter. Wasserstoff, der als Flugkraftstoff verwendet wird, muss als Flüssigkeit in großen Tanks gelagert werden, was bedeutet, dass er sehr kalt (d. h. unterhalb seines Siedepunkts von -253,15 °C) aufbewahrt werden muss, und nicht in Form des vergleichsweise einfacher zu handhabenden komprimierten Gases, das eine noch geringere volumetrische Energiedichte aufweist. Aus diesem Grund wird gasförmiger Wasserstoff nur für sehr kleine Flugzeuge oder Drohnenanwendungen sowie möglicherweise für andere Segmente des Verkehrssektors von Nutzen sein. Außerdem müssen Flüssigwasserstofftanks zylindrisch sein, um Druckbelastungen standzuhalten, was eine Lagerung in den Tragflächen verhindert. Dies wird Änderungen bei der Bestuhlung der Passagiere erforderlich machen, einschließlich der Entfernung einiger Sitze, um Platz für die Tanks im Rumpf zu schaffen. Schließlich müssen die Tragflächen von Wasserstoffflugzeugen aus festeren Materialien bestehen, um den Verlust des Treibstoffs auszugleichen, der bei herkömmlichen Konstruktionen als Teil der Tragflächenstruktur als Versteifung wirkt, um ein Durchbiegen beim Start zu verhindern. Das bringt zusätzliches Gewicht.    

Tabelle 2: Eigenschaften von Jet-A-Kraftstoff, flüssigem Wasserstoff und gasförmigem Wasserstoff 

	Jet A (Kerosin)	Flüssigwasserstoff	Komprimierter gasförmiger Wasserstoff
Spezifische Energie (MJ/kg)	43.2	120	120
Energiedichte (MJ/Liter)	34.9	8.5	4.8
Lagertemperatur (℃)	Umgebungsbedingungen	-253.15	Umgebungsbedingungen
Speicherdruck (bar)	Umgebungsbedingungen	2	700

Auch die Konstruktion des Wasserstofftanks selbst ist äußerst wichtig. Wie in Abbildung 5 dargestellt, müssten die Wasserstofftanks sehr groß sein. Daher sind ihre Anzahl, ihr Standort, die Menge an Isolierung, die erforderlich ist, um den Treibstoff auf kryogener Temperatur zu halten, und das System zum Umgang mit dem Leerraum oder dem sich während des Fluges ansammelnden Boil-Off-Gas entscheidend. Jede dieser Konstruktionsentscheidungen wirkt sich auf das Gewicht und damit auf die beim Start benötigte Energie aus - ein wichtiger Konstruktionsparameter.  

Adler und Martins haben die Auswirkung des gravimetrischen Kraftstofftankgewichts oder des relativen Gewichts des Kraftstoffs im Vergleich zum Tankgewicht in Abhängigkeit von der Fluglänge untersucht. Ein Wert von 100 % entspricht dem theoretischen Fall, dass das Gewicht des Tanks gleich Null ist. Ihr Modell zeigt, dass ein Tankwirkungsgrad von 55 % den Grenzwert darstellt: Unterhalb dieses Wertes (d. h. bei schweren Tanks) ist für Langstreckenflüge mit Wasserstoff wesentlich mehr Energie erforderlich als für Flüge mit Kerosin^.64 Oberhalb dieses Grenzwertes oder bei sehr leichtem Tankgewicht war aufgrund der höheren spezifischen Energie von Wasserstoff weniger Energie für Langstreckenflüge erforderlich als bei Kerosin. 

Abbildung 5: Airbus-Darstellung eines wasserstoffbetriebenen Flugzeugs mit sichtbaren ^Tanks65

Bemerkenswert ist auch die Tatsache, dass die Kurve für regionale Flugdistanzen meist flach verläuft, wodurch das Gewicht des Tanks in diesem Marktsegment effektiv von der Leistung entkoppelt wird. Wenn man bedenkt, dass ein sehr hoher gravimetrischer Tankwirkungsgrad bisher nur in der Luft- und Raumfahrt erreicht wurde, wie z.B. beim Space Shuttle (Tankwirkungsgrad ~80%)^,66 macht es Sinn, dass wasserstoffbetriebene Flugzeuge in Ermangelung eines technischen Durchbruchs bei den Tankmaterialien, die für Mainstream-Anwendungen geeignet sind, weitgehend auf regionale Strecken beschränkt sein werden. Eine weitere Option ist eine BWB- oder Nurflügler-Konstruktion, aber abgesehen davon, dass sie größere Infrastrukturänderungen an den Flughäfen erforderlich macht, könnte der Nutzen dieses Ansatzes für Wasserstoffanwendungen im Vergleich zu herkömmlichen Rohr- und Flügelkonstruktionen relativ gering sein - in der Größenordnung von nur ein paar Prozent Veränderung der Energieeffizienz^.67  

Die technischen Herausforderungen, die mit der Verbrennung von 100 % Wasserstoff in einem Flugzeugtriebwerk verbunden sind, sollten ebenfalls erwähnt werden. Diese Herausforderungen erfordern eine teilweise Neukonzeption des Triebwerks, aber eine solche Neukonzeption hat sich als machbar erwiesen und wird von großen Unternehmen wie GE als Teil eines größeren Portfolios von Klimaschutzinitiativen erforscht. Der größte Teil der Motorkonstruktion bliebe gleich, wobei sich die größten Änderungen auf die Brennkammer beschränken würden. Wasserstoff hat eine breitere Entflammbarkeitsgrenze, so dass er viel leichter zu verbrennen ist als Jet-A-Kraftstoff. Allerdings birgt diese Eigenschaft ein größeres Risiko für einen Flammenrückschlag, einen gefährlichen Zustand, bei dem sich die Flammen stromaufwärts von der Brennkammer in die Kraftstoffmischzone ausbreiten. Diese und andere technische Herausforderungen können mit der richtigen Brennerkonstruktion überwunden werden, ohne dass der Wirkungsgrad sinkt oder die Stickoxidemissionen (_NOx) im Vergleich zu Kerosin steigen. Außerdem haben Brennstoffzellen im Vergleich zu Gasturbinen einen höheren Gesamtwirkungsgrad, was bedeutet, dass Wasserstoffbrennstoffzellen für kleinere Flugzeuge bevorzugt werden könnten.  

Insgesamt dürfte der Einfluss von Wasserstoff auf die Luftfahrt als direkter Flugzeugtreibstoff im Jahr 2050 trotz seiner theoretischen Vorteile aus mehreren Gründen begrenzt sein. Wie ein UCL-Forscher in Gesprächen mit CATF ausführte, ist die Durchführbarkeit laufender Projekte angesichts der hohen Kosten von Wasserstoff im Vergleich zu herkömmlichem Düsentreibstoff, der bereits erwähnten Reichweitenprobleme und der Notwendigkeit einer Neuzertifizierung von Flugzeugen ungewiss. Die UCL-Forscher rechnen nicht vor 2035 mit einem signifikanten Einsatz von Wasserstoff in der Luftfahrt, und da sich dieser Zeitrahmen eher verschieben dürfte, kann bis 2050 mit einer 50-prozentigen Durchdringung der regionalen Märkte gerechnet werden. Aufgrund der langen Zeiträume für den Flottenumschlag wird jedoch selbst dieser beste Fall nur sehr schwer zu erreichen sein. In dem Gespräch wurde auch darauf hingewiesen, dass zwar Langstreckenflugzeuge möglich sind, aber Flugzeuge mit geringerer Reichweite aufgrund der Komplikationen mit dem Tankgewicht wahrscheinlicher sind, was die obige Diskussion widerspiegelt.  

Die Wasserstoffinfrastruktur am Flughafen ist ein weiteres zentrales Thema, da der Aufbau von Wasserstoffspeicher- und Betankungssystemen teuer und zeitaufwendig ist. Am SFO kann die vollständige Verbesserung der Infrastruktur für alternative Kraftstoffe 5-20 Jahre dauern, wenn ein kosteneffizienter, schrittweiser Entwicklungsansatz verfolgt wird. Zu diesem Zweck bereitet das SFO seine vorgelagerte Versorgungsinfrastruktur auf den neuen Strombedarf vor (im Umspannwerk, auf der Mittelspannungsebene usw.) und bringt Wasserstoff- und Elektrogeräte versuchsweise zur Demonstration, Inbetriebnahme und Analyse auf den Flughafen. Der Flughafen hat bereits 10 leichte Brennstoffzellenfahrzeuge in Betrieb, erwartet aber, dass im kommenden Jahr noch weitere Fahrzeuge hinzukommen, damit sich das Personal mit dem Betrieb, der Wartung und der Betankung dieser Wasserstofffahrzeuge vertraut machen kann. In Zukunft dürfen Probleme im Umgang mit Wasserstoff, wie z. B. Leckagen an Flughafengeräten, den Betrieb nicht beeinträchtigen. Obwohl das SFO versucht, zukünftige Elektro- und Wasserstoff-Flugzeuge zu integrieren und sich dabei von den Investitionen der Fluggesellschaften in beide Technologien leiten lässt, geht der Flughafen davon aus, dass SAF mindestens in den nächsten 20 Jahren der wichtigste nicht-konventionelle Kraftstoff sein wird und Wasserstoff mittelfristig nur eine begrenzte Verbreitung finden wird.  

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass es noch ein langer Weg für Treibstoff, Flugzeug und Infrastruktur ist, bevor die Wasserstofftechnologie in einem Umfang eingesetzt werden kann, der die Emissionen des Luftverkehrs erheblich reduziert. Die breite Einführung wird wahrscheinlich auf die Zeit nach 2050 beschränkt sein. Aber wasserstoffbetriebene Flugzeuge sind real, und erfolgreiche Kampagnen zur Erprobung von Wasserstoffflugzeugen, wie die kürzlich von Universal Hydrogen gestartete^,68 zeigen das Potenzial dieser Technologie. Bei fortgesetzter Entwicklung könnten Wasserstoffflugzeuge in den nächsten Jahrzehnten zu einer erheblichen Verringerung der Luftverkehrsemissionen auf regionalen Strecken beitragen.  

5.2 Ammoniakbetriebene Flugzeuge

Die kohlenstofffreie Luftfahrttechnologie könnte eine wichtige Rolle bei der Erreichung der von der Industrie eingegangenen Klimaschutzverpflichtungen spielen, doch die Beschränkung dieser Technologie auf den direkten Wasserstoffantrieb schränkt ihre Anwendbarkeit ein. Wasserstoffflugzeuge sind theoretisch in der Lage, Flüge über fast jede Entfernung zu absolvieren. Wie bereits erwähnt, erfordern längere Flüge jedoch zunehmend große, teure und schwer herzustellende leichte Tanks, die im Rumpf gelagert werden müssen. Dies schmälert die Passagiereinnahmen und schränkt letztlich den praktischen Nutzen für das Klima ein. Eine Lösung besteht darin, stattdessen einen kohlenstofffreien Wasserstoffträger zu verwenden. Ammoniak (_NH3) hat eine volumetrische Energiedichte von 12,7 Megajoule pro Liter (MJ/L) bzw. 49 % mehr Energie pro Liter als flüssiger Wasserstoff, was bedeutet, dass Ammoniak mehr Wasserstoff pro Volumeneinheit transportiert als reiner flüssiger Wasserstoff. Ammoniak-Flugzeuge könnten herkömmliche Treibstoff- und Tankkonfigurationen verwenden, was die Möglichkeit eröffnet, vorhandene Triebwerke nachzurüsten, um aus der bestehenden Flotte kohlenstofffreie Flugzeuge zu machen. Zu den Nachteilen von Ammoniak gehören seine Toxizität und der Bedarf an zusätzlicher Ammoniak-Infrastruktur, wobei die Toxizität für den Betrieb mit Passagieren besonders problematisch ist, wie ein UCL-Forscher in Gesprächen mit CATF feststellte. Wenn diese Hürden jedoch überwunden werden können, könnte Ammoniak im Jahr 2050 eine doppelt so große Reichweite wie ein Wasserstoffjet bieten. Während Ammoniak eine weit verbreitete und weltweit transportierte Chemikalie ist, die in anderen Anwendungen wie Düngemitteln und industrieller Kühlung zum Einsatz kommt, handelt es sich bei Ammoniak für die Luftfahrt um einen neuartigen Kraftstoff, der derzeit noch an Einrichtungen wie der University of Central Florida (UCF) erforscht wird. Die Technologie liegt etwa 10 Jahre hinter der wasserstoffbetriebenen Luftfahrt zurück.  

Die höhere volumetrische Energiedichte in Verbindung mit dem wesentlich höheren Siedepunkt - 33℃ für Ammoniak gegenüber -253,15℃ für Wasserstoff - bedeutet, dass Ammoniak im Flügel gespeichert werden kann, parallel zur bordseitigen Speicherung von Jet-A-Kraftstoff. Damit entfallen alle konstruktions- und fertigungsbedingten Einschränkungen, die bei Wasserstoffflugzeugen auftreten. Ein weiterer von Otto et al. genannter Vorteil ist, dass Ammoniak, da es keinen Kohlenstoff enthält, nicht verkohlt. Dadurch können Flugzeugkonstruktionen systemweite Leistungsverbesserungen erzielen, wie z. B. eine verbesserte Zwischenkühlung und Vorkühlung der Luft, die für das Wärmemanagement der Turbinen verwendet wird, während gleichzeitig die _{NOx-Emissionen} in den Flugzeugabgasen um bis zu zwei Größenordnungen reduziert werden, indem ein Teil des Ammoniakbrennstoffs für die selektive katalytische Reduktion (SCR) verwendet wird^.69  

Abbildung 6: Auslegung der ^{Ammoniak-Gasturbine70} 

Abbildung 6 zeigt eine schematische Darstellung des theoretischen Ammoniak-Gasturbinen-Systems, das in diesem von der UCF geleiteten und von der NASA finanzierten Forschungsprojekt untersucht wird. Wichtige Unternehmen und Organisationen - nämlich GE, Boeing, Southwest Research Institute, Greater Orlando Aviation Authority, ANSYS, Purdue und Georgia Tech - sind ebenfalls Teil des Forschungsteams.   

Das System umfasst Nieder- und Hochdruckverdichter und -turbinen (in der Abbildung mit LPC, HPC, HPT, LPT abgekürzt), die alle zu den Turbomaschinen gehören, die in jeder Gasturbine unabhängig vom Brennstofftyp vorhanden sind. Ammoniak wird von den Flügeln zugeführt, teilweise in Wasserstoff, Ammoniak und Stickstoff gespalten und dann in optimalem Umfang in die Brennkammer geleitet. Der Stickstoff hat keinen bedeutenden Einfluss auf die primäre Verbrennungsreaktion. Im Wesentlichen verbrennt der Motor ein Ammoniak-Wasserstoff-Gemisch anstelle von 100 % Ammoniak. Dies ist vorzuziehen, da Ammoniak ohne einen Pilotbrennstoff nur zögerlich verbrennt. Die Abwärmerückgewinnungseinheit und der Wärmetauscher (PHX) werden eingesetzt, um den Wärmeverlust zu minimieren und gleichzeitig einige der bereits erwähnten Kühlungsvorteile zu nutzen - beides sind Möglichkeiten zur Steigerung der Gesamteffizienz.  

Ein Gespräch mit den UCF-Forschern, die an dieser Arbeit beteiligt sind, ergab einige weitere Einzelheiten über das Projekt. Ihre Untersuchung basiert auf einer Boeing 737-8, die von Orlando aus operiert - ein reales Szenario, das auch außerhalb von Regionalstrecken anwendbar ist. Obwohl die Energiedichte von Ammoniak im Vergleich zu Kerosin eine gewisse Einschränkung der Flugdistanz mit sich bringt, zeigen die Berechnungen, dass etwa 75 % der Inlandsflüge mit Ammoniak betankt werden können, ohne dass sich die Zahl der Passagiere verringert, ein Prozentsatz, der die meisten Strecken abdeckt, die von Flugzeugen mit einem Mittelgang geflogen werden. Flugzeuge mit zwei Flügeln, die meist für internationale Strecken reserviert sind, müssten weiterhin SAF verwenden. Ein Mischungsverhältnis von etwa 75 % Ammoniak zu 25 % Wasserstoff wird angestrebt, um die idealen Verbrennungseigenschaften zu fördern, die zu einer kerosinähnlichen Flammengeschwindigkeit ohne erhöhtes Rückschlagrisiko führen, wobei das optimale Verhältnis im Rahmen der laufenden Arbeiten durch Systemoptimierung ermittelt werden soll. Die Forscher sind auch noch dabei, die beste Crack-Technik für die Umwandlung von Ammoniak in Wasserstoff zu ermitteln, aber im Allgemeinen kommen hocheffiziente Ammoniak-Crack-Techniken in verschiedenen Formen auf den Markt^.71 Die umgebende Turbomaschine sollte weitgehend unverändert bleiben, obwohl die Arbeit mit GE zur Bestätigung dieser Annahme noch andauert.  

Die UCF-Forscher arbeiten auch mit dem Flughafen von Orlando zusammen, um die für Ammoniak erforderlichen Treibstoffhandhabungssysteme zu entwerfen, um die Sicherheit der Fluggäste und der Bevölkerung in der Umgebung des Flughafens zu gewährleisten und einen reibungslosen Bodenbetrieb sicherzustellen. Dazu gehören Kosten- und Infrastrukturanalysen sowie Studien zur Toxizitätssicherheit. Die Betankung am Boden würde mit flüssigem Ammoniak bei Temperaturen nahe der Umgebungstemperatur erfolgen, was den Flughafenbetrieb erleichtern würde. Insgesamt dürfte Ammoniak viel einfacher zu handhaben sein als Wasserstoff, vor allem wenn man bedenkt, dass es bereits für viele Anwendungen auf der ganzen Welt sicher eingesetzt wird.  

Trotz seiner offensichtlichen Vorteile wird Ammoniak bis 2050 voraussichtlich eine noch geringere Rolle als Wasserstoff spielen, wobei das Potenzial, Wasserstoff zu überholen und die Verwendung von SAF zu untergraben, wahrscheinlich erst nach der Jahrhundertmitte gegeben sein wird. Dies ist vor allem eine Frage des Timings: Da die Umstellung auf Ammoniak in der Luftfahrt eine komplexe Systemüberholung erfordert, ist diese Option weniger ausgereift als Wasserstoff und es ist unwahrscheinlicher, dass sie innerhalb der nächsten 30 Jahre kommerziell verfügbar sein wird. Die Teilnehmer des UCF-Projekts gehen beispielsweise davon aus, dass es etwa 5 Jahre dauern wird, um die derzeitigen Konstruktionsarbeiten abzuschließen, 5 Jahre, um die Demonstration abzuschließen und die Ergebnisse an Boeing und GE zu liefern, und weitere 10-15 Jahre, bis diese Unternehmen neue Flugzeuge konstruieren, testen und zertifizieren. Nach diesem Zeitplan kann die Kommerzialisierung frühestens zwischen 2045 und 2050 erfolgen, vorausgesetzt, dass alles reibungslos abläuft. Außerdem gibt es Probleme bei der Ammoniakversorgung und der Infrastruktur. Die Herausforderungen bei der Versorgung ergeben sich hauptsächlich aus dem sektorübergreifenden Wettbewerb um Ammoniak. Der Wettbewerb mit landwirtschaftlichen Verwendungszwecken, insbesondere der Düngemittelproduktion, könnte die Preise in die Höhe treiben, vor allem wenn die Schifffahrtsindustrie ebenfalls Ammoniak-Kraftstoff zur Dekarbonisierung kauft. Die infrastrukturellen Herausforderungen für Ammoniak spiegeln im Allgemeinen die für Wasserstoff wider, wobei die Sorge um unentdeckte Leckagen geringer und die Sorge um die allgemeine Toxizität des Kraftstoffs größer ist. Diese Probleme sollten lösbar sein; Vertreter des SFO äußerten jedoch Bedenken hinsichtlich einer Aufsplitterung der Investitionen in die Flughafeninfrastruktur, um eine so breite Palette von Kraftstoffen zu unterstützen. Die zusätzlichen Kosten und die Komplexität der Ammoniak-Infrastruktur, die zu der für SAF und Wasserstoff benötigten hinzukommen, müssen berücksichtigt werden.   

Ammoniak ist interessant, weil es der kohlenstofffreie Flugkraftstoff ist, der die größte Reichweite bietet und gleichzeitig die wenigsten Änderungen an der Flugzeugkonstruktion erfordert. Die Triebwerke müssten neu konstruiert werden, aber die Eigenschaften der Verbrennung einer Ammoniak-Wasserstoff-Mischung machen Aspekte dieser Neukonstruktion einfacher als die Konstruktion für 100 % Wasserstoff. Wie bereits erwähnt, handelt es sich um eine neue Technologie, die bestenfalls bis in die 2040er Jahre kommerziell nutzbar sein wird. Langfristig hat der Ammoniak-Kraftstoff jedoch das Potenzial, im Marktsegment der Single-Aisle-Flugzeuge große Emissionsreduzierungen zu ermöglichen.   

5.3 Vollelektrische Flugzeuge

Die Elektrifizierung wird im Allgemeinen als die bevorzugte Methode zur Dekarbonisierung eines Großteils des Verkehrssektors angesehen, da sie eindeutige Energieeffizienzvorteile gegenüber der Verbrennung von kohlenstoffarmen Kraftstoffen oder der Stromerzeugung aus Brennstoffzellen zur Bereitstellung von Antriebsenergie bietet. Energieeffizienz ist ein wichtiger Parameter für alle potenziell elektrifizierbaren Endanwendungen, insbesondere angesichts der relativen Knappheit erneuerbarer Energien während der Übergangszeit zu einer Netto-Null-Wirtschaft, aber der Luftverkehr, der üblicherweise als schwer abbaubar" gilt, stellt eine besondere Herausforderung dar. Dies liegt daran, dass der einzigartige Strom- und Energiebedarf des Luftverkehrs in Verbindung mit den Gewichtsbeschränkungen für Flugzeuge die Elektrifizierung extrem schwierig macht. Der Bereich des Möglichen in Bezug auf die Elektrifizierung der Luftfahrt wird seit Jahren erforscht, wobei sich die ersten Bemühungen auf Hybrid-Elektroflugzeuge konzentrierten, die auf den erfolgreichen Erfahrungen mit Straßenfahrzeugen basieren. Siemens, Airbus und andere stellten 2011 das erste bemannte Elektro-Hybrid-Flugzeug vor; dieser Prototyp erreichte eine Emissionsreduzierung von 25 %, bot aber keine technische Grundlage für eine Ausweitung auf den kommerziellen Verkehr^.72 Die Tatsache, dass Emissionsreduzierungen von 25 % mit SAF erreicht werden können, was keine Zertifizierung eines neuen Flugzeugdesigns erfordert, das eine Gasturbine und ein Batterie-Powerpack kombiniert, schränkt die Anwendbarkeit der Hybridtechnologie stark ein.  

Vollelektrische Flugzeuge, die nur mit Batterien und einem Motor ausgestattet sind, sind technisch unkomplizierter und verursachen keine direkten Emissionen. Studien der ^NASA73 zeigen jedoch, dass eine Batterie-Energiedichte von 400 Wattstunden pro Kilogramm (Wh/kg) der Schwellenwert für die allgemeine Luftfahrt ist und 750 Wh/kg für den kommerziellen Regionalflugverkehr erforderlich wären. Beide Energiedichten liegen deutlich über den 225-270 Wh/kg, die in modernen Lithium-Ionen-Autobatterien auf der Straße zu finden sind^.74 Um Langstreckenflüge über das regionale Marktsegment hinaus zu ermöglichen, werden neue Batterietechnologien mit einer Energiedichte von weit über 1.000 Wh/kg benötigt, was verdeutlicht, warum die Luftfahrt als ein schwer abzuschaffender Sektor gilt.  

Nichtsdestotrotz wird die Elektrifizierung von Flugzeugen wahrscheinlich auch in Zukunft eine gewisse Rolle spielen. Abgesehen von elektrischen Drohnen, die einen bestehenden Markt darstellen, könnten kleine Flugzeuge (weniger als 10 Sitze, die weniger als 400 Meilen (644 km) fliegen) und eVTOLS, die für die urbane Luftmobilität (UAM) sorgen, vollständig elektrisch betrieben werden. EVTOLs könnten den größten Einfluss haben, aber konventionelle Optionen könnten zuerst in die Luft gehen. Ein Beispiel ist die CX300 von Beta Technologies, ein Flugzeug mit fünf Sitzen, das mit einer einzigen Ladung bis zu 621 km weit fliegen kann^.75 Ein weiteres Beispiel ist die Alice, die neun Passagiere bis zu 402 km weit befördern kann^.76 Diese Flugzeuge eignen sich gut für kurze, emissionsfreie Flüge, aber da die von Flugzeugen mit 19 oder weniger Sitzen geflogenen Strecken nur 4 % der Abflüge ausmachen^,77 ist ihr Potenzial, die Emissionen erheblich zu verringern, recht begrenzt.  

Der bedeutendste Markt für Elektroflugzeuge könnte der Ersatz von Hubschraubern durch eVTOLs in UAM-Anwendungen sein. Die Neuartigkeit dieser Fahrzeuge bringt jedoch einen langen Regulierungsprozess mit sich, bei dem Unternehmen, die relativ neu in der Luftfahrtbranche sind, die Konstruktions- und Sicherheitsstandards der Federal Aviation Administration (FAA) erfüllen und eine Zulassung für die Fahrzeugproduktion sowie eine Zulassung für Luftfahrtunternehmen erhalten müssen. Dadurch würde sich der Zeitplan für die Markteinführung wahrscheinlich gegenüber den traditionell entwickelten Elektroflugzeugen verzögern. Wenn die regulatorischen Hürden überwunden werden können, gehen einige Branchenexperten davon aus, dass der Markt für eVTOLs bis 2030 auf 28,5 Milliarden US-Dollar anwachsen könnte^.78   

Abbildung 7: Hyundai eVTOL-Set für vier Passagiere für ²⁰²⁸⁷⁹  

Ein demnächst verfügbarer eVTOL-Prototyp von Hyundai (siehe Abbildung 7) wird voraussichtlich eine Strecke von 40-64 km in einer Höhe von 457 m zurücklegen können und eignet sich damit für den innerstädtischen Verkehr als Lufttaxi oder Notfallfahrzeug. Im Idealfall könnten diese Fahrzeuge als effizienterer Ersatz für ^{Hubschrauber80} dienen und so einen Teil der Verkehrsüberlastung auf den Straßen verringern, wobei die bereits heute verfügbare Batterietechnologie zum Einsatz kommt. 

Angesichts dieses Potenzials bereiten sich die Industrieteilnehmer darauf vor, die für diese Flugzeuge benötigte elektrische Infrastruktur zu unterstützen. Das SFO hat eine Arbeitsgruppe für eVTOLs und fortschrittliche elektrische Luftmobilität einberufen, um den entsprechenden Infrastrukturbedarf zu ermitteln. Derzeit liegt die Spitzenlast des Flughafens bei 55 MW, und jede eVTOL-Ladestation würde zusätzlich 1 MW erfordern - eine Herausforderung, wenn man bedenkt, dass die elektrische Infrastruktur des SFO an Tagen mit hoher Last bereits an die 55-MW-Obergrenze heranreicht. Eine Option, die derzeit diskutiert wird, ist der Übergang zu Mikronetzen und intelligenten Netzen, um ein verbessertes Energiemanagement mit der Erzeugung erneuerbarer Energien und der Energiespeicherung vor Ort zu kombinieren. Die Flughäfen werden jedoch schnell mit der Frage konfrontiert werden, wie sie den Strom gerecht verteilen können, um ein Maximum an kommerziellen Flugdiensten zu bedienen. Angesichts dieser zusätzlichen Komplexität könnte der Flughafen beschließen, alternative Flugzeuge und die zugehörige Infrastruktur in Zonen einzuteilen und zu segmentieren. Für die Zukunft ist eine Art emissionsfreies Terminal denkbar, in dem Elektro-, Wasserstoff- und Ammoniak-Flugzeuge mit der neuen Infrastruktur verbunden werden. Nach Angaben von SFO-Beamten würde der Bau eines neuen Terminals in dieser Größenordnung jedoch eine Investition von mindestens 2 Milliarden Dollar erfordern und mindestens 5 Jahre dauern. Aufgrund dieser Herausforderungen hat sich das SFO bisher noch nicht dazu verpflichtet, eVTOLs aufzuladen,  

Im Vergleich zu anderen alternativen, emissionsfreien Optionen wird die Elektrifizierung wahrscheinlich eine Nischenrolle spielen, aber es wird nicht erwartet, dass sie die Emissionen des traditionellen Flugverkehrs bis 2050 nennenswert reduzieren wird. Sollten eVTOLs an Popularität gewinnen, könnten sie sich indirekt auf die Emissionen im Straßenverkehr auswirken, aber aufgrund der begrenzten Größe und Reichweite der Flugzeuge für den Betrieb von Flughafen zu Flughafen ist es schwer vorstellbar, dass diese Technologie die Emissionen des Luftfahrtsektors spürbar verringern könnte. Aus diesem Grund wird in der Fallstudie zum Treibstoffmix im Luftverkehr in Kapitel 6 die Elektrifizierung nicht als Option betrachtet (nur Bio-SAF, synthetischer SAF, Wasserstoff und Ammoniak werden als plausible Lösungen berücksichtigt).  

5.4 _{Nicht-CO2-Effekte}

Die Bemühungen um eine Dekarbonisierung des Luftfahrtsektors haben sich verständlicherweise auf die direkten_{CO2-Emissionen} von Flugzeugen konzentriert; in der Literatur werden jedoch auch andere, _{nicht-CO2-Effekte} untersucht. Einige dieser Untersuchungen deuten darauf hin, dass _{Nicht-CO2-Effekte} bis zu zwei Drittel der Gesamtauswirkungen des Luftverkehrs auf das Klima ausmachen könnten^.81 Besondere Aufmerksamkeit gilt den Kondensstreifen und den von ihnen verursachten Zirruswolken, um den positiven Netto-Strahlungsantrieb - oder die gesamte atmosphärische Erwärmung - zu quantifizieren, der diesem Phänomen zuzuschreiben ist. Die komplexe, sich entwickelnde Wissenschaft, die hinter den Kondensstreifen steht, wird im Textkasten kurz vorgestellt; ein kommender Bericht von CATF wird sich ausführlicher mit diesem Thema befassen. 

6. Fallstudie: Potenzielle saubere Brennstoffmixe in einer dekarbonisierten Zukunft

Die Dekarbonisierung der Luftfahrtindustrie bis Mitte des Jahrhunderts ist eine immense Herausforderung, die mit einer einzigen Kraftstoffart nur schwer zu bewältigen sein wird. Bio-SAF ist die am weitesten entwickelte Technologie und die billigste heute verfügbare Option, aber die Nachhaltigkeit der biogenen Rohstoffe und die damit zusammenhängenden Überlegungen zur Landnutzung machen es schwierig, diese Option zu vertretbaren Kosten im Kontext des wachsenden Gesamtenergiebedarfs in der Luftfahrt zu skalieren. Synthetisches Kerosin ist eine "Drop-in"-Lösung, die mit fossilem Kerosin oder Bio-SAF gemischt werden kann, aber die mit der kohlenstoffarmen Wasserstoffproduktion und der Beschaffung von_CO2 verbundenen Kosten stellen ein großes Hindernis dar. In der Zwischenzeit erfordern mit Wasserstoff und Ammoniak betriebene Flugzeuge eine neue Infrastruktur und neu zertifizierte Flugzeuge, um ihr Null-Emissions-Potenzial zu nutzen. Dies deutet darauf hin, dass in einem Markt, in dem es darum geht, die Kosten zu minimieren und gleichzeitig die Dekarbonisierung innerhalb eines vernünftigen Zeitrahmens voranzutreiben, eine Lösung mit mehreren Kraftstoffen angestrebt werden könnte. Diese Fallstudie stützt sich auf Informationen aus einer Literaturstudie und aus den Gesprächen mit Branchenteilnehmern, die den vorangegangenen Kapiteln zugrunde lagen, um mehrere plausible Szenarien für den Treibstoffmix zu untersuchen, die zu einer nahezu kohlenstofffreien Zukunft der Luftfahrt führen würden.  

Als Grundlage für die Fallstudie verwenden wir Versorgungsprognosen aus dem Szenario "Netto-Null-Emissionen bis 2050" (NZE) der IEA. Bei der Entwicklung dieser Schätzungen geht die IEA davon aus, dass das Ziel der Netto-Null-Emissionen erreicht wird, und prognostiziert dann den Energie- und Brennstoffbedarf für den gesamten Markt. Mit anderen Worten: Die Prognosen stellen eine Schätzung dar, wie viel eines bestimmten Brennstoffs oder Rohstoffs benötigt wird, um die Dekarbonisierungsziele weltweit zu erreichen. Unsere Analyse setzte voraus, dass in allen Fällen das von der IEA prognostizierte Gesamtangebot für keinen Brennstoff überschritten wird, mit Ausnahme von Ammoniak, für das in der IEA-Projektion ursprünglich nur bestehende Verwendungszwecke und Schiffskraftstoff berücksichtigt wurden. Was die anderen Kraftstoffe betrifft, so beinhalten die Zahlen zur Wasserstoffversorgung aus dem NZE-Szenario der IEA, die in dieser Fallstudie verwendet wurden, nur die Wasserstoffversorgung für den Transportbereich, der etwa die Hälfte der gesamten IEA-Prognose für Wasserstoff ausmacht. Die Versorgung mit synthetischen Kraftstoffen wurde durch die IEA-Projektion für das verfügbare_CO2 bestimmt, das nur von DAC stammt. Die Projektion des Biokraftstoffangebots (ursprünglich aus einer IEA-Analyse des potenziellen Angebots für 2030) ist dieselbe wie in früheren Arbeiten von CATF (siehe Fn. 8, Abbildung 3), um die Konsistenz zu wahren. Unsere Analyse des 2050-Szenarios geht davon aus, dass das Angebot an Biokraftstoffen im Zeitraum 2030-2050 nicht weiter zunehmen wird, vor allem aufgrund von Landbeschränkungen. 

Die IEA-Projektionen für das NZE-Angebot und die erwartete Energienachfrage in der Luftfahrt, die beide in Tabelle 3 zusammengefasst sind, wurden verwendet, um die Grundanforderungen für die Fallstudie festzulegen. Ausgehend von diesen Bedarfszahlen werden in der Analyse der tatsächliche Energieverbrauch der Luftfahrt im Jahr 2014 mit 11,1^Quads83 und der prognostizierte Bedarf für 2050 mit 21,5 Quads zugrunde gelegt (die Projektion für 2050 wurde gewählt, um die Konsistenz mit früheren Arbeiten von CATF zu wahren (siehe Fn. 8)). Auf der rechten Seite der Tabelle sind das prognostizierte Wasserstoffangebot (nur für Endanwendungen im Verkehrswesen) sowie die Projektion für metrische Tonnen abgeschiedenen_CO2 (nur DAC) - d.h., 205 Megatonnen (MT) bzw. 1,1 Gigatonnen (GT) - stammen aus dem IEA World Outlook 2023^.84 Die Projektion des Ammoniakangebots, das bestehende Verwendungszwecke wie die Landwirtschaft und neue Anwendungen wie Schiffskraftstoff einschließt, stammt aus demselben NZE-Szenario, wird aber in der Ammonia Technology Roadmap der IEA aufgeführt^.85 Da es keine Projektion für die Verwendung von Ammoniak als Flugkraftstoff gibt, würde jegliches Ammoniak, das für Endverwendungen in der Luftfahrt benötigt wird, zu den IEA-Projektionen hinzukommen.  

Tabelle 3: Für die Fallstudie verwendete Daten; Luftverkehrsnachfrage 2030-2050 aus Fn. 8  

Das Angebot an synthetischem SAF wird im Jahr 2050 voraussichtlich 102,5 Milliarden Gallonen (Bgal) erreichen, basierend auf der IEA-Projektion für_CO2, die über DAC und einen Bericht von Atsonios et al. verfügbar ist, der sich mit der Entwicklung fortschrittlicher Wege zur Herstellung von synthetischem Düsentreibstoff befasst. In diesem Bericht geht es darum, die Menge des Produkts zu maximieren, das als Flugkraftstoff eingestuft werden kann, da ein häufiges Problem bei der Kraftstoffsynthese darin besteht, dass kurzkettige Kohlenwasserstoffe übrig bleiben, die nicht als SAF verwendet werden können. Atsonios et al. beschreiben ein neuartiges Verfahren auf Fischer-Tropsch-Basis, mit dem 90,7 % synthetischer Düsentreibstoff im Verhältnis zu anderen Produkten hergestellt werden kann, und ein Verfahren zur Methanolsynthese, mit dem 85,8 % erzeugt werden können, wobei der Wirkungsgrad der Anlagen 72,6 % bzw. 49,5 % beträgt^.86 Solche Treibstoffsynthesetechnologien, wie sie in früheren Kapiteln vorgestellt wurden, und die mit diesen relativ hohen Wirkungsgraden arbeiten, würden heute als theoretisch gelten; mit weiteren technologischen Fortschritten könnten diese Parameter jedoch für den realen Betrieb von Anlagen in einigen Jahrzehnten repräsentativ sein, wenn alle potenziellen Wirkungsgrade ausgeschöpft worden sind. Darüber hinaus kann man zwar davon ausgehen, dass ein großer Teil des_CO2, das als Ausgangsstoff für die Herstellung synthetischer Kraftstoffe verwendet wird, im Jahr 2050 aus der Atmosphäre abgeschieden wird, doch realistischerweise wird das_CO2 aus DAC nicht die gesamte Kohlenstoffmenge ausmachen, die für synthetische Kraftstoffe verwendet wird. Unter Berücksichtigung dieser Faktoren und unter Verwendung der Daten in diesem Bericht zur Berechnung der Menge an synthetischem Kraftstoff, die aus dem prognostizierten_CO2-Angebot von 1,1 GT abgeleitet werden kann, ergibt sich eine Angebotsschätzung von 12,5 Quads. Dieser Datenpunkt wird als Obergrenze für den Bedarf an synthetischen Kraftstoffen in unserer Fallstudienanalyse verwendet. 

Der letzte Datensatz, der in die Analyse einfloss, stammt aus einem NASA-Bericht aus dem Jahr 2018 und enthält Informationen über die weltweite Verteilung der Flugdistanzen im Juli 2014^.87 Diese Daten wurden verwendet, um die jährlichen Gallonen Kerosin zu berechnen, die in jedem Flugdistanzsegment verbraucht wurden, wobei der typische Treibstoffverbrauch der Flugzeuge und die Anzahl der Passagiere zugrunde gelegt wurden; teilt man die Ergebnisse durch den Gesamtenergieverbrauch in der Luftfahrt im Jahr 2014 (11,1 Quads), erhält man eine Schätzung des Anteils am Gesamtenergieverbrauch in der Luftfahrt, der jedem Flugdistanzsegment zuzuschreiben ist. Das Ergebnis dieser Berechnungen ist in Abbildung 8 dargestellt. Die in der Abbildung gezeigten nicht dimensionierten Anteile wurden dann anhand des für 2050 prognostizierten Gesamtenergiebedarfs im Luftverkehr (21,5 Quads) hochskaliert, um den Treibstoffbedarf als Funktion der Flugdistanz für den künftigen Flugbetrieb zu schätzen.  

Abbildung 8: Prozentualer Anteil des weltweiten Treibstoffverbrauchs in Abhängigkeit von der Flugstrecke

6.1 Basisfall

Der Basisfall soll eine Netto-Null-Zukunft für den Luftverkehr darstellen, die angesichts des Stands der in den vorangegangenen Kapiteln erörterten Technologien vernünftigerweise erreicht werden kann. Eine grundlegende Annahme für diesen Fall, die angesichts der relativen Sicherheit der Technologie für alle Fälle gilt, ist, dass ein großer Teil des gesamten Energiebedarfs im Luftverkehr im Jahr 2050 durch Biokraftstoffe gedeckt wird. Was die spezifische Aufteilung der Biokraftstoffe auf die verschiedenen Endanwendungen im Verkehrswesen betrifft, so halten wir es zwar für unwahrscheinlich, dass 100 % der Biokraftstoff-Rohstoffe für SAF verwendet werden, doch es besteht Grund zu der Annahme, dass ein sehr großer Prozentsatz in die Luftfahrtindustrie fließen wird, da diese am schwierigsten zu dekarbonisieren und am ehesten bereit ist, einen Aufschlag zu zahlen. Dementsprechend wird in diesem Fall davon ausgegangen, dass 90 % der prognostizierten nachhaltigen Biokraftstoff-Rohstoffe im Jahr 2050 für die SAF-Produktion verwendet werden.  

Der Rest der Nachfrage im Jahr 2050 wird wahrscheinlich durch synthetische Kraftstoffe gedeckt werden. Allerdings ist es aufgrund konkurrierender Faktoren schwierig, eine direkte Annahme über den Beitrag dieser Kategorie von Kraftstoffen zu treffen: Einerseits sind synthetische Kraftstoffe sehr teuer, andererseits sind sie, wie viele in den Interviews anmerkten, sehr skalierbar. Um Abhilfe zu schaffen, berechnen wir zunächst die Rolle anderer, neuerer Technologien - namentlich wasserstoff- oder ammoniakbetriebene Direktflüge -, deren Marktdurchdringung bis 2050 zwar viel geringer sein dürfte, aber auch leichter zu prognostizieren ist. Wir gehen dann davon aus, dass die verbleibende Nachfrage durch synthetische Kraftstoffe gedeckt wird. Vollelektrische Flugzeuge werden nicht berücksichtigt, da sie, wie bereits erwähnt, keine nennenswerten Auswirkungen auf die Emissionen des Sektors haben dürften.  

Erstens wird bei Wasserstoffflugzeugen im Basisfall davon ausgegangen, dass die Reichweite begrenzt sein wird, insbesondere vor 2050. Varianten mit größerer Reichweite und extrem leichtem Wasserstofftank, die den Energieverbrauch im Vergleich zu Kerosin minimieren, könnten entwickelt werden, aber der Konsens aus Gesprächen mit Unternehmen und Erkenntnissen aus der Literatur ist, dass Wasserstoff zunächst für kleinere Flugzeuge und/oder Regionalflüge verwendet werden wird. Die maximale Flugentfernung für einen Regionalflug wird mit 750 Meilen (1207 km) angenommen. Wie aus Abbildung 8 hervorgeht, würde ein 750-Meilen-Band eine mäßige Anzahl von Flügen umfassen, da die Entfernungsverteilung stark in Richtung des Bereichs von 500 bis 1100 Meilen (805-1770 km) verzerrt ist. Konkret machen Flüge unter 750 Meilen etwa ein Drittel des täglichen Verkehrs aus. Angesichts des heutigen Stands der Technik, der Schwierigkeiten beim Aufbau einer Wasserstoffinfrastruktur sowohl für den Transport zum Flughafen als auch für die Betankung vor Ort, der Herausforderungen bei der Handhabung von flüssigem Wasserstoff und der erforderlichen Änderungen der Sicherheits- und Betriebsverfahren ist es jedoch unvernünftig, davon auszugehen, dass bis 2050 das gesamte Flugaufkommen auf wasserstoffbetriebene Flüge entfallen wird. Hinzu kommt, dass viele größere Flugzeuge aus verschiedenen Gründen, die mit dem Betrieb der Fluggesellschaften und der Beliebtheit der Routen zusammenhängen, regionale Flüge durchführen, und diese Flugzeuge - da sie regelmäßig mehr als 750 Meilen fliegen müssen - sind keine wahrscheinlichen Ziele für eine frühe Einführung von Wasserstoff. Daher wird in dieser Fallstudie davon ausgegangen, dass im Jahr 2050 nur 20 % der Flüge unter 750 Meilen mit Wasserstoff betrieben werden. 

Ammoniakbetriebenes Fliegen ist die jüngste der von uns betrachteten Technologien und wird noch an Universitäten erforscht. Sie bietet jedoch potenzielle Vorteile im Vergleich zu Wasserstoff, was erklärt, warum einige große Industrieunternehmen entsprechende Forschungs- und Entwicklungsarbeiten unterstützen. Wie bereits erwähnt, bedeutet die größere volumetrische Energiedichte von Ammoniak, dass etwa 75 % der Inlandsflüge mit ammoniakbetriebenen Flugzeugen durchgeführt werden könnten. In Anbetracht der Größe der Landmasse der Vereinigten Staaten kann dieser Näherungswert direkt mit der Abbildung 8 verwendet werden, woraus sich das Potenzial für Flüge mit Ammoniakantrieb bis zu einer Entfernung von etwa 2655 km (1650 Meilen) ergibt, was eine deutliche Verbesserung gegenüber Wasserstoff darstellt. Ammoniak hat zwar Nachteile in Bezug auf die Toxizität des Treibstoffs, insbesondere für Passagierflugzeuge, aber im Allgemeinen könnten Flughäfen Ammoniak leichter handhaben als Wasserstoff.  

Die Ammoniaktechnologie liegt jedoch weit hinter der Wasserstofftechnologie zurück, so dass eine Kommerzialisierung vor dem Zeitrahmen 2045-2050 unwahrscheinlich ist. Daher gehen wir in unserem Basisszenario davon aus, dass nur 10 % der Flüge unter 1650 Meilen (2655 km) mit Ammoniak-Flugzeugen durchgeführt werden. Der verbleibende Bedarf wird also durch synthetische Kraftstoffe gedeckt. Diese Methode, bei der zunächst ein bestimmter Prozentsatz der Nachfrage auf Biokraftstoffe, Wasserstoff und Ammoniak und dann der Rest auf synthetische Kraftstoffe entfällt, wird für alle Fälle angewandt. Die Annahmen für jeden Fall sind in Tabelle 4 zusammengefasst. 

Tabelle 4: Zusammenfassung der in der Fallstudie verwendeten Annahmen 

Aufschlüsselung des Flugkraftstoffbedarfs nach Energieträgern im Jahr 2050: Szenario-Annahmen 

Die Ergebnisse für den Basisfall sind in Abbildung 9 dargestellt. Der prognostizierte Energiebedarf der Luftfahrt im Jahr 2050 wird so aufgeschlüsselt, dass 86 % mit Bio- und synthetischem SAF, beides Drop-in-Kraftstoffe, gedeckt werden. Bei der Verwendung dieser Kraftstoffe verbleiben zwar Emissionen, aber HEFA wird den_{CO2-Fußabdruck} um 50-65 % verringern, und synthetischer Kraftstoff aus DAC wird nahezu netto null sein. Ein Szenario, das sich stark auf diese beiden Kraftstoffarten stützt, ist besonders wahrscheinlich, da es die geringsten Anforderungen an die Infrastruktur stellt.  

CO2-freie kraftstoffe machen die verbleibenden 14 % des prognostizierten Energiebedarfs aus (8 % aus Ammoniak und 6 % aus Wasserstoff). Die Wasserstoff-Flugzeugtechnologie hat einen höheren TRL, ist aber aufgrund der Probleme mit dem Gewicht des Tanks und der Reichweite weniger gut anwendbar. Es wird erwartet, dass im Basisfall mehr Kurzstreckenflüge mit Wasserstoff durchgeführt werden, aber die Verwendung von Ammoniak auf längeren (weniger häufigen) Strecken führt dazu, dass Ammoniak einen etwas größeren Beitrag zur Deckung des Gesamtenergiebedarfs leistet. Unabhängig davon sind die Zulassung von Flugzeugen, die Flottenfluktuation und der Ausbau der Infrastruktur die zu erwartenden Hindernisse für eine stärkere Verbreitung der beiden Kraftstoffe. 

Abbildung 9: Ergebnisse für den Basisfall  

Auf der rechten Seite der Abbildung ist für jeden Brennstoff der Prozentsatz des für 2050 prognostizierten Gesamtangebots angegeben. Wie in der Abbildung vermerkt, ist in den IEA-Projektionen für Ammoniak der Luftverkehr nicht enthalten, was bedeutet, dass im Vergleich zu den Projektionen für den sektorfremden Bereich zusätzliche 19 % bereitgestellt werden müssen, um die Nachfrage zu decken. Dies ist nicht unbedingt undurchführbar, hat aber indirekte Auswirkungen auf die Landwirtschaft. Die prognostizierte Nachfrage nach synthetischem Kraftstoff und Wasserstoff liegt deutlich unter den einschlägigen IEA-Versorgungsprognosen (68,5 % bzw. 81,7 %). Diese Menge an Wasserstoff umfasst sowohl den Treibstoff für direkt wasserstoffbetriebene Flüge als auch den Wasserstoff, der als Ausgangsstoff für die Herstellung von Ammoniak, synthetischen und HEFA-Kraftstoffen benötigt wird. Es ist zu beachten, dass die Menge an Wasserstoff, die als Ausgangsmaterial für die Synthese von E-Fuels benötigt wird, unter Verwendung der Annahmen von Atsonios et al.⁸⁸ sehr signifikant ist und sich auf 15,3 Quads oder 80,5% der insgesamt 19,1 Quads Wasserstoff beläuft, die in dieser Analyse für den Luftfahrtsektor projiziert werden. Bemerkenswert ist auch, dass der Luftfahrtsektor 81,7 % der IEA NZE-Wasserstoffprognose für alle Transportzwecke im Jahr 2050 nutzt (40,3 % der gesamten Wasserstoffversorgungsprognose). Dieses Ergebnis ist signifikant und impliziert, dass spezifische politische und planerische Eingriffe erforderlich sind, um Versorgungsbeschränkungen zu vermeiden, die die Kosten in der gesamten Branche in die Höhe treiben. 

Der Basisfall trägt dazu bei zu zeigen, dass die Nachhaltigkeitsprobleme für Biokraftstoffe, die im ersten Luftfahrtbericht CATF (siehe Fn. 8) aufgeworfen wurden, beherrschbar sind. Da dieser Bericht zu dem Schluss kam, dass es zu Versorgungsengpässen kommen könnte, wenn die Luftfahrtindustrie versucht, sich ausschließlich auf Bio-SAF zu verlassen, um ihre Dekarbonisierungsbemühungen zu unterstützen, zeigen diese Ergebnisse, dass eine Kombination aus anderen Technologien, die sich derzeit in der Entwicklung befinden, die Defizite ausgleichen kann, während die Versorgungsprognosen der IEA NZE 2050 eingehalten werden. Da es jedoch unwahrscheinlich ist, dass der künftige Treibstoffmix für die Luftfahrt tatsächlich mit all diesen Annahmen übereinstimmt, werden in unserer weiteren Analyse einige zusätzliche Szenarien untersucht, um mehr Kontext zu schaffen. Dazu gehören ein Szenario mit fortgeschrittenen synthetischen Kraftstoffen, ein Szenario mit fortgeschrittenem Wasserstoff und ein Szenario mit fortgeschrittenem Ammoniak.  

6.2 Fortgeschrittene synthetische Kraftstoffe

Der Fall der fortgeschrittenen synthetischen Kraftstoffe stellt ein Szenario dar, in dem die Preise für synthetische Kraftstoffe schneller sinken als in vielen aktuellen Prognosen angenommen, so dass dieser Kraftstoff einen größeren Anteil des Marktes erobern kann als im Basisfall erwartet. In diesem Szenario reduziert ein erhöhter Beitrag von synthetischem Flugbenzin die Nachfrage nach Wasserstoff und Bio-SAF und macht den Bedarf an Ammoniak-Flugzeugen vollständig überflüssig. Im Vergleich zu Bio-SAF sind synthetische Kraftstoffe chemisch identisch, aber derzeit teurer, insbesondere wenn das zur Herstellung dieser Kraftstoffe verwendete_CO2 aus DAC stammt. Selbst wenn kostengünstigere_CO2-Quellen zur Verfügung stehen, wird für die Herstellung von synthetischem SAF etwa 100 Mal mehr Wasserstoff benötigt als für die Herstellung von Bio-SAF, was den Kostennachteil noch verstärkt. Es wird jedoch prognostiziert, dass die wirklich klimaschonenden Biokraftstoff-Rohstoffe knapper werden, was die Möglichkeit eröffnet, dass synthetische Kraftstoffe im Jahr 2050 wettbewerbsfähiger sein werden, obwohl sie mehr Wasserstoff benötigen. Daher wird im Fall der fortgeschrittenen synthetischen Kraftstoffe davon ausgegangen, dass ein leichter Rückgang auf 80 % des gesamten prognostizierten Angebots an nachhaltigen Biokraftstoff-Rohstoffen in die SAF-Produktion fließt, da die Kosten für Biokraftstoffe gegen Mitte des Jahrhunderts beginnen, die Kosten für synthetische Kraftstoffe in den Schatten zu stellen.  

In einem Szenario, in dem synthetische Kraftstoffe billiger sind als Biokraftstoffe, wird der größte Vorteil der Verwendung von Ammoniak gegenüber synthetischen Kraftstoffen - nämlich die Kraftstoffkosten - abgeschwächt. Das Haber-Bosch-Verfahren zur Herstellung von Ammoniak verbraucht weniger Wasserstoff als die E-Fuel-Synthese, und Stickstoff ist billiger zu beschaffen als_CO2. Andererseits sind synthetische Kraftstoffe sofort einsetzbar und haben keine Reichweitenbeschränkung, während Ammoniak eine umfangreiche neue Infrastruktur und neu konzipierte Flugzeugtriebwerke erfordert. Wenn sich synthetische Kraftstoffe schneller durchsetzen und die Preise näher an die Preise für Ammoniak herankommen, gibt es für den Markt wenig Grund, die riskantere, neuere Technologie anstelle der Drop-in-Lösung zu verfolgen. Daher wird im Fall der fortgeschrittenen synthetischen Kraftstoffe davon ausgegangen, dass 0 % der Flüge unter 1650 Meilen (2655 km) mit ammoniakbetriebenen Flugzeugen zurückgelegt werden.  

Bei Wasserstoff sind die Kompromisse nicht so eindeutig, aber wenn man sich den heutigen Markt anschaut, dann gibt es ein großes Interesse an wirklich kohlenstofffreien Kraftstofflösungen für die Luftfahrt. Darüber hinaus bietet jedes abgeschiedene_CO2, das dauerhaft gebunden wird, anstatt als Rohstoff für die Herstellung synthetischer Kraftstoffe verwendet zu werden, einen größeren Klimavorteil. In Anbetracht der Tatsache, dass Wasserstoff-Flugzeuge bereits getestet werden und dass es Anreize gibt, die vernünftigsten und vorteilhaftesten Lösungen zu finden, werden Wasserstoff-Flugzeuge wahrscheinlich nicht aus der Betrachtung verschwinden; vielmehr wird sich ihre Verbreitung wahrscheinlich auf kleine Flugzeuge über sehr kurze Strecken beschränken. Aus diesen Gründen gehen wir in unserem fortgeschrittenen Fall mit synthetischen Kraftstoffen von einem Rückgang um die Hälfte im Vergleich zum Basisfall aus, d. h. nur 10 % der Flüge unter 750 Meilen (1207 km) werden im Jahr 2050 mit Wasserstoff zurückgelegt. 

Im Vergleich zum Basisfall zeigt Abbildung 10, dass synthetische Kraftstoffe im Jahr 2050 mit 56 % den größten Anteil am Energiemix des Luftverkehrs ausmachen, während der Anteil der Biokraftstoffe auf 41 % gesunken ist. In diesem Fall machen kohlenstoffhaltige Kraftstoffe immer noch 97 % des Mixes aus; allerdings könnte es im Vergleich zum Basisfall einen kleinen Klimavorteil geben, da synthetischer SAF mit_CO2 aus DAC wahrscheinlich geringere Lebenszyklusemissionen hat als Bio-SAF. Auch die Infrastruktur muss in diesem Fall nur geringfügig verändert und verbessert werden, abgesehen von den Pipelines, die von neuen Produktionsanlagen für synthetische Kraftstoffe zum Flughafen verlegt werden müssen. Da Ammoniak eine Rolle von 0 % spielt, sind auch keine negativen Auswirkungen auf den Landwirtschafts- und Seeverkehrsmarkt zu befürchten. Wasserstoff-Direktflüge werden mit 3 % des Gesamtenergiebedarfs zu einem Nischenmarkt degradiert. 

Abbildung 10: Ergebnisse für den Fall des fortgeschrittenen synthetischen Kraftstoffs

Das Balkendiagramm auf der rechten Seite zeigt jedoch, dass sowohl die Nachfrage nach synthetischen Kraftstoffen als auch die Gesamtnachfrage nach Wasserstoff mit 95,7 % bzw. 95,4 % viel näher an der IEA-Projektion für das NZE-Angebot im Jahr 2050 liegt, wobei sich der Prozentsatz für Wasserstoff auf die Angebotsprojektion nur für den Verkehrsbereich bezieht. Aufgrund der enormen Menge an Wasserstoff, die zur Herstellung synthetischer Kraftstoffe benötigt wird, würde eine zusätzliche Nachfrage nach kohlenstoffarmem Wasserstoff aus dem Luftfahrtsektor eine Versorgungskette belasten, die heute noch nicht ausgereift ist. Wenn die Luftfahrt fast das gesamte prognostizierte Wasserstoffangebot für Verkehrszwecke nachfragt, werden andere Verkehrsbereiche, die eine Dekarbonisierung anstreben, wie z. B. der Schwerlastverkehr, einem verstärkten Wettbewerb um ein Produkt ausgesetzt sein, das für die Dekarbonisierung von Sektoren wie der Stahl- und Zementproduktion, der bestehenden Verwendung von Wasserstoff als Rohstoff in Raffinerien sowie der Ammoniakproduktion für den Agrarsektor breit einsetzbar ist. Daher birgt dieser Fall Kosten- und Versorgungsrisiken, die im Basisfall weniger stark ausgeprägt sind. Wenn es dazu kommt, dann wahrscheinlich wegen der starken Präferenz für die Erhaltung der Einheitlichkeit von Treibstoff und Infrastruktur im Luftfahrtsektor in Kombination mit dem explosiven Technologie- und Geschäftswachstum auf dem E-Treibstoffmarkt.  

6.3 Fortgeschrittener Wasserstoff-Fall

Der fortgeschrittene Wasserstoff-Fall betrachtet ein Szenario, in dem der Schwerpunkt auf wasserstoffbetriebenen Flügen liegt, so dass Flugzeuge mit null_{CO2-Emissionen} aggressiv in die Flotten aufgenommen werden, die Flughafeninfrastruktur für Wasserstoff Vorrang vor der Infrastruktur für andere saubere Technologien hat und das zur Synthese von E-Kraftstoff verwendete_CO2 bis 2050 teuer bleibt. In dieser Situation dürfte die verstärkte Nutzung von Wasserstoff die Nachfrage nach synthetischen Kraftstoffen und Ammoniak senken, aber nicht die Nachfrage nach Bio-SAF beeinträchtigen.  

Erstens wird in Bezug auf Bio-SAF jeder kohlenstoffbasierte Treibstoff aufgrund der Infrastrukturkosten und des Risikos der Flugzeugtechnologie vor allem kurzfristig gegenüber Alternativen wie Wasserstoff bevorzugt werden. In einem Szenario, in dem die_CO2 -Preise aufgrund der Einschränkungen von DAC oder der Herausforderungen im Zusammenhang mit der Skalierung der Treibstoffsynthesetechnologie hoch bleiben, wird die Luftfahrtindustrie wahrscheinlich zuerst versuchen, den Einsatz von Bio-SAF zu maximieren. Aus diesem Grund wird in diesem Fall davon ausgegangen, dass sich der Beitrag der Biokraftstoffe im Vergleich zum Basisfall nicht ändert - mit anderen Worten, es wird weiterhin davon ausgegangen, dass 90 % der prognostizierten nachhaltigen Biokraftstoff-Rohstoffe für die SAF-Produktion verwendet werden. 

Bei Ammoniak gehen wir davon aus, dass die rasche Einführung von wasserstoffbetriebenen Flugzeugen den Bedarf an dieser neuartigen Technologie verringern wird. Die Vorteile von Ammoniak gegenüber Wasserstoff sind Reichweite und einfache Handhabung. Wenn jedoch Wasserstoff tatsächlich einen großen Teil der regionalen Flüge abdeckt, wird Ammoniak gezwungen sein, mit SAFs sowohl biologischen als auch synthetischen Ursprungs im Bereich von 750-1650 Meilen (1207-2655 km) zu konkurrieren, wo Ammoniak im Gegensatz zum Vergleich mit Wasserstoff schwieriger zu handhaben ist und eine geringere Reichweite hat. Außerdem sind etwaige Handhabungsvorteile gegenüber Wasserstoff nur dann relevant, wenn eine Ammoniak-Infrastruktur vorhanden ist, und in diesem Szenario wird davon ausgegangen, dass die Entwicklung einer Wasserstoff-Infrastruktur bevorzugt wird. Wenn man die technologischen Fristen berücksichtigt, wird Ammoniak in diesem Szenario zu einer Nischenlösung in bestimmten Märkten, die CO2-freie kraftstoffe nicht mögen, in denen aber die Reichweite eine wichtige Voraussetzung ist, oder in Märkten, in denen es andere große Ammoniakverbraucher gibt (z. B. Häfen). Im fortgeschrittenen Wasserstoffszenario wird davon ausgegangen, dass 5 % der Flüge unter 1650 Meilen (2655 km) - also halb so viele wie im Basisszenario - mit ammoniakbetriebenen Flugzeugen zurückgelegt werden.  

Was schließlich den Wasserstoff selbst betrifft, so steigt in diesem Szenario der Prozentsatz der Flüge mit einer Entfernung von 750 Meilen (1207 km) oder weniger, die mit Wasserstoff betrieben werden, jedoch nicht auf 100 %. Der Hauptgrund dafür ist, dass größere Single-Aisle-Flugzeuge, die sowohl Regional- als auch längere Inlandsrouten fliegen, zwangsläufig weniger Wasserstoff verbrauchen werden. Dennoch erwarten Airbus und andere Unternehmen, dass Wasserstoffflugzeuge bis 2035 zur Verfügung stehen werden, und selbst wenn dieser Termin nicht eingehalten werden kann, ist die Technologie weit genug fortgeschritten, dass sie für einen breiten Einsatz im Regionalverkehr bereit sein sollte, wenn die Marktbedingungen stimmen und die Infrastruktur wie in diesem Szenario angenommen aggressiv ausgebaut wird. Aus diesen Gründen geht das fortgeschrittene Wasserstoffszenario davon aus, dass 80 % der Flüge unter 750 Meilen (1207 km) im Jahr 2050 mit Wasserstoff betrieben werden. 

Der Anteil der Biokraftstoffe im oberen Teil von Abbildung 11 bleibt, wie oben erläutert, unverändert. Stattdessen führt die verstärkte Nutzung von Wasserstoff zu einem starken Rückgang der Nachfrage nach synthetischen Kraftstoffen, so dass ihr Anteil auf 25 % sinkt. Das entspricht dem Anteil für den wasserstoffbetriebenen Direktflug. Damit bleibt Ammoniak übrig, um die verbleibenden 4 % der Nachfrage aus Nischenanwendungen zu decken, die kohlenstofffrei sind, aber eine größere Reichweite haben. 

Abbildung 11: Ergebnisse für den fortgeschrittenen Wasserstoff-Fall  

Interessanterweise muss im Fall des fortgeschrittenen Wasserstoffs die geringste Menge an kohlenstoffarmem Wasserstoff produziert werden - nur 69,6 % der IEA-NZE-Versorgungsprognose für Verkehrszwecke. Dieser Befund verdeutlicht, in welchem Maße die künftige Nachfrage nach Wasserstoff durch den Einsatz synthetischer Kraftstoffe getrieben wird, sowie den Vorteil der direkten Verbrennung eines Kraftstoffs wie Wasserstoff, der im Vergleich zu kohlenstoffbasierten Kraftstoffen eine höhere spezifische Energie bzw. einen höheren Energiegehalt pro Kilogramm aufweist. Da dieses Szenario nur eine geringe (9,5 %) Ausweitung des Ammoniakangebots und relativ wenige Quads Wasserstoff erfordert und gleichzeitig die Abhängigkeit von teuren synthetischen Brennstoffen (auf 42,9 % des prognostizierten Angebots) verringert, ist es wahrscheinlich das Szenario mit den niedrigsten Brennstoffkosten in unserer Analyse. Weitere Kosten würden jedoch an anderer Stelle anfallen, vor allem durch die Ausstattung der Flugzeugflotten der Fluggesellschaften mit Wasserstoffflugzeugen, die Einrichtung von Wasserstoffinfrastrukturen an Flughäfen, die Umschulung des Flughafenpersonals für den sicheren Umgang mit Wasserstoff und den Aufbau der erforderlichen Infrastruktur für die Übertragung und Verteilung von Wasserstoff im ganzen Land. Dieses Szenario bietet einige Vorteile, ist aber weniger wahrscheinlich als die beiden vorangegangenen Fälle. Wenn es eintritt, dann wahrscheinlich aufgrund eines relativ einheitlichen Vorstoßes der Industrie und der Politik zur Entwicklung von Wasserstoff-Flugzeugen und der dazugehörigen Infrastruktur sowie aufgrund umfangreicher Investitionen der Fluggesellschaften in die Flottenumstellung auf kohlenstofffreie Flugzeuge.  

6.4 Fortgeschrittener Ammoniak-Fall

In diesem Fall wird eine Situation untersucht, in der die neue Technologie, die für die ammoniakbetriebene Luftfahrt benötigt wird, zusammen mit der erforderlichen Infrastruktur schnell voranschreitet, um im Vergleich zum Basisfall eine beträchtliche Steigerung der Abdeckung des Flugsegments von weniger als 1650 Meilen (2655 km) zu ermöglichen. Dieser Bereich, der etwa 75 % der Flüge ausmacht, bedeutet, dass Ammoniak für die meisten Flugzeuge mit einem Mittelgang weltweit verwendet werden kann. Doppelrumpf-Flugzeuge für internationale Flüge würden jedoch weiterhin einen kohlenstoffarmen, kerosinähnlichen Düsenkraftstoff benötigen, weshalb in diesem Fall der gleiche Prozentsatz an biogenen SAF wie im Basisfall angenommen wird. Folglich erfordert die SAF-Produktion in diesem Fall immer noch 90 % der prognostizierten nachhaltigen Biokraftstoff-Rohstoffe. 

Die Nachfrage nach wasserstoffbetriebenen Flugzeugen hingegen wird in diesem Szenario von Ammoniak vollständig verdrängt. Wenn die Ammoniak-Technologie schnell voranschreitet, die Ammoniak-Infrastruktur ausgebaut wird und Flughäfen und Fluggesellschaften sich mit den Sicherheitsmaßnahmen vertraut machen, die zur Beherrschung der Toxizitätsrisiken des Treibstoffs erforderlich sind, dann gibt es für den Markt kaum einen Grund, Wasserstoff gegenüber Ammoniak zu bevorzugen. Beide sind CO2-freie kraftstoffe, aber Ammoniak erleichtert den Bodenbetrieb und ermöglicht längere Flüge. Wenn man davon ausgeht, dass der primäre Vorteil von Wasserstoff, nämlich die technologische Bereitschaft, minimal ist, wie es in diesem Szenario der Fall ist, sollte der Markt Ammoniak gegenüber Wasserstoff bevorzugen, solange die Ammoniakpreise nahe den Erwartungen liegen. So wird in diesem Fall angenommen, dass 0 % der Flüge unter 750 Meilen (1207 km) im Jahr 2050 mit Wasserstoff zurückgelegt werden. 

Was schließlich die Ammoniaktechnologie selbst betrifft, so gibt es trotz der vielen theoretischen Vorteile entscheidende Einschränkungen, wenn es darum geht, inwieweit das Flugsegment von weniger als 1650 Meilen (2655 km) im Jahr 2050 realistisch mit Ammoniak abgedeckt werden kann. Selbst wenn man davon ausgeht, dass sich der voraussichtliche Zeitrahmen für die Kommerzialisierung der Ammoniak-Technologie von 2045 bis 2050 um fünf bis zehn Jahre nach vorne verschiebt, kann man davon ausgehen, dass sich Ammoniak im besten Fall bis Mitte des Jahrhunderts nur mäßig durchsetzen wird, wenn man die Flottenfluktuation und die relative Neuartigkeit der Technologie berücksichtigt. Damit bleibt ein Zeitfenster für synthetische Kraftstoffe, um die verbleibende Nachfrage zu decken, wobei die einfache Kompatibilität mit der Drop-in-Technologie mit einem niedrigeren Preis für Ammoniak konkurrieren würde. In Anbetracht des Zeitrahmens und dieser konkurrierenden Faktoren geht unser fortgeschrittener Ammoniak-Fall von einem bescheidenen Anstieg gegenüber dem Basisfall auf 33 % der Flüge unter 1650 Meilen (2655 km) im Jahr 2050 aus, die mit Ammoniak-Flugzeugen zurückgelegt werden. 

Abbildung 12: Ergebnisse für den fortgeschrittenen Ammoniakfall 

Abbildung 12 zeigt die Ergebnisse für diesen Fall, wobei der Anteil der Biokraftstoffe unverändert bleibt und der Mix aus synthetischen Kraftstoffen und Ammoniak mit 29 % bzw. 25 % des Gesamtenergiebedarfs im Luftverkehr fast gleichmäßig verteilt ist. Das Balkendiagramm zeigt, dass der Bedarf an Wasserstoff im Vergleich zum Basisfall mit 79,5 % des von der IEA prognostizierten Wasserstoffangebots für Verkehrszwecke leicht zurückgeht, aber höher ist als im Fall des fortgeschrittenen Wasserstoffs. Dies ist hauptsächlich auf den zusätzlichen Wasserstoff zurückzuführen, der zur Steigerung der Ammoniakproduktion benötigt wird, und in geringerem Maße auf die etwas stärkere Abhängigkeit von synthetischen Kraftstoffen, die in diesem Fall 49,5 % des von der IEA prognostizierten Angebots ausmachen.  

Der erforderliche Anstieg der Ammoniakproduktion selbst ist das wichtigste Ergebnis, da dieser Fall einen Anstieg des Ammoniakangebots um 62,7 % gegenüber den Projektionen auf der Grundlage des Ammoniakverbrauchs in anderen Sektoren impliziert. Im Gegensatz zu den anderen Fällen ist dieser Anstieg wahrscheinlich groß genug, um einige sektorübergreifende Effekte hervorzurufen, die zu einer Situation führen könnten, in der die Dynamik von Ammoniakangebot und -nachfrage zu weitreichenden Preissteigerungen führt. Diese Bedenken hinsichtlich des Angebots sowie der Stand der Technik für ammoniakbetriebene Flüge machen diesen Fall zum unwahrscheinlichsten aller in unserer Analyse betrachteten Fälle. Ammoniak hat Vorteile als Flugkraftstoff, aber es müsste ein branchenweites Umdenken stattfinden, damit es in der Mitte des Jahrhunderts eine stark erweiterte Rolle spielen kann. Wahrscheinlicher ist ein Szenario wie das Basisszenario, bei dem die Fluggesellschaften mit der Einführung dieser neueren, kohlenstofffreien Technologie mit größerer Reichweite auf bestimmten Strecken experimentieren. 

Abbildung 13 schließlich vergleicht die Nachfrage nach Wasserstoff in jedem der fortgeschrittenen Fälle mit der Nachfrage nach Wasserstoff im Basisfall. Wie in der vorangegangenen Diskussion hervorgehoben wurde, zeigen unsere Ergebnisse erhebliche Veränderungen der Wasserstoffnachfrage - in der Größenordnung von etwa ±15 % oder 6 Quads - je nach Fall.  

Abbildung 13: Vergleich des Wasserstoffproduktionsbedarfs mit dem Basisfall

Die größte Triebkraft ist die Herstellung synthetischer Kraftstoffe, für die Wasserstoff als Ausgangsstoff benötigt wird, was zu einer Reihe von Kompromissen führt: die Bequemlichkeit von synthetischen Kraftstoffen, die sofort verwendet werden können, steht der Fähigkeit gegenüber, die Produktion von sauberem Wasserstoff schnell zu skalieren, und der Ungewissheit, wie schnell die Technologien und die Infrastruktur, die für einen direkten wasserstoffbetriebenen Flug erforderlich sind, ausreifen werden. Dieses dreifache Problem wird stark von den Kosten, technologischen Erwägungen, den Präferenzen der Industrie, den politischen Verpflichtungen und dem Willen der Öffentlichkeit beeinflusst. 

7. Politische Empfehlungen

Die Bemühungen um die Kommerzialisierung synthetischer SAF und anderer Optionen zur Dekarbonisierung der Luftfahrt stehen vor zahlreichen Herausforderungen, von denen viele in diesem Bericht erörtert werden. Nichtsdestotrotz ist die Entwicklung und der Einsatz großer Mengen an nicht-biogenem, klimafreundlichem Flugtreibstoff unerlässlich, um die THG-Emissionen des Luftfahrtsektors zu eliminieren - was wiederum ein entscheidender Schritt zur vollständigen Dekarbonisierung des Transportsektors ist. Politische Entscheidungsträger in den Vereinigten Staaten, Europa und anderswo beginnen, diese Herausforderungen direkt und indirekt anzugehen, aber es muss noch mehr getan werden, um die Produktion, den Vertrieb und die Verwendung von synthetischen SAF und kohlenstofffreien Flugkraftstoffen zu fördern. Die Palette nützlicher politischer Maßnahmen reicht von allgemein anwendbaren Maßnahmen zur Verringerung der Kohlenstoffintensität von Verkehrskraftstoffen bis hin zu sehr gezielten Bestimmungen, die den Aufbau von Lieferketten für geeignete Kohlenstoff- und Wasserstoffrohstoffe unterstützen. 

7.1 Normen für saubere Kraftstoffe

Standards für saubere Kraftstoffe (Clean Fuel Standards, CFS) verlangen eine schrittweise Verringerung der Kohlenstoffintensität (CI) des Kraftstoffmixes im Verkehr. In der Regel subventionieren diese Maßnahmen kohlenstoffarme alternative Kraftstoffe und Energieträger (einschließlich Strom), indem sie den Herstellern von Kraftstoffen, die das CI-Ziel übertreffen, handelbare Gutschriften gewähren. Gleichzeitig erhöhen sie die Kosten für konventionelle Kraftstoffe, indem sie die Hersteller solcher Kraftstoffe verpflichten, genügend Gutschriften zu kaufen, um die überschüssige Kohlenstoffmenge zu decken, die durch die Nichterfüllung des CI-Ziels entsteht.  

Kalifornien leistete 2009 mit der Verabschiedung eines landesweiten Standards für kohlenstoffarme Kraftstoffe (Low Carbon Fuel Standard, LCFS) für Kraftstoffe im Landverkehr Pionierarbeit^.89 Andere Bundesstaaten an der Westküste der USA folgten im Laufe des nächsten Jahrzehnts, ebenso wie British Columbia. Ab 2018 konnten sich Anbieter von kohlenstoffarmen Flugkraftstoffen für das kalifornische LCFS entscheiden und verkaufsfähige Gutschriften generieren^;90 2024 leitete die kalifornische Luftreinhaltungsbehörde ein Verfahren zur Überarbeitung der Vorschriften ein, das darauf abzielt, die LCFS-Kohlenstoffintensitätsstandards auf alle Flugkraftstoffe anzuwenden, die für Flüge verwendet werden, die in Kalifornien starten und landen^.91 

Es werden auch Anstrengungen unternommen, um eine landesweit gültige Norm für saubere Kraftstoffe für die Vereinigten Staaten zu entwickeln. Zu den Schlüsselelementen eines starken bundesweiten CFS gehören: 

• Zielsetzung: Null bis Mitte des Jahrhunderts. Ein CFS muss die Kohlenstoffintensität von Verkehrskraftstoffen bis etwa Mitte des Jahrhunderts auf nahezu Null senken. 
• Robuste und umfassende Lebenszyklus-THG-Analyse. Die Erteilung von Gutschriften und Defiziten im Rahmen eines CFS hängt von der Bestimmung der Lebenszyklus-THG-Emissionen von Kraftstoffen ab. Bei der Festlegung von Standards für saubere Kraftstoffe müssen die besten verfügbaren Modelle und Instrumente für die Bewertung der Emissionen über den gesamten Lebenszyklus verwendet werden, einschließlich der direkten vorgelagerten Emissionen aus der Kraftstoffherstellung, dem Transport und der Handhabung sowie signifikanter indirekter Emissionen (z. B. aus Landnutzungsänderungen im Falle von Kraftstoffen aus biogenen Rohstoffen). 
• Schutzmaßnahmen gegen eine übermäßige Abhängigkeit von nicht nachhaltigen Rohstoffen. Schutzmaßnahmen, wie z. B. eine Begrenzung der Anzahl von Gutschriften, die für Kraftstoffe aus einem bestimmten Rohstoff ausgestellt werden können, sind erforderlich, um zu verhindern, dass sich regulierte Unternehmen zu sehr auf bestimmte Kraftstoffarten verlassen, insbesondere auf flächenintensive Biokraftstoffe. 
• Multisektoraler Geltungsbereich. Um die Planung zu fördern und die Anreize für die stark miteinander verbundenen Kraftstoffmärkte anzugleichen, muss ein CFS für Kraftstoffe gelten, die von Straßen- und Geländefahrzeugen verwendet werden, sowie für Kraftstoffe, die im Luft- und Schiffsverkehr eingesetzt werden. Allerdings sollte ein CFS den sektorübergreifenden Handel mit Gutschriften einschränken, um sicherzustellen, dass die Politik entscheidende technologische Fortschritte im Luftfahrtsektor vorantreibt, und um Szenarien zu vermeiden, in denen beispielsweise Fluggesellschaften billige Gutschriften kaufen, die von batteriebetriebenen Personenkraftwagen stammen, anstatt in die Entwicklung kohlenstoffarmer Flugkraftstoffe zu investieren.  

7.2 Synthetische SAF vorschreiben

Die Regierungen können die Einführung synthetischer SAF durch Verbrauchsvorgaben beschleunigen. Die ReFuelEU-Luftfahrtpolitik der Europäischen Union verlangt von den Treibstoffanbietern, die Verfügbarkeit nachhaltiger Flugkraftstoffe für Flüge der Zivilluftfahrt von Großflughäfen aus schrittweise zu erhöhen, beginnend mit 2 % des Treibstoffverbrauchs im Jahr 2025 und endend bei 70 % im Jahr 2050. Die ReFuelEU-Anforderung beinhaltet ein spezifisches Untermandat für synthetische Flugkraftstoffe, das im Laufe der Zeit ansteigt: 2030-2031 muss synthetischer Flugkraftstoff 1,2 % des auf EU-Flughäfen verfügbaren SAF ausmachen, 2040 10 % und 2050 35 %^.92     

Durch die Vorgabe, dass ein bestimmter Kraftstofftyp einen vorher festgelegten Anteil des Kraftstoffmarktes ausmachen muss, sind Verbrauchsvorschriften weniger wirksam als Leistungsnormen, um innovative und kosteneffiziente Strategien zur Einhaltung der Vorschriften zu fördern. Mandate können jedoch einige der Umsetzungsprobleme vermeiden, die mit der starken Abhängigkeit von den komplizierten und unvollkommenen Instrumenten verbunden sind, die für die Bewertung der THG-Emissionen über den Lebenszyklus erforderlich sind^.93 

7.3 Subventionen für die Produktion

Öffentliche Subventionen, die die Herstellung von kohlenstoffarmen Flugkraftstoffen belohnen, können ebenfalls wirksam sein, vorausgesetzt, dass der Anspruch auf Subventionen auf Kraftstoffe beschränkt ist, die im Vergleich zu konventionellem Flugkraftstoff deutliche und wesentliche Verbesserungen der Kohlenstoffintensität aufweisen. Mit dem Gesetz zur Verringerung der Inflation 2022 wurde eine neue Subvention für nachhaltigen Flugkraftstoff in Form einer Steuergutschrift eingeführt, die vom Finanzministerium ausgestellt wird. Der Wert der Steuergutschrift reicht von $1,25 pro Gallone für Kraftstoffe, die eine 50-prozentige Reduktion der Kohlenstoffintensität erreichen, bis zu $1,75 pro Gallone für Kraftstoffe, die eine 100-prozentige Reduktion erreichen^.94 Die Steuergutschrift steht Herstellern von synthetischem SAF und Bio-SAF gleichermaßen zur Verfügung, obwohl nur wenige Hersteller von synthetischem SAF in der Lage sein werden, die Gutschrift in den ersten Jahren des Programms in Anspruch zu nehmen. (Bedenken hinsichtlich der Methodik, die das Finanzministerium zur Quantifizierung der Kohlenstoffintensität von Bio-SAF verwenden würde, führten zu umfangreicher Lobbyarbeit und einem komplizierten behördeninternen Prüfungsverfahren).    

Die wirksamsten Subventionen für saubere Energien schaffen ein Gleichgewicht. Eine gut konzipierte Subvention für synthetische SAF würde dazu beitragen, eine junge Industrie in den ersten Jahren vor einem erdrückenden Preiswettbewerb zu schützen, und gleichzeitig sicherstellen, dass öffentliche Mittel für Kraftstoffe reserviert werden, die eindeutige und erhebliche Klimavorteile bieten. Wie im Zusammenhang mit den Standards für saubere Kraftstoffe erörtert, ist die Verwendung robuster und umfassender Instrumente zur Bewertung der Treibhausgasemissionen über den gesamten Lebenszyklus unerlässlich. Wenn zum Beispiel ein Ökobilanzierungsinstrument, das zur Bestimmung der Subventionshöhe für SAF-Hersteller verwendet wird, die indirekten Landnutzungsänderungen, die mit landintensiven Methoden zur Bereitstellung von Rohstoffen für Bio-SAF verbunden sind, nicht angemessen berücksichtigt, werden synthetische SAF-Hersteller ungerechtfertigt benachteiligt, während Bio-SAF-Hersteller mit erheblichen indirekten THG-Emissionen finanzielle Vorteile erhalten könnten.    

7.4 SAF-Verträge für Differenzen

Ein Differenzkontrakt (CfD) ist ein Finanzinstrument, das eine Partei dazu verpflichtet, eine andere Partei für die Differenz zwischen dem aktuellen Marktpreis eines Vermögenswerts und dem Wert dieses Vermögenswerts zum Zeitpunkt des Abschlusses des Vertrags zu entschädigen. Abgewandelte Versionen dieses Instruments gewinnen im Bereich der Energiepolitik an Zugkraft, um Kostenbarrieren für die Einführung weniger kohlenstoffintensiver Brennstoffe abzubauen, indem eine dritte Partei für die Deckung der Brennstoffkosten pro Einheit verantwortlich gemacht wird, die einen vereinbarten Schwellenwert überschreiten. Eine Regierung, die die Notwendigkeit erkannt hat, synthetisches SAF auf den Markt zu bringen, könnte beispielsweise einen CfD mit einem Hersteller von synthetischem SAF vereinbaren, bei dem die Regierung garantiert, dass der Hersteller für jede Gallone synthetischen Flugbenzins, die er über einen Zeitraum von fünf Jahren an Fluggesellschaften verkauft, einen vorher festgelegten Betrag erhält. Der im Voraus festgelegte Betrag könnte auf einem Niveau festgelegt werden, das z.B. 2,00 $ über dem derzeitigen durchschnittlichen Verkaufspreis von Bio-SAF pro Gallone liegt, so dass der Hersteller von synthetischem SAF auf den SAF-Märkten konkurrieren kann, während die Regierung vorübergehend einige oder alle zusätzlichen Kosten für die Synthese von SAF aus nicht-biogenen Rohstoffen trägt. 

Die Europäische Union verfolgt ein ähnliches Ziel, indem sie Flugzeugbetreibern, die SAF verwenden, bis zu 20 Millionen kostenlose Zertifikate im Rahmen des Emissionshandelssystems (ETS) zuteilt, um den Preisunterschied zwischen SAF und konventionellem Flugbenzin ganz oder teilweise auszugleichen^.95 

7.5 Förderung der Versorgung mit kohlenstoffarmem Wasserstoff

Ein massiver Ausbau der synthetischen SAF-Produktion - und in der Tat ein Erfolg bei der allgemeinen Dekarbonisierung des Luftverkehrs über fast alle möglichen Wege - hängt von der Verfügbarkeit von kostengünstigem Wasserstoff und Kohlenstoffatomen ab, die durch klimafreundliche Prozesse gewonnen werden. Im Falle von Wasserstoff ist die Politik gefordert, die zusätzlichen Kosten für die Herstellung von Wasserstoff durch Verfahren mit geringen Treibhausgasemissionen zu übernehmen und/oder die Nachfrage nach solchem Wasserstoff zu gewährleisten.  

Die Vereinigten Staaten verfolgen zwei Hauptstrategien zur Förderung der Produktion von kohlenstoffarmem Wasserstoff. Beide sind vielversprechend, bedürfen aber auch der Verfeinerung. Die erste konzentriert sich auf Direktinvestitionen zur Demonstration der Wasserstofftechnologie und nennt sich Regional Clean Hydrogen Hubs (H2Hubs) Program. Dieses Programm, das im Rahmen des Infrastructure Investment and Jobs Act von 2021 verabschiedet wurde, stellt 8 Milliarden Dollar für regionale Zusammenschlüsse von Industrie- und Handelsteilnehmern zur Verfügung, die sich zusammentun, um kohlenstoffarme Wasserstoffproduktion, -speicherung und -transportinfrastruktur mit Endverbrauchern (in einigen Fällen auch mit SAF-Produzenten) zusammenzubringen.  

Um sicherzustellen, dass ein Teil der Entwicklung einer kohlenstoffarmen Wasserstoffversorgung und -infrastruktur auf Anwendungen in der Luftfahrt ausgerichtet wird, sollte das US-Energieministerium (DOE), das das H2Hubs-Programm durchführt und derzeit über die Vergabe von sieben vorgeschlagenen Hubs verhandelt, Wasserstoff als Treibstoff oder Rohstoff für die Luftfahrt und als eine wichtige Endanwendung zur Unterstützung breiterer Dekarbonisierungsziele in Betracht ziehen. Insbesondere sollte das DOE in Erwägung ziehen, einen Teil der Bundesmittel in Höhe von 1 Milliarde Dollar, die für eine nachfrageseitige Unterstützungsinitiative im Rahmen des H2Hubs-Programms bereitgestellt wurden, für die Endanwendungen in der Luftfahrt zu verwenden, um die Demonstration der benötigten Technologien zu unterstützen^.96 Darüber hinaus sollte sich jede künftige Finanzierung für Wasserstoff-Hubs (in den Vereinigten Staaten oder weltweit) auf die wichtigsten Endanwendungssektoren konzentrieren, die Wasserstoff zur Dekarbonisierung benötigen - zu denen die Luftfahrt gehört. 

Die zweite wichtige Maßnahme auf nationaler Ebene zur Förderung von sauberem Wasserstoff ist eine Steuergutschrift für die Produktion, die durch den Inflation Reduction Act von 2022 eingeführt wurde. Im Rahmen dieser Politik können Wasserstoffproduzenten eine Steuergutschrift von bis zu 3,00 $ pro Kilogramm kohlenstoffarmen Wasserstoffs beantragen. Das US-Finanzministerium arbeitet derzeit an den endgültigen Richtlinien für die Steuergutschrift für sauberen Wasserstoff (auch bekannt als "Section 45V" in Anlehnung an den entsprechenden Abschnitt des US-Steuergesetzes), aber künftige Änderungen oder Erweiterungen der Steuergutschrift könnten sich darauf konzentrieren, Anreize für die notwendige Entwicklung sehr kohlenstoffarmer Wasserstoffproduktionsmethoden zu schaffen (zum Beispiel durch die Begrenzung künftiger Gutschriften auf die niedrigsten Kohlenstoffintensitäten, die derzeit für Section 45V in Frage kommen). Künftige Bundespolitiken für kohlenstoffarmen Wasserstoff könnten die Anreize auch an klimaschonende Endanwendungen knüpfen (insbesondere an Anwendungen in der Schwerindustrie und im Schwerlastverkehr, einschließlich der Luftfahrt). Dies würde dazu beitragen, dass die begrenzten Vorräte an kohlenstoffarmem Wasserstoff zuerst in Sektoren und Endanwendungen mit hoher Priorität fließen, für die es keine anderen praktikablen Dekarbonisierungsoptionen gibt, einschließlich der Verwendung von Wasserstoff als sauberer Kraftstoff oder als Ausgangsstoff für die Luftfahrt.  

Die Europäische Union arbeitet daran, die Versorgung mit kohlenstoffarmem Wasserstoff durch eine Reihe von Finanzierungsprogrammen anzukurbeln, darunter die Wasserstoffbank des EU-ETS-Innovationsfonds, die 800 Millionen Euro in Form von festen Prämien pro Kilogramm produzierten erneuerbaren Wasserstoffs ausschütten wird^;97 und die Partnerschaft für sauberen Wasserstoff von Horizon Europe, eine öffentlich-private Initiative zur Unterstützung von Forschung und Innovation bei der Produktion, Übertragung, Verteilung und Speicherung von erneuerbarem Wasserstoff sowie in ausgewählten Bereichen der Brennstoffzellentechnologie^.98 Indem sie sicherstellen, dass ein erheblicher Teil dieser und anderer verfügbarer Finanzmittel in luftfahrtbezogene Endanwendungen fließt, könnten die politischen Entscheidungsträger in Europa die Fortschritte des Sektors bei der Dekarbonisierung beschleunigen.   

Eine weitere Möglichkeit, wie Regierungen die Verwendung von klimafreundlichem Wasserstoff für die Dekarbonisierung des Luftverkehrs priorisieren könnten, wäre die Einführung eines Rabatts für Hersteller von synthetischem SAF. Bei diesem Ansatz hätte ein Hersteller von synthetischem SAF Anspruch auf einen festen Rabatt (z.B. $1/kg) für jeden kohlenstoffarmen Wasserstoff, den er bezieht und in sein Produkt einbaut. 

7.6 Verbesserung des Zugangs zu klimafreundlichem Kohlenstoff

Da die Herkunft der Kohlenstoffatome, die für die Herstellung von synthetischem SAF verwendet werden, einen erheblichen Einfluss auf die Klimaverträglichkeit des entstehenden Kraftstoffs hat, müssen politische Entscheidungsträger und andere Interessengruppen (1) Protokolle zur Bewertung der Klimaauswirkungen verschiedener Technologien zur Kohlenstoffgewinnung entwickeln und (2) Mechanismen zur Erprobung und schließlich zum Einsatz der vielversprechendsten Optionen einführen.  

Die Politik kann die Klimaauswirkungen der mechanischen Extraktion von Kohlenstoff aus der Atmosphäre und dessen Verwendung als SAF-Rohstoff mit angemessener Sicherheit berücksichtigen, vor allem weil die Schlüsselfaktoren messbar sind. Das Haupthindernis für direct air capture (DAC) scheinen die hohen Kosten für die Abtrennung von Kohlenstoff aus der Umgebungsluft zu sein. Die Abtrennung von Kohlenstoff aus Meerwasser könnte vergleichsweise kostengünstig sein, aber die Nettoauswirkungen dieser Technologie auf das Klima sind weniger gut bekannt, zum Teil weil sie nicht gemessen werden können (und daher modelliert werden müssen).  

Kohlenstoff kann auch durch die Abscheidung von_{CO2-Emissionen} aus "Punktquellen" wie Fabriken und Stromerzeugungsanlagen gewonnen werden. Wenn die Anlage mit einem fossilen Brennstoff betrieben wird, ist der Klimanutzen der Verwendung des abgeschiedenen_CO2 für die anschließende Synthese von Treibstoff wahrscheinlich relativ bescheiden, da der Prozess letztlich einen Transfer von geologischem Kohlenstoff in die Atmosphäre beinhaltet. Wird die Anlage mit Bioenergie betrieben, könnte synthetischer SAF, der aus dem abgeschiedenen_CO2 hergestellt wird, einen sehr geringen Klimanutzen haben, je nachdem, welche Art von Biomasse verwendet wurde und was ihr alternativer Verbleib gewesen wäre, wenn sie nicht verbrannt worden wäre.   

Um die Auswirkungen dieser Pfade auf das Klima zu bestimmen, bedarf es einer sorgfältigen Analyse, die transparent und über Märkte und Rechtsordnungen hinweg standardisiert ist. Politische Entscheidungsträger sollten mit akademischen Einrichtungen, Organisationen des öffentlichen Interesses und der Industrie zusammenarbeiten, um eine Reihe von Bemühungen zu starten, die darauf abzielen, die Unsicherheiten im Zusammenhang mit CO2-abscheidung zu minimieren und vor allem die Rolle der SAF zu klären. Eine dieser Bemühungen wurde 2024 von der U.S. National Science Foundation initiiert, um "ein umfassendes Bundesforschungsprogramm zur marinen [Kohlendioxid-Entfernung] einzurichten, um die Entwicklung des Wissens zu beschleunigen, das erforderlich ist, um unter anderem "das Klimaschutzpotenzial mariner [Kohlendioxid-Entfernungs]-Ansätze, einschließlich ihrer Wirksamkeit, Dauerhaftigkeit, Skalierbarkeit, des Energie- und sonstigen Ressourcenbedarfs und der Kosten" zu bestimmen.⁹⁹  

In dem Maße, in dem die Kosten und die Wirksamkeit von Technologien zur Kohlenstoffabscheidung besser verstanden werden, sollten politische Maßnahmen ergriffen werden, um die anfängliche Einführung von Abscheidungstechnologien und -verfahren zu unterstützen, die den_CO2-Gehalt in der Atmosphäre deutlich reduzieren, zusätzlich zu den bestehenden Bemühungen zur Kohlenstoffabscheidung erfolgen, nicht zu Leckagen führen, Sicherheitsvorkehrungen unterliegen, die eine doppelte Anrechnung der behaupteten Kohlenstoffabscheidung verhindern, und keine unbeabsichtigten Schäden verursachen^.100 Schließlich werden die Regierungen auch dazu beitragen müssen, Protokolle und unterstützende Analysen zu entwickeln, um den Netto-Nutzen oder -Nachteil der Verwendung von abgeschiedenem Kohlenstoff für die Brennstoffsynthese zu bewerten, anstatt ihn dauerhaft zu binden. 

7.7 Reduzierung der _{Nicht-CO2-Effekte}

Zwar ist die erwärmende Wirkung noch nicht vollständig geklärt, aber jüngste Analysen deuten darauf hin, dass Kondensstreifen den Gesamteinfluss des Luftfahrtsektors auf den Klimawandel verdoppeln oder verdreifachen könnten. Zu zahlreichen Aspekten dieses Phänomens ist dringend weitere Forschung erforderlich. CATFDer in Kürze erscheinende Bericht der Europäischen Kommission über die _{Nicht-CO2-Auswirkungen} des Luftverkehrs skizziert zahlreiche Schritte, die politische Entscheidungsträger und andere Interessengruppen unternehmen können, um das wissenschaftliche Verständnis der Kondensstreifenbildung zu verbessern und zu erfahren, wie diese reduziert werden kann. 

7.8 Förderung von Innovationen bei kohlenstofffreien und kohlenstoffarmen Flugkraftstoffen

Regionale und nationale Regierungen können durch Investitionen in Forschungs- und Entwicklungsinitiativen dazu beitragen, die Kommerzialisierung wichtiger Technologien für die Dekarbonisierung der Luftfahrt zu beschleunigen. Die von Agenturen wie der Europäischen Agentur für Flugsicherheit, dem japanischen Ministerium für Wirtschaft, Handel und Industrie sowie dem DOE und der Federal Aviation Administration in den USA bereitgestellten Mittel sollten Programme unterstützen, die u. a: 

• Verbesserung der Effizienz und Zuverlässigkeit von treibhausgasarmen Systemen zur Erzeugung und Bereitstellung des Wasserstoffs, der für die Ausweitung der synthetischen SAF und kohlenstofffreie Flugkraftstoffe benötigt wird.  
• Optimierung der Antriebssysteme und der Speichersysteme an Bord für CO2-freie kraftstoffe, einschließlich ammoniakbetriebener Gasturbinen und leichter Wasserstofftanks. 
• Prototypen modifizierter Flugzeugdesigns, einschließlich gemischter Flügelkörper, die für die Aufnahme von Wasserstoff ausgelegt sind.  

8. Schlussfolgerung

Eine der größten Herausforderungen bei der Dekarbonisierung des Verkehrssektors ist die Suche nach klimafreundlichen Lösungen, die für die Luftfahrtindustrie geeignet sind. Diese Branche, die in hohem Maße auf energiereiches, kohlenstoffintensives fossiles Kerosin angewiesen ist, muss ihre Flugzeugtriebwerke, Flughafeneinrichtungen, Lagerkapazitäten, Infrastruktur der Lieferkette, Betriebspraktiken und Sicherheitsvorschriften von der Verwendung konventionellen Kerosins abkoppeln, um ihre erklärten Klimaziele zu erreichen.  

Die derzeit ausgereifteste Technologie, die gemeinhin als nachhaltiger Flugkraftstoff oder SAF bezeichnet wird, ist Biokraftstoff, der aus Fetten und Ölen gewonnen wird, die mit Wasserstoff zu Kohlenwasserstoffkraftstoffen verarbeitet werden, die die Energiedichte von fossilem Kerosin erreichen. Diese "Drop-in"-Lösung ist notwendig, dürfte aber allein nicht ausreichen. Frühere Arbeiten von CATF , die auf Angebotsprognosen der IEA beruhen, zeigen, dass es unrealistisch ist, nachhaltige biogene Rohstoffe so zu skalieren, dass die landwirtschaftliche Bodennutzung nicht beeinträchtigt wird, um die wachsende Nachfrage in der Luftfahrt zu befriedigen, selbst wenn stärkere politische Maßnahmen und private Investitionen das Angebot in Zukunft verbessern. Daher wird ein Markt, der bisher auf einen einzigen Kraftstoff angewiesen war, den Übergang zu einer Kombination von Energiequellen erkunden müssen: Biokraftstoffe, synthetisches Kerosin, das aus kohlenstoffarmem Wasserstoff und_CO2 hergestellt wird (wobei das_CO2 aus punktuellen Quellen, Biomassevergasung, DAC oder anderen Abscheidungstechnologien gewonnen werden könnte), direkter Wasserstoff- oder Ammoniakkraftstoff und, in einigen speziellen Fällen, vollständig elektrischer Antrieb.  

Diese Umstellung würde einen ausreichenden Ausbau mehrerer neu entstehender Industrien und andere Veränderungen erfordern, die die Infrastruktur und den Betrieb von Flughäfen voraussichtlich belasten würden, aber eine Zukunft mit mehreren Kraftstoffen ist im Vergleich zu einer Strategie, die ausschließlich auf Bio-SAF setzt, ein erreichbarerer und klimaschonenderer Ansatz zur Dekarbonisierung. Gegen Mitte des Jahrhunderts, wenn die nachhaltigen biogenen Rohstoffe knapper werden, werden sich die Kosten für Bio-SAF wahrscheinlich den Kosten für synthetisches Kerosin annähern. Da wasserstoff- und ammoniakbetriebene Flüge die saubersten Optionen sind, sollten diese Technologien mit zunehmender Reife eine Rolle spielen, wenn auch nur in einem begrenzten Flugbereich. Ammoniak und Wasserstoff dürften weniger kosten als synthetischer Treibstoff, wenn man bedenkt, welche Kosten mit der Beschaffung von_CO2 für die Herstellung von synthetischem Treibstoff verbunden sind und wie viel Wasserstoff bei diesem Prozess verwendet wird.  

Unter Berücksichtigung all dieser Faktoren zeigt unsere Analyse, dass eine Kombination aus vier Kraftstoffen - Bio-SAF, synthetischer Düsenkraftstoff, Wasserstoff und Ammoniak, wobei die ersten beiden Kraftstoffe 86 % der Gesamtnachfrage decken - einen plausiblen Kraftstoffmix für die Luftfahrtindustrie im Jahr 2050 darstellt. Allerdings gibt es erhebliche technologische und wirtschaftliche Hindernisse, die den Übergang der Luftfahrtindustrie zu einer solchen Multi-Fuel-Zukunft bestenfalls erschweren werden. Um überhaupt eine Chance auf Erfolg zu haben, muss der Übergang durch beträchtliche private Investitionen und eine Politik unterstützt werden, die den Einsatz von synthetischen und alternativen Kraftstoffen fördert CO2-freie kraftstoffe. Darüber hinaus werden diese Hindernisse wahrscheinlich auch das Interesse an der Nutzung von direct air capture (und möglicherweise der direkten Abscheidung von_CO2 im Meer) verstärken, um die Emissionen auszugleichen, die mit einfacheren, aber emissionsreicheren Strategien für die Betankung des Luftfahrtsektors verbunden sind. CATF wird die Rolle von Kompensationsmaßnahmen in späteren Analysen genauer untersuchen. 

Ungeachtet dieser Herausforderungen zeigen die Ergebnisse dieser Analyse einen potenziell gangbaren Weg auf. Die Neugestaltung des Flugkraftstoffmarktes wird ein ehrgeiziges Unterfangen sein, aber wenn der gesamte Sektor die Herausforderung annimmt, ist eine Dekarbonisierung des Luftverkehrs innerhalb eines Zeitrahmens möglich, der die nationalen und internationalen Klimaziele erfüllt.  

Fußnoten