Effizienzsteigerung bei Power-to-Liquid-Produktion

Power-to-Liquid

Neue Membranreaktoren liefern »grüne« Grundstoffe für die chemische Industrie

Pressemitteilung / 12.6.2018

Geschlossene Kohlenstoffkreisläufe müssen in Zukunft einen wichtigen Beitrag leisten, Kohlendioxid-Emissionen drastisch zu reduzieren und einen sicheren und kostengünstigen Zugang zu Kohlenstoffquellen als Basis für Produkte der chemischen Industrie zu gewährleisten. Um die Effizienz und damit Wirtschaftlichkeit der dafür erforderlichen Syntheseprozesse zu steigern, hat das Fraunhofer IKTS in Zusammenarbeit mit dem Thüringer Unternehmen MUW-SCREENTEC GmbH einen neuartigen Membranreaktor entwickelt.

Ein geschlossener Kohlenstoffkreislauf basiert auf der steten Umsetzung von Kohlendioxid mit Energie –  idealerweise aus regenerativen Quellen. So lässt sich aus regenerativ erzeugtem Strom beispielswiese Wasserstoff herstellen, welcher unter Nutzung von Kohlendioxid zu speicherbaren Stoffen wie Methanol umgewandelt werden kann. Der nach dem Prinzip »Power-to-Liquid« hergestellte flüssige und somit transportable Speicherstoff Methanol besitzt eine hohe Energiedichte und erlaubt eine unbegrenzte Lagerung ohne Verluste. Außerdem ist dieser wertvolle Energieträger auch eine wichtige Basischemikalie für weiterführende Synthesen, beispielsweise für Kunststoffe.

Derzeit ist bei der Synthese von Methanol aus Wasserstoff und Kohlendioxid die notwendige Abtrennung des Wassers noch ein separater Schritt. Die dabei zum Einsatz kommenden thermischen Verfahren sind energieaufwändig und reduzieren den Wirkungsgrad. Mit einem so genannten Membranreaktor ist es nun erstmals gelungen, die chemische Reaktion mit der Stofftrennung in einem Apparat zu koppeln. Das Konzept wurde vom Fraunhofer-Institut für Keramische Technologien und Systeme IKTS und der MUW-SCREENTEC GmbH unter Förderung der Thüringer Aufbaubank entwickelt und in Hardware demonstriert. Durch die membranunterstützte Abtrennung des Wassers aus dem Reaktionsraum wird die Lage des chemischen Gleichgewichts während der Synthese gezielt zugunsten des Methanols verschoben.

Auf Basis dieser Ergebnisse lassen Simulationsrechnungen eine deutliche Steigerung der Methanolausbeute auf 60 % in Membranreaktoren statt bisher 20 % in konventionellen Reaktoren erwarten, wenn man auf industrielle Anlagen hochskaliert. Der experimentelle Nachweis der genauen Steigerung der Ausbeute wird derzeit von den Projektpartnern erbracht. Die für die Reaktoren notwendigen Membranen wurden ebenfalls am Fraunhofer IKTS entwickelt. Sie müssen neben den wasserabtrennenden Eigenschaften auch unter den anspruchsvollen Prozessbedingungen mechanisch, chemisch und thermisch stabil sein. Für die Methanolsynthese erwiesen sich bislang wasserselektive Kohlenstoffmembranen als besonders effektiv.

Die umgekehrte Reaktion der Methanolsynthese – das Methanol-Reforming – lässt sich ebenfalls äußerst effizient im neuen Membranreaktor realisieren. Hierbei dient das Methanol als gut handhabbarer flüssiger Wasserstoffspeicher. Das entstehende Kohlendioxid wird im Membranreaktor abgetrennt und steht somit wieder als Ausgangsstoff für einen geschlossenen Kohlenstoffkreislauf zur Verfügung. Nutzbar sind solche geschlossenen Konzepte beispielsweise zur Versorgung von Schiffen mit dem Treibstoff Wasserstoff, welcher aus gut transportablem Methanol und Wasser gewonnen wird.

Mit den neu entwickelten Membranreaktoren kann unter modifizierten Prozessbedingungen und mit anderen Katalysatoren aus Kohlendioxid und Wasserstoff auch synthetisches Methan hergestellt werden, welches sich im Erdgasnetz unbegrenzt speichern lässt. Darüber hinaus können alternative Treibstoffe wie Dimethylether oder die wichtige Basischemikalie Formaldehyd synthetisiert und damit die »Power-to-Chemicals-Strategie« umgesetzt werden.

Um eine weitere Effizienzsteigerung der Syntheseprozesse zu erzielen, fokussieren zukünftige Forschungsarbeiten nun auf einer gezielten Verbesserung der Katalysatoreigenschaften. Daher werden am Fraunhofer IKTS Katalysatoren entwickelt, die sich künftig direkt – und nicht wie bislang als Schüttung – auf die Membran applizieren lassen. »Das Fraunhofer IKTS verfügt sowohl über die gesamte Prozesskette zur Herstellung stabiler und selektiver Membranen als auch über umfangreiche Kompetenzen zur Katalysator- und Prozessentwicklung – ein weltweit einmaliger Wettbewerbsvorteil«, sagt Dr. Norman Reger-Wagner, Gruppenleiter am Thüringer Standort.

Perspektivisch sind durch die kontinuierliche Verbesserung der Membranen und des Verfahrens – beispielsweise durch eine selektive, membrangestützte Eindosierung von Wasserstoff in den Reaktionsraum – weitere deutliche Effizienzsteigerungen zu erwarten.

Power-to-Liquid

Quelle: Fraunhofer-Institut für Keramische Technologien und Systeme IKTS

Bedeutung flüssiger Energieträger für die Energiewende

IASA: Nachhaltige Luftfahrt - Sustainable Aviation
Energiewende | Donnerstag, 07.06.2018

Flüssige Energieträger wie Benzin werden weiterhin benötigt. Eine nahezu treibhausgasneutrale Alternative zu fossilen Flüssigkeiten sind „E-Fuels“. Ihre Perspektiven in der Energiewende hat Prognos für die Verbände der Mineralölwirtschaft untersucht.

©iStock – GAPS

Treibhausgasneutrale flüssige Energieträger können erzeugt werden, indem erneuerbarer Strom mit Hilfe von Elektrolyse-Wasserstoff und Kohlenstoff in einen flüssigen Energieträger (Power-to-Liquid, PtL) umgewandelt wird. Der Kohlenstoff kann etwa aus der Luft oder aus Biomasse gewonnen werden (Power-and-Biomass-to-Liquid, PBtL). Diese sogenannten E-Fuels sind für eine weitgehend klimaneutrale Energieversorgung aus heutiger Sicht unverzichtbar.

Zudem könnten sie in Zukunft aus Sicht der Verbraucher in bestimmten Anwendungen preislich mit treibhausgasneutralen Strom-Angeboten konkurrieren – und wären anschlussfähig an die heute vorhandene Infrastruktur.

Zu diesem Ergebnis kommt eine Studie im Auftrag der Verbände der Mineralölwirtschaft, die Prognos zusammen mit Fraunhofer UMSICHT und dem Deutschen Biomasseforschungszentrum (DBFZ) erstellt hat.

PtL-Treibstoff

Schematische Darstellung des Fischer-Tropsch-Verfahrens zur Erzeugung von PtL (Quelle: Darstellung aus der Studie)

Prognos hat den zukünftigen Bedarf an flüssigen Energieträgern in zwei Szenarien abgeschätzt. Dabei wurde von einem begrenzten Ausbau erneuerbarer Energien im Inland und einer nur „wie bisher“ wachsenden Energieeffizienz ausgegangen.

Das Ergebnis: Im Jahr 2050 benötigt allein der internationale Luft- und Schiffsverkehr Deutschlands ca. 550 Petajoule Energie. Wird PtL als Lösungsstrategie in allen Sektoren eingesetzt, werden bis zu 2000 Petajoule gebraucht. Weitere rund 500 Petajoule könnten Rohstoff für die Chemie sein.

Zusammen entspricht das rund 60 Millionen Tonnen klassischer Raffinerieprodukte. Zum Vergleich: Der heutige Mineralölabsatz in Deutschland liegt bei rund 110 Millionen Tonnen (2016). Die nachfolgende Abbildung zeigt für das Szenario PtX 95 mit ambitioniertem Klimaschutz (Reduktion der Treibhausgase um 95 %), wie hoch der Bedarf an PtL ausfallen könnte.

Energiebedarf der Luftfahrt bis 2050

1 PJ (Petajoule) = 1012 Kilojoule (Quelle der Grafik: Abbildung aus der Studie)

Da PtL-Energieträger gut speicher- und transportierbar sind, können sie in den sonnen- und windreichen Regionen der Welt – günstiger als in Deutschland – erzeugt werden. Für synthetisches Rohöl, das mit PtL-Technologie im Ausland gewonnen wird, erwarten die Autoren im Jahr 2050 inflationsbereinigt Produktionskosten von ca. 1,30 Euro pro Liter. Unter sehr günstigen Bedingungen wären auch 70 Cent pro Liter erreichbar.

Damit kann PtL für Verbraucher je nach Anwendung gegenüber rein strombasierten Lösungen auch preislich wettbewerbsfähig sein. Voraussetzung hierfür ist ein groß-industrieller Einstieg in die PtL-Technologie, damit die in der Studie angenommenen Lerneffekte erzielt und Kosten gesenkt werden können. Zudem sollte PtL zudem so effizient wie möglich eingesetzt werden.

Erheblicher Kapitaleinsatz und internationale Kooperationen nötig

Um diese Vorteile der flüssigen Energieträger für die deutsche Energiewende nutzbar zu machen, sind aber zwei komplexe und kapitalintensive Vorhaben nötig: Der Bau von großen Wind- sowie Solarparks einerseits und andererseits die Errichtung von integrierten Produktionsanlagen aus Kohlendioxid-Abscheidung, ggf. Meerwasserentsalzung, Elektrolyse und Synthese. Hierzu bedarf es erheblichen Kapitaleinsatzes und internationaler Kooperation.

Roadmap für die Markteinführung

Zu Markteinführung empfehlen die Studienautoren unter anderem eine Roadmap zu entwickeln, Forschungs- und Entwicklungskapazitäten auszubauen und einen allmählichen, aber stetigen Markthochlauf anzustreben. Hierfür seien – je nach Phase – verschiedene regulatorische und ökonomische Maßnahmen und Instrumente geeignet und notwendig.

Unternehmen und Wissenschaft sind gefragt, Forschungs- und Entwicklungsanstrengungen zu erhöhen und Optionen zu entwickeln. Insbesondere die Kohlendioxidabscheidung aus der Luft, die Elektrolyse und Synthese sind wichtige Forschungsfelder.

Hintergrund

E-Fuels basieren auf Power-to-Liquid (PtL)-Technologien. Dabei wird Strom aus erneuerbaren Energien mithilfe von Elektrolyse-Wasserstoff und einer Synthese mit Kohlenstoff in flüssige Energieträger umgewandelt. Dabei handelt es sich um die derzeit aussichtsreichsten Verfahren, um flüssige Energieträger großindustriell treibhausgasneutral zu produzieren.

Wie sich schrittweise CO2-neutrale flüssige Energieträger herstellen lassen, zeigt der Zwischenbericht der Untersuchung auf.

Zur Studie

Quelle: Prognos


 

Mini-Reaktoren im Container

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Ineratec GmbH, Karlsruhe: Nominiert für den Deutschen Gründerpreis 2018 in der Kategorie StartUp

Ineratec ist es gelungen, gigantische chemische Anlagen auf Miniaturformat zu schrumpfen. Die dezentral nutzbaren Reaktoren produzieren beispielsweise mit Hilfe von Solar- oder Windenergie synthetische Kraftstoffe fürs Auto oder erzeugen aus Abfallgasen hochwertige Ausgangsstoffe für die chemische Industrie. Die Expertenjury des Deutschen Gründerpreises war beeindruckt von den extrem vielfältigen Anwendungsmöglichkeiten der innovativen Reaktoren, mit denen man auch aus bislang verschwendeten Ressourcen einen echten Mehrwert erzielen kann. Deshalb wurden die Karlsruher für den Deutschen Gründerpreis 2018 in der Kategorie StartUp nominiert.

Das Unternehmen im Überblick

Gründungsjahr 2016
Die Gründer Dr. Tim Böltken, Philipp Engelkamp, Dr. Paolo Piermartini
Startkapital 25.000 Euro
Umsatz 2017 über 1 Mio. Euro
Mitarbeiter 19

Aus dem Klimakiller CO2 und Wasserstoff kann man synthetisches Erdgas oder synthetische Kraftstoffe herstellen, etwa fürs Auto. Dazu braucht man aber reichlich Energie. Was liegt also näher, als dies in der Nähe von Wasser-, Solar- oder Windkraftanlagen zu machen? Bislang war eine solche dezentrale Produktion jedoch nicht wirtschaftlich möglich, weil für diese Verfahren normalerweise extrem teure, großtechnische chemische Anlagen nötig sind.

Den Ineratec-Gründern Dr. Tim Böltken (33), Philipp Engelkamp (27) und Dr. Paolo Piermartini (37) gelang nun der Durchbruch: Die drei Ingenieure entwickelten eine passende chemische Reaktortechnologie, die in einem handelsüblichen Schiffscontainer Platz findet. Die fix und fertig montierten, preisgünstigen Kompaktanlagen sind nach dem Baukastensystem konzipiert, sodass man die Kapazität ganz nach Bedarf erweitern kann. „Damit ist es auch möglich, regenerative Energie dauerhaft zu speichern und so die Energiewende voranzutreiben“, erläutert Dr. Tim Böltken.

Wir wollten unbedingt an den Markt gehen, denn eine solche Chance hat man nur einmal im Leben.

Die schlüsselfertigen Kompaktanlagen können aber noch viel mehr: An vielen Stellen, beispielsweise auf Mülldeponien oder in der Industrie, entstehen nämlich relativ kleine Mengen wertvoller Gase, die aus Kostengründen häufig einfach verbrannt werden. Mit den mehrfach preisgekrönten Minireaktoren von Ineratec lohnt es sich, auch diese bislang verschwendeten Ressourcen zu nutzen, um daraus synthetische Kraftstoffe oder hochwertige Produkte für die chemische Industrie herzustellen. „Wir nutzen bekannte Verfahren wie die Synthesegaserzeugung, die Fischer-Tropsch-Synthese, die Methanolsynthese und die Methanisierung, nur eben in extrem kompakter Bauweise“, erklärt Dr. Tim Böltken. Und genau das war die technische Herausforderung.

Hinter der innovativen Ausgründung stehen mehr als 15 Jahre Forschung am Karlsruher Institut für Technologie, wo sich die Gründer während ihrer wissenschaftlichen Arbeit kennen lernten. Schon bald zeigten Anwender aus der Industrie Interesse an den Forschungsergebnissen. „Wir wollten unbedingt an den Markt gehen, denn eine solche Chance hat man nur einmal im Leben.“ Mit Hilfe des Exist-Forschungstransfers des Wirtschaftsministeriums und weiterer Fördermittel trieben die Gründer die Produktentwicklung voran, präsentierten auf Fachveranstaltungen und gewannen so die ersten Kunden. „Der Bedarf ist da und das Feedback vom Markt ist sehr positiv.“ Die mehrfach patentierten Reaktoren sind weltweit gefragt. Pilotanlagen laufen bereits in Deutschland, Spanien und Finnland. Weitere starten demnächst in Kanada, Brasilien, Malaysia sowie in der Schweiz. „Die Anlage ist direkt im Container montiert und leicht auf Schiffen oder LKW zu transportieren.“

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Kontakt:

Ineratec GmbH

Dr. Tim Böltken
T(0721) 864 844 60

tim.boeltken@ineratec.de
www.ineratec.com

Die hochkarätig besetzte Auswahljury des Deutschen Gründerpreises bescheinigte den weitsichtigen Ineratec-Gründern „beeindruckende Zukunftsvisionen, herausragende Kompetenzen und beste Geschäftsaussichten mit einem sehr innovativen, weltweit patentierten Produkt“. Die Experten nominierten das viel versprechende High-Tech-Unternehmen aus Karlsruhe für den Deutschen Gründerpreis 2018 in der Kategorie StartUp. „Wir freuen uns sehr über diese Nominierung. Das ist für uns und für das gesamte Team eine Bestätigung, dass wir auf dem richtigen Weg sind“, sagt Dr. Tim Böltken. „Wir wollen wachsen und glauben, dass sich nun weitere Türen öffnen werden.“

Quelle: Deutscher Gründer Preis 


 

Lufthansa Group stellt neuen Treibstoffeffizienzrekord auf

nachhaltige Luftfahrt
Spezifische Treibstoffverbrauch sinkt um 4,5 Prozent
Frankfurt, 6. Juni 2018: Die Lufthansa Group hat einen neuen Treibstoffeffizienzrekord aufgestellt: Die Flugzeuge der Passagierflotten benötigten 2017 durchschnittlich nur 3,68 Liter Kerosin, um einen Fluggast 100 Kilometer weit zu befördern (2016: 3,85 l/100pkm). Dies entspricht einer Verbesserung von 4,5 Prozent im Vergleich zum Vorjahr. Die Lufthansa Group hat damit das Airline-Branchenziel der jährlichen Effizienzsteigerung um 1,5 Prozent mehr als erfüllt. Dazu haben alle Fluggesellschaften des Konzerns beigetragen.
„Das ist das erfreuliche Resultat unserer kontinuierlichen Flottenmodernisierung und Effizienzprogramme. Um unseren Flugbetrieb so umweltverträglich wie möglich zu gestalten, werden wir auch weiterhin in wirtschaftliche, sparsame und leise Flugzeuge investieren. Wir wollen auch beim wichtigen Aspekt der Nachhaltigkeit eine führende Rolle in unserer Industrie einnehmen.“, so Carsten Spohr, Vorsitzender des Vorstands der Deutschen Lufthansa AG, im Vorwort des heute veröffentlichten Nachhaltigkeitsberichts „Balance“.
Die Lufthansa Group arbeitet kontinuierlich und systematisch daran, die Umweltverträglichkeit ihrer international angebotenen Dienstleistungen weiter zu verbessern. 2017 hat der Aviation-Konzern 29 neue Flugzeuge in Dienst gestellt, darunter weitere äußerst effiziente Modelle der Typen A350-900, A320neo und Bombardier C Series. Insgesamt stehen bei der Lufthansa Group aktuell rund 190 Flugzeuge auf der Bestellliste mit Auslieferung bis 2025.
Darüber hinaus setzten die Treibstoffeffizienz-Experten der Lufthansa Group 2017 insgesamt 34 Projekte zur Treibstoffeinsparung um, die die CO2-Emissionen um rund 64.400 Tonnen nachhaltig reduzierten. Die eingesparte Menge Kerosin betrug 25,5 Millionen Liter – dies entspricht dem Verbrauch von circa 250 Hin- und Rückflügen auf der Strecke München-New York mit dem Airbus A350-900. Der positive finanzielle Effekt dieser Maßnahmen betrug 7,7 Millionen Euro.
Umfangreiche Informationen, Kennzahlen und Interviews zu diesen und weiteren Themen der unternehmerischen Verantwortung liefert der heute veröffentlichte 24. Nachhaltigkeitsbericht „Balance“ der Lufthansa Group. Die Berichterstattung erfolgt in Übereinstimmung mit den international anerkannten GRI Standards der Global Reporting Initiative.
nachhaltige Luftfahrt
Quelle: Lufthansa

Handlungsempfehlung: Power-to-Liquid-Technologien schaffen

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 BERLIN

dena-Leitstudie Integrierte Energiewende: Deutschland braucht klares Klimaziel 2050

Zielkorridor von 80 bis 95 Prozent weniger CO2-Emissionen ist mit verschiedenen Szenarien erreichbar / Starke Steigerung bei Energieeffizienz und erneuerbaren Energien nötig / Synthetische Kraft- und Brennstoffe ergänzen Elektrifizierung / Kuhlmann: „Integrierte Energiewende braucht integrierte Politikkonzepte. Es gibt gute Gründe, die Gestaltung der Energie- und Klimaschutzpolitik neu zu betrachten.“

„Eine sektorübergreifende, systemische Betrachtung möglicher Transformationspfade führt zu anderen Ergebnissen, als eine sektorspezifische. Bei der Ausrichtung der Energie- und Klimaschutzpolitik muss das berücksichtigt werden. Die dena-Leitstudie ist dafür eine gute Grundlage“, sagte Andreas Kuhlmann, Vorsitzender der dena-Geschäftsführung, bei der Vorstellung der dena-Leitstudie am Montag in Berlin. „Unsere Szenarien zeigen: Nicht alles, was auf den ersten Blick als naheliegende Lösung erscheint, führt unter Berücksichtigung der Wechselwirkungen mit anderen Sektoren zum gewünschten Ziel. Daraus folgt auch: Es reicht nicht, heute nur über die Klimaziele 2030 zu diskutieren. Abhängig vom Ambitionsniveau für das Jahr 2050, sieht schon 2030 sehr unterschiedlich aus. Und die Ziele für das Jahr 2030 werden mit Sicherheit verfehlt, wenn nicht bereits in dieser Legislaturperiode entsprechende Maßnahmen auf den Weg gebracht werden. Eine Konkretisierung der Ziele ist für Unternehmen und für die Gestaltung des politischen Rahmens dringend geboten. Die dena-Leitstudie ist eine Einladung an Politik, Gesellschaft, Wirtschaft und Wissenschaft, die notwendige Debatte zügig zu führen und Entscheidungen zu treffen. Wenn wir es gemeinsam angehen, können wir praktikable und breit akzeptierte Lösungen finden und die Energiewende als gesamtgesellschaftliches Projekt zum Erfolg führen.“

Technologiemixszenarien sind robuster und führen zu geringeren Mehrkosten

Die dena hat zusammen mit ihren Studienpartnern vier praxisnahe Szenarien erarbeitet, die Reduktionsziele von entweder 80 oder 95 Prozent bis 2050 erreichen: zwei Elektrifizierungsszenarien gehen davon aus, dass der Verbrauch in den Sektoren Gebäude, Industrie und Verkehr weitestgehend mit Strom gedeckt wird, zum Beispiel durch verstärkten Einsatz von Wärmepumpen, strombasierten Produktionsanlagen und Elektroantrieben; zwei Technologiemixszenarien gehen davon aus, dass ein breiteres Spektrum an Technologien und Energieträgern zum Einsatz kommt, darunter mehr gasförmige und flüssige Kraft- und Brennstoffe, die mithilfe von erneuerbaren Energien synthetisch erzeugt werden. Ein Referenzszenario, das die aktuellen Rahmenbedingungen ambitioniert fortschreibt, reduziert die Emissionen hingegen nur um 62 Prozent.

Die Technologiemixszenarien erweisen sich im Vergleich als robuster, weil sie stärker auf bestehende Infrastrukturen aufbauen und auf mehr gesellschaftliche Akzeptanz stoßen. Sie sind flexibler und können neue Technologieentwicklungen besser integrieren. In den Elektrifizierungsszenarien sind dagegen mehr Flächen für den Ausbau von Wind- und Solaranlagen und ein stärkerer Ausbau des Stromnetzes erforderlich. Der Gebäudebestand muss stärker energetisch saniert werden, um mehr Wärmepumpen effizient nutzen zu können. Insgesamt sind die Transformationspfade mit einem breiten Technologie- und Energieträgermix bis 2050 unter den getroffenen Annahmen um bis zu 600 Milliarden Euro kostengünstiger als solche, die verstärkt auf strombasierte Anwendungen setzen.

Andreas Kuhlmann betonte, dass es bei der Energiewende weniger um Kosten als um Investitionen in die Zukunft gehe: „Energiewende und Klimaschutz sind gesamtgesellschaftliche Fortschrittsprojekte von enormer Tragweite und Komplexität. Wenn wir eine Energiewende wollen, die möglichst wirtschaftlich ist und von der Gesellschaft getragen wird, sollten wir heute marktorientierte Rahmenbedingungen für einen breiten Technologiemix schaffen. Nur so werden wir die vielfältigen Potenziale unterschiedlicher Technologien ausreichend nutzen können. Das ist Grundvoraussetzung für die Erreichbarkeit der Ziele.“

Die Klimazielszenarien: Elektrifizierung und Technologiemix jeweils mit 80- oder 95-Prozent-Klimaziel

Mehr Tempo bei Energieeffizienz und erneuerbaren Energien

Für alle Klimazielszenarien gilt: Die Steigerung der Energieeffizienz und der Ausbau der erneuerbaren Energien sind Grundvoraussetzungen für den Erfolg. In beiden Bereichen reicht das bisherige Tempo nicht aus. Bei einem jährlichen Wirtschaftswachstum von einem Prozent rechnet die dena-Leitstudie mit einer Reduzierung des Endenergieverbrauchs bis 2050 im Vergleich zu 2015 um bis zu 64 Prozent im Gebäudesektor, bis zu 52 Prozent im Verkehr und bis zu 18 Prozent in der Industrie. Vor allem in der Industrie macht sich bemerkbar, dass die Energieeffizienz zwar deutlich zunimmt, gleichzeitig aber das Wirtschaftswachstum zu einer höheren Nachfrage führt.

Bei den erneuerbaren Energien setzt die dena-Leitstudie darauf, dass der Ausbau von Windenergie an Land und Photovoltaik schneller vorangeht als bisher geplant. Allein für diese beiden Technologien ist ein jährlicher Nettozubau von 6 bis 7,6 Gigawatt erforderlich. Das ist ein großer Unterschied zum gesetzlich vorgesehenen Ausbaukorridor von jährlich 5,4 Gigawatt brutto: 2,9 Gigawatt für Windenergie an Land, 2,5 Gigawatt für Photovoltaik. Eine Herausforderung wird es sein, freie Flächen für den Ausbau von Windkraftanlagen an Land zu finden. Umso wichtiger könnte ab 2030 der Ausbau der Windenergie auf See werden.

Dritte Säule: synthetische, erneuerbare Kraft- und Brennstoffe

In allen Klimazielszenarien spielen synthetische, erneuerbare Kraft- und Brennstoffe eine wichtige Rolle. Je nach Szenario decken sie im Jahr 2050 einen Bedarf von 150 bis 908 Terawattstunden. Damit schließen sie die Lücke, die nicht durch Energieeffizienz oder die direkte Nutzung von Strom aus erneuerbaren Energien abgedeckt werden kann, insbesondere, wenn an anderer Stelle nicht die erwarteten Ziele erreicht werden, etwa beim Ausbau von Windkraft an Land, bei der Sanierung von Gebäuden oder bei der Elektrifizierung des Schwerlastverkehrs.

Der erneuerbare Wasserstoff und die auf ihm aufbauenden Energieträger wie Methan und synthetische Öle machen es möglich, erneuerbaren Strom zu speichern und international zu handeln. Die dena-Leitstudie rechnet damit, dass Deutschland seinen Bedarf zum großen Teil mit Importen decken wird – zum Beispiel aus Nordafrika, weil dort die Produktionskosten günstiger und die Flächenpotenziale größer sind. Aber auch Deutschland hat Potenziale, die stärker genutzt werden sollten. Um die Entwicklung des Marktes anzustoßen, sollte Deutschland bis 2030 Kapazitäten für die Herstellung von erneuerbarem Wasserstoff im Umfang von 15 Gigawatt aufbauen.

Stakeholderdialog soll Grundlagen der Versorgungssicherheit klären

Eine besondere Herausforderung ist die Gewährleistung der Versorgungssicherheit in einem weitgehend auf erneuerbaren Energien basierenden Stromsystem. Trotz Energieeffizienz werden die nachgefragte Strommenge und die Spitzenlast bis 2050 in den Klimazielszenarien weiter steigen. Gründe dafür sind das anhaltende Wirtschaftswachstum und die zunehmende Elektrifizierung in den Verbrauchssektoren. Zusätzlicher Handlungsbedarf entsteht, weil durch den Atomausstieg und den absehbaren Rückgang der Kohlekraft in wenigen Jahren deutlich weniger wetterunabhängige Kraftwerkskapazitäten zur Verfügung stehen.

Zur Deckung der gesicherten Leistung – also der Leistung, die jederzeit verfügbar sein muss – kommen verschiedene Optionen infrage. In der dena-Leitstudie übernehmen Gaskraftwerke, die zunehmend erneuerbare Brennstoffe nutzen, in allen Szenarien einen Großteil der gesicherten Leistung, allerdings nur mit relativ wenig Betriebsstunden. Hinzu kommen Speicher, Laststeuerung (Demand Side Management), erneuerbare Energien und Stromimporte. Die Herausforderungen und Optionen werden von betroffenen Akteuren sehr unterschiedlich eingeschätzt. Um rasch zu einem gemeinsamen Verständnis zu gelangen, empfiehlt die dena-Leitstudie der Bundesregierung, einen eigenen Dialogprozess zu den Grundlagen der Versorgungssicherheit im zukünftigen Energiesystem einzurichten.

Für die Nutzung von Kohle hat die dena-Leitstudie in ihrer Modellierung kein festes Ausstiegsdatum vorgegeben. Die Kohleverstromung geht in den Klimazielszenarien bis 2030 um die Hälfte zurück und bis 2050 komplett aus dem Markt, weil neue Rahmenbedingungen die Vermeidung von CO2-Emissionen belohnen.

Integrierte Energiewende erfordert integrierte Politikkonzepte

Die dena-Leitstudie arbeitet mit dem Leitbegriff der integrierten Energiewende. Ziel dabei ist es, die Energiewende als Ganzes zu betrachten, die verschiedenen Technologien, Infrastrukturen und Märkte aus den Sektoren Energie, Industrie, Gebäude und Verkehr aufeinander abzustimmen und in einem intelligenten Energiesystem zusammenzubringen. Die dena-Leitstudie hat diesen sektorübergreifenden, systemischen Ansatz in einem breiten Partnerkreis angewandt und dabei die Klimaziele für das Jahr 2050 (80 bis 95 Prozent CO2-Reduzierung), vor allem aber auch für das Jahr 2030 (55 Prozent CO2-Reduzierung) vorgegeben.

„Unser gemeinsames Ziel war es, die systemischen Zusammenhänge besser zu verstehen, die bestmöglichen Transformationspfade zur Erreichung der Klimaziele zu identifizieren sowie Hinweise und Handlungsempfehlungen zu geben“, betonte Andreas Kuhlmann. „Zugleich wollten wir Marktkenntnisse und Kompetenzen derjenigen berücksichtigen, die die Transformationsprozesse mit ihren Unternehmen am Ende gestalten müssen. Diese integrierende Bottom-up-Sicht brauchen wir, um die integrierte Energiewende zu gestalten und neue, integrierte Politikkonzepte zu entwickeln, die auch die internationalen Zusammenhänge berücksichtigen. Das System von Steuern, Abgaben und Umlagen im Energie- und Klimaschutzbereich ist verkrustet. Wir brauchen klare Zielvorgaben und marktorientierte Rahmenbedingungen, aufbauend auf Innovation, Wettbewerb und Unternehmergeist. Damit können wir den bestmöglichen Fortschritt erzielen. Den einen Pfad zur Zielerreichung können wir heute noch nicht genau vorhersehen. Vielmehr müssen wir offen sein für die vielfältigen Technologieoptionen. Dafür bedarf es eines starken politischen Willens und einer ausgereiften Urteilskraft. Mit Mut und Entschlossenheit können wir viel erreichen.“

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zum Download der Studie

Quelle: dena

Lufthansa LEOS nimmt zweiten eSchlepper am Flughafen Frankfurt in Betrieb

eMobility
04.06.2018
LEOS - eTug/eSchlepper
  • Das E-Fahrzeug sorgt für umweltschonende Schlepps von Großraumflugzeugen wie dem Airbus A380 und der Boeing 747
  • Bis zu 75 Prozent weniger Emissionen im Vergleich zu einem konventionellen Flugzeugschlepper

Bei Lufthansa LEOS, dem Experten für Bodenverkehrsdienste an den deutschen Großflughäfen, ist seit 2016 der weltweit erste eSchlepper am Flughafen Frankfurt im Einsatz. Jetzt hat die Tochtergesellschaft der Lufthansa Technik ein zweites Exemplar in Betrieb genommen. Bei dessen Bau wurden einige Verbesserungspotenziale berücksichtigt, die das Unternehmen aufgrund der operationellen Erfahrungen mit dem ersten eSchlepper gemacht hat – sowohl was das technische Design des Fahrzeugs als auch die Ergonomie für den Fahrer angeht.

Das von der schwedischen Firma Kalmar Motor AB entwickelte, 700 kW starke Elektrofahrzeug ist im Frühjahr dieses Jahres bei Lufthansa LEOS in Frankfurt eingetroffen. Nach den nötigen Aufrüstungsarbeiten, wie zum Beispiel dem Einbau von Funk und Transponder, ist es nun am Flughafen Frankfurt im Einsatz. Der eSchlepper sorgt für umweltschonende Wartungs- und Positionierungsschlepps sowie Pushbacks großer Passagierflugzeuge. Er bringt Flugzeuge wie den Airbus A380 oder die Boeing 747 rein elektrisch zu ihren Parkpositionen, in die Werft, ans Gate oder auf den Weg mittels Pushback und kann Flugzeuge bis zu einem maximalen Startgewicht von 600 Tonnen bewegen. Das ist das 15-fache seines eigenen Gewichts.

Mit dem Einsatz des eSchleppers lassen sich bis zu 75 Prozent der Emissionen im Vergleich zu einem konventionellen, dieselbetriebenen Flugzeugschlepper einsparen. Auch der Geräuschpegel des eSchleppers ist deutlich geringer.

Das Elektrofahrzeug verfügt über Allradantrieb und Allradlenkung, so dass es trotz seiner 9,70 Meter Länge und einer Breite von 4,50 Meter auch im teilweise begrenzten Raum der Wartungshangars gut manövrierbar ist. Die Lithium-Ionen-Akkus haben eine Kapazität von 180 Kilowattstunden. Das entspricht in etwa der fünf- bis sechsfachen Kapazität eines handelsüblichen Elektroautos. Im Bedarfsfall können die Akkus auch während des Betriebs mit Hilfe eines integrierten Dieselmotors, dem Range Extender, nachgeladen werden. Das Dieselaggregat erfüllt damit eine absichernde Aufgabe, so dass in jedem Fall die anstehenden Missionen durchgeführt werden können.

eMobility

E-Schlepper Lufthansa Leos an Boeing 747-400 VM

Der eSchlepper ist ein Projekt innerhalb der Initiative E-PORT AN am Flughafen Frankfurt. Sie verfolgt das Ziel, einzelne Fahrzeugtypen auf dem Vorfeld sukzessive auf elektromobile Antriebstechniken umzurüsten. Partner der Initiative sind neben der Lufthansa Group die Fraport AG, das Land Hessen und die Modellregion Elektromobilität Rhein-Main. Das Bundesministerium für Verkehr und digitale Infrastruktur fördert die Investitionen der Partner in Höhe von mehreren Millionen Euro in diese zukunftsweisenden Elektromobilitätsprojekte. Wissenschaftlich begleitet wird die Initiative von der Technischen Universität Darmstadt und der Technischen Universität Berlin. 2014 hat E-PORT AN den renommierten GreenTec Award in der Kategorie Luftfahrt erhalten, 2016 den Air Transport World Award als Eco-Partnership of the Year. Bereits 2013 hatte die Bundesregierung E-PORT AN als Leuchtturmprojekt ausgezeichnet.

Quelle: Lufthansa

Klimaforschung: Treibhausgase CH4 und CO2 im Fokus europaweiter Forschungsflüge

Klimaforschung

Messflüge reichen von Finnland bis nach Nordafrika

Köln, 1. Juni 2018: Ehrgeizige Ziele zur Begrenzung der Treibhausgasemissionen benötigen eine effektive Überwachung der klimarelevanten Gase. Zudem müssen für zuverlässige Klimaprognosen die Quellen und Senken der Treibhausgase möglichst genau erforscht werden. Von Mitte Mai bis Mitte Juni 2018 fügt eine fluggestützte Messkampagne unter Leitung des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR) diesen internationalen Bemühungen einen Baustein hinzu. Das Forschungsflugzeug HALO (High Altitude and Long Range Research Aircraft) des DLR nimmt die zwei wichtigsten Treibhausgase Kohlenstoffdioxid (CO2) und Methan (CH4) ins Visier.
Neuartige Instrumente für die Erfassung der Treibhausgase werden erprobt, die dabei Daten über ganz Europa bis nach Nordafrika sammeln. Im Rahmen der Mission CoMet (Carbon dioxide and methane mission for HALO) sind zudem jeweils eine Cessna des DLR und eine der Freien Universität Berlin mit hochgenauen Messinstrumenten der Universität Bremen im Einsatz, ebenso wie die DLR Do-228 D-CFFU und das Forschungsflugzeug Falcon 20 der französischen Partner SAFIRE, CNRS und CNES. Messflüge finden unter anderem über Berlin, dem Kohlerevier der Lausitz und den polnischen Bergbauregionen statt.
“Mindestens 63 Flugstunden sind für die HALO Flüge über europäischen Ballungszentren, Bodenmessstationen und Kohlegruben bis Mitte Juni geplant”, sagt der Leiter des Projekts Dr. Andreas Fix vom DLR-Institut für Physik der Atmosphäre. Zusätzlich kommen noch bis zu 80 Flugstunden auf den drei kleineren Flugzeuge hinzu. Das Forschungsflugzeug HALO ist mit insgesamt sieben Instrumenten ausgestattet, um die Treibhausgase sowie weitere meteorologische Messgrößen zu erfassen und auch Luftproben zu sammeln. “Wir wollen mit unabhängigen Messungen die Quellen und Senken der Treibhausgase im Detail nachvollziehen. Methan-Emissionen stammen beispielsweise aus der Kohleförderung, der Erdöl- und Erdgasindustrie, von Mülldeponien sowie der Viehwirtschaft und dem Reisanbau. Daneben gibt es aber auch natürliche Quellen wie Feuchtgebiete oder Permafrostböden.”, so Fix weiter. “Um den Einfluss des von Menschen verursachten Methans auf den Klimawandel quantifizieren zu können, müssen neben den menschengemachten auch die natürlichen Quellen genau untersucht und die zu Grunde liegenden Prozesse verstanden werden. Hier herrscht gegenwärtig noch ein großes Forschungsdefizit.”
 

Messungen im Spiralflug

Das Forschungsflugzeug HALO startet jeweils von Oberpfaffenhofen bei München für die Messflüge in die Zielregionen, die von Finnland bis nach Nordafrika reichen. Damit die Forscher mit Hilfe der Fernerkundungsinstrumente ein genaues Bild der Verteilung der Treibhausgase bekommen, ist HALO zunächst in rund 8 bis 15 Kilometern Höhe im Mess-einsatz. An ausgewählten Orten werden dann Spiralen bis nahe zum Erdboden geflogen, um zusätzlich hochgenaue Informationen über die Höhenverteilung der Treibhausgase zu erhalten. In die Lufteinlässe strömende Luft wird dabei mit den Instrumenten an Bord kontinuierlich analysiert. Zusätzlich sammeln die Forscher bis zu 12 Luftproben pro Flug, die sie später im Labor noch genauer auf verschiedene Bestandteile untersuchen.
“Die Durchführung derartiger Flugzeugmissionen – besonders im verkehrsreichen Luftraum über Europa – erfordert ein hohes Maß an Koordination mit den verschiedenen Flugsicherungen der überflogenen Länder”, sagt Forschungspilot Dr. Marc Puskeiler “Die Absprache mit den Flugsicherungen muss mehrere Tage im Voraus erfolgen. Dies stellt hohe Anforderungen an die Wettervorhersage und die Flugplanung, denn die Forscher benötigen möglichst wolkenfreie Messbedingungen”, ergänzt Frank Probst von der DLR-Einrichtung Flugexperimente, der den Betrieb der DLR-Flugzeuge während der CoMet-Mission leitet.

 

Oberschlesisches Kohlerevier: Europas größte Methanquelle

Während HALO hauptsächlich Messungen in Höhen bis zu 15 Kilometern durchführt, erkunden die zwei Cessnas die Verteilung des Treibhausgases im unteren Bereich der Atmosphäre bis auf eine Höhe von drei Kilometern. Dabei schrauben sie sich ebenfalls teilweise auf einem spiralförmigen Flugweg nach oben, um Messwerte bis zur geplanten Gipfel-Höhe zu erfassen. “Die gemeinsamen HALO-Flüge mit den Cessnas werden sich auf zwei wissenschaftlich besonders interessante Gebiete konzentrieren: das oberschlesische Kohlerevier, das aufgrund des emittierten Grubengases der vielen Anthrazitminen mit die größte europäische Methanquelle darstellt, sowie der Berliner Raum, der aufgrund seiner “Insellage” umgeben von dünnbesiedelten Regionen ein interessantes Messgebiet ist, um die Treibhausgasflüsse einer Metropole zu erforschen”, erklärt Fix. In Oberschlesien wird das Projekt dabei von den polnischen Partnern der AGH Universität in Krakau unterstützt. Während eines experimentellen Messfluges nach Polen begleitet sogar ein viertes Flugzeug, die DLR Do-228 die CoMet Mission. Sie ist dabei mit einem Hyperspektralsensor ausgerüstet. Dabei testen die Forscher, ob dieses eigentlich für die Erdoberfläche genutzte Fernerkundungs-Instrument auch in der Lage ist, starke Methanquellen aus der Luft sichtbar zu machen.
 

Methan: Treibhausgas mit starker Wirkung

CO2 ist allgemein als das wichtigste vom Menschen auf der Erde emittierte Treibhausgas bekannt. “Weniger bekannt hingegen ist, das Methan trotz der etwa 200-fach geringeren Konzentration in der Atmosphäre gegenüber CO2 ein sehr großes Treibhausgaspotential hat. Denn laut Bericht des Weltklimarates aus dem Jahr 2013 ist ein ausgestoßenes Methanmolekül über die ersten 20 Jahre 86-mal so klimawirksam wie ein CO2-Molekül. Für 100 Jahre sinkt dieser Wert auf die immer noch beachtliche 28-fache Klimawirksamkeit, da Methan schneller in der Atmosphäre abgebaut wird”, erläutert Fix.
Insgesamt beträgt der Anteil an der Klimaerwärmung von CO2 seit Beginn der industriellen Revolution etwa 65 Prozent, der von Methan etwa 18 Prozent bezogen auf alle vom Menschen emittierten Treibhausgase. Dabei hat sich die Methankonzentration in der Atmosphäre seit dem Jahr 1750 sogar mehr als verdoppelt während CO2 im gleichen Zeitraum ‘nur’ um etwa 44 Prozent angestiegen ist. “Ein besseres Verständnis der Konzentrationen von Methan in der Atmosphäre und Strategien zur kurzfristigen Verringerung von Methan-Emissionen können signifikant dazu beitragen das 2-Grad-Ziel zu erreichen”, so Fix weiter.
 

Laserradar-Erprobung für Weltraummission MERLIN

Die auf Initiative des DLR, des Max-Planck-Institutes für Biogeochemie und der Universitäten in Bremen und Heidelberg ins Leben gerufene Mission CoMet wird neben anderen Instrumenten das im DLR-Institut für Physik der Atmosphäre neu entwickelte laserbasierte LIDAR-Messgerät ‘CHARM-F’ (CH4 Atmospheric Remote Monitoring) zur hochaufgelösten Methandetektion einsetzen. “Die neue Technik erlaubt es, CH4 und CO2 unabhängig vom Sonnenlicht aus großer Entfernung und mit hoher Genauigkeit zu messen”, unterstreicht Fix. Ein solches Lidar-Instrument soll ab 2023 an Bord der deutsch-französischen Satellitenmission MERLIN (Methane Remote Sensing Mission) regionale und globale Emissionen des Treibhausgases Methan aus dem All bestimmen. Dies ist eine ideale Ergänzung zu den COPERNICUS Satelliten Sentinel-5 Precursor und Sentinel-5. Zur Erprobung der MERLIN-Technologie ist das französische Forschungsflugzeug Falcon 20 an einem der Messflüge beteiligt.
Es trägt ein in-situ Treibhausgasinstrument für Vergleichsmessungen während die Forscher an Bord von HALO die LIDAR-Technologie erproben, die später auf MERLIN eingesetzt werden soll. Der gemeinsame Messflug wird mit Bodenstationen und Ballonaufstiegen koordiniert und erfordert wolkenlosen Himmel über dem größten Teil Frankreichs.
Neben dem Laserradar (Lidar) ‘CHARM-F’ trägt HALO ein Cavity-Ringdown-Spektrometer des Max-Planck-Instituts für Biogeochemie Jena, mit dem die wichtigsten Treibhausgase in-situ gemessen werden, sowie einen Probensammler zur Bestimmung weiterer Gase in Laboranalysen der gesammelten Luftproben. Mit einem optischen Spektrometer der Universität Heidelberg an Bord von HALO werden gleichzeitig mit den Treibhausgasen emittierte Luftschadstoffe gemessen.
Die beiden kleineren Forschungsflugzeuge der Mission sind ebenfalls mit hochwertigen Instrumenten ausgestattet. Die Cessna Grand Caravan des DLR unterstützt die Mission mit in-situ Treibhausgas- und Windmessungen in der Grenzschicht, dem untersten Teil der Atmosphäre und ist unter anderem mit einem state-of-the-art Quantenkaskadenlasersystem ausgestattet. “Der untere Teil des Treibhausgasprofils dominiert gerade in der Nähe von relevanten Methanquellen wie in Oberschlesien oftmals die Gesamtverteilung nach der Höhe und weist zudem die größte Variabilität auf. Wir tragen mit unseren Messungen dazu bei Emissionen ausgewählter Quellen im Detail zu charakterisieren” sagt Dr. Anke Roiger, Leiterin der DLR Cessna Mission vom Institut für Physik der Atmosphäre. Zudem trägt die Cessna 207 der Freien Universität Berlin ein passives optisches Spektrometersystem (MAMAP) der Universität Bremen zur flächenhaften Erfassung der Treibhausgasverteilungen von CO2 und Methan.
Für die Forschungsflüge haben die Forscher mehrere Prognose-Modelle entwickelt, die Ihnen vorhersagen, wo erhöhte Konzentrationen der Treibhausgase bei bestimmten Wetterlagen zu erwarten sind. Anhand dieser Modelle erfolgt die Flugplanung. “Unser Ziel ist eine optimale Messstrategie für die CoMet-Mission, um die Datenlücken über Europa möglichst effektiv zu schließen und die Modelle zu trainieren”, so Fix.
 

Projektpartner und Förderung

Wissenschaftliche Projektpartner sind neben dem DLR das Max-Planck-Institut für Biogeochemie in Jena, die Universitäten Bremen, Heidelberg und die Freie Universität Berlin. Darüber hinaus sind Forschungsinstitute aus acht verschiedenen Ländern sowie internationalen Messnetzverbünde und Weltraumagenturen beteiligt, die von dieser besonderen Flugzeugmission profitieren. Das Forschungsprojekt CoMet (Carbon dioxide and methane mission for HALO) wird mit rund einer Million Euro von den Partnerinstituten und der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) finanziert. Zudem wird die Auswertung der Messergebnisse der aktuell stattfindenden Flugversuche, sowie die Weiterentwicklung und Nutzung der Instrumente und Modelle im Rahmen des Projekts AIRSPACE (Aircraft Remote Sensing of Greenhouse Gases with combined Passive and Active instruments) durch das Bundesministerium für Bildung und Forschung mit 3,9 Millionen Euro gefördert. 

Forschungsflugzeug HALO

Das Forschungsflugzeug HALO basiert auf einer zweistrahligen Gulfstream G550 und ist eine Gemeinschaftsinitiative deutscher Umwelt- und Klimaforschungseinrichtungen. HALO wurde aus Mitteln des Bundesministeriums für Bildung und Forschung, der Helmholtz-Gemeinschaftund der Max-Planck -Gesellschaft beschafft. Der Betrieb von HALO wird von der DFG, der Max-Planck -Gesellschaft, dem Forschungszentrum Jülich, dem Karlsruher Institut für Technologie (KIT) und dem Leibniz-Institut für Troposphärenforschung in Leipzig (TROPOS) getragen. Das DLR ist zugleich Eigner und Betreiber des Flugzeugs.
Klimaforschung

Gemeinschaftsinitiative deutscher Umwelt- und Klimaforschungseinrichtungen, das auf einer zweistrahligen Gulfstream G550 basierende Forschungsflugzeug HALO des DLR

Quelle: DLR