Techno-ökonomische Prozessbewertung der Herstellung synthetischen Flugturbinentreibstoffes aus CO2 und H2

Abstract

Technologieverbesserung, Optimierung der Betriebsabläufe und effiziente Infrastrukturgestaltung tragen zur Reduzierung der Umweltwirkung des stetig wachsenden Flugverkehrs bei. Um jedoch die Ziele zur Emissionsminderung und Dekarbonisierung des Flugverkehrs zu erreichen sind alternative Treibstoffe notwendig. Die Konvertierung von H2 und CO2 in flüssigen Flugturbinentreibstoff mit dem Power-to-Liquid-Verfahren (PTL) stellt dabei einen möglichen Herstellungspfad dar, welcher in dieser Arbeit unter technischen und ökonomischen Gesichtspunkten analysiert und bewertet wird. Es werden zwei Verfahrensrouten untersucht. Im Referenzkonzept wird Wasserstoff durch Wasserelektrolyse generiert. Zusammen mit Kohlenstoffdioxid wird mit der reversen Wassergas-Shift-Reaktion Synthesegas gebildet, welches mittels Fischer-Tropsch-Synthese in langkettige Kohlenwasserstoffe umgesetzt wird. Eine nachfolgende Produktauftrennung und -aufbereitung liefert synthetischen Flugturbinentreibstoff und die Nebenprodukte Benzin und Diesel. In der zweiten Verfahrensroute wird eine Hochtemperatur-Co-Elektrolyse eingesetzt, die aus Dampf und Kohlenstoffdioxid direkt Synthesegas produziert. Die Fließbildsimulation liefert einen Power-to-Liquid-Wirkungsgrad von 46,9 % für das Referenzkonzept. Der Kohlenstoffumsatz beträgt 79,9 %. Außerdem weist der Gesamtprozess einen hohen Wärmeüberschuss auf und es fällt eine signifikante Menge an Sauerstoff als Nebenprodukt an. Wird der Abdampf thermisch in einer Hochtemperaturelektrolyse und der Sauerstoff in einem Oxyfuel-Brenner genutzt, steigt der PTL-Wirkungsgrad auf 61,4 % und der Kohlenstoffumsatz auf 98,9 %. Für die Co-Elektrolyse ergeben sich ein PTL-Wirkungsgrad von 60,4 % und ein Kohlenstoffumsatz von 99,6 %. Die verfahrenstechnische Kostenschätzung liefert für eine Kapazität von 60 t/h und einen Strompreis von 105 €/MWh für den Referenzfall Gesamtinvestitionskosten von 3.599 Mio. € und Herstellungskosten in Höhe von 3,38 €/kg. Die Kostenstrukturen der Investitions- und Herstellungskosten zeigt, dass die Kosten für den Elektrolyseur und die Stromkosten die dominierenden Faktoren sind. Für die Verfahrensrouten mit Hochtemperaturdampfelektrolyse und Co-Elektrolyse werden aufgrund des deutlich höheren Wirkungsgrades Herstellungs-kosten von 2,75 €/kg beziehungsweise 2,83 €/kg ermittelt. Zusätzlich werden zwei Betriebs-szenarien untersucht: Im ersten Szenario wird die CO2-Abscheidung in das PTL-Verfahren integriert. Es wird gezeigt, dass die Abscheidung aus Industrieabgasen durch Integration der Abwärme des Syntheseprozesses realisiert werden kann. Die Nutzung fluktuierend anfallender erneuerbarer Energien wird im zweiten Szenario beurteilt. Eine Entkoppelung dynamisch betriebener Wasserstofferzeugung und stationärer Synthese durch Wasserstoff-zwischenspeicherung wird damit notwendig. Geringe Volllaststunden des Elektrolyseurs führen zu einer Kostensteigerung während die Wasserstoff-zwischenspeicherkosten vernachlässigbar sind. In der Arbeit wird gezeigt, dass PTL-Treibstoffe gegenüber biogenen Treibstoffen wettbewerbsfähig sein können, eine Markteinführung alternativer Treibstoffe jedoch politische Hebel erfordert.