Lebensmittelabfälle werden zu nachhaltigem Flugzeugtreibstoff

Die meisten Lebensmittelreste landen zwangsläufig im Müll. Auf Deponien zersetzen sie sich langsam und setzen dabei Methan frei – ein Treibhausgas, das deutlich mehr Wärme speichert als Kohlendioxid.

Für die riesigen Mengen verschwendeter Lebensmittel sinnvollere Verwendungen zu finden, wird zunehmend zur Herausforderung.

Gleichzeitig zählt die Luftfahrt zu den Branchen, die sich besonders schwer dekarbonisieren lassen.

Für Langstreckenflugzeuge ist ein Treibstoff mit hoher Energiedichte unverzichtbar, den heutige Batterien nicht liefern können. Den Fluggesellschaften bleiben daher kaum praktikable Alternativen zu Erdöl.

Ingenieure haben nun diese beiden Probleme auf unerwartete Weise verknüpft. Sie verwandelten entsorgte Lebensmittelabfälle in nachhaltigen Flugzeugtreibstoff, der die Luftfahrtstandards eigenständig erfüllt – ohne Beimischung herkömmlicher fossiler Kraftstoffe.

Lebensmittelabfälle zu Flugzeugtreibstoff verarbeiten

Das Fliegen gehört zu den Bereichen der Wirtschaft, deren Klimabilanz besonders schwer zu verbessern ist. Flugzeuge verbrauchen gewaltige Treibstoffmengen, und keine Batterie ist leicht genug, um einen Jet über einen Ozean zu befördern.

Yuanhui Zhang, Professor für Agrar- und Bioingenieurwesen an der University of Illinois Urbana-Champaign (UIUC), verfolgt seit Jahren einen anderen Ansatz.

Sein Team macht aus Lebensmittelabfällen einen Treibstoff, den ein Triebwerk tatsächlich nutzen kann.

Den Anfang bildet die hydrothermale Verflüssigung. Bei diesem Verfahren ahmen Hitze und hoher Druck die natürliche Entstehung von Rohöl nach – allerdings innerhalb von Minuten statt über Millionen Jahre. Dabei entsteht eine dickflüssige, ölige Flüssigkeit.

Anschließend wird dieses Öl mithilfe eines Katalysators so aufbereitet, dass es die Anforderungen an nachhaltigen Flugzeugtreibstoff erfüllt. Das System funktioniert als Kreislaufwirtschaft: Aus den Abfällen von heute wird die Energie von morgen.

Die strengsten Anforderungen der Luftfahrt bestehen

An dieser Stelle hebt sich die Arbeit von anderen Ansätzen ab. Viele umweltfreundliche Flugzeugtreibstoffe eignen sich nur als Zusatz und dürfen Erdöl lediglich in geringen Anteilen beigemischt werden, weil sie nicht alle Anforderungen allein erfüllen.

Der in Illinois hergestellte Treibstoff brauchte diese Stütze nicht. In Tests erreichte er die Vorgaben für den Flammpunkt, also die Temperatur, bei der Treibstoffdämpfe Feuer fangen, sowie für die Viskosität, die beschreibt, wie leicht eine Flüssigkeit fließt.

Damit könnte er grundsätzlich ein Jettriebwerk zu 100 Prozent ohne zugesetzten fossilen Treibstoff betreiben.

Nur wenige Treibstoffe aus Abfällen überwinden diese Hürde – selbst nachdem frühere Arbeiten gezeigt hatten, dass sich feuchte Abfälle zu Mischungen in Dieselqualität verarbeiten lassen.

Besser als heutiger Flugzeugtreibstoff

Seine Leistungsfähigkeit verdankt der Treibstoff seiner chemischen Zusammensetzung. Ringförmige Moleküle, die Cycloalkane genannt werden, machen etwa 70 % der Mischung aus und verleihen ihr die Stabilität und Energiedichte, die Strahltriebwerke benötigen.

Gegenüber herkömmlichem Jet A, dem Standardtreibstoff heutiger Verkehrsflugzeuge, enthielt die Variante aus Lebensmittelabfällen pro Gallone mehr Energie und blieb bei niedrigeren Temperaturen flüssig. Beide Eigenschaften sind genau das, was Langstreckenflüge erfordern.

Die Kältetauglichkeit ist in großer Höhe entscheidend. In der Reiseflughöhe sinken die Temperaturen weit unter null, und Treibstoff, der eindickt oder geliert, kann ein Triebwerk während des Fluges unterversorgen.

Um als echter Flugzeugtreibstoff zu gelten, muss ein Kandidat eine umfassende Reihe von Prüfungen durch US-Luftfahrtbehörden und Normungsorganisationen bestehen. Das Team berichtete, dass sein Treibstoff diese Kriterien erfüllte.

Aus Resten werden wertvolle Ressourcen

Bei der Umwandlung von Abfällen in Öl entsteht jedoch auch ein problematischer Reststoff.

Das Verfahren erzeugt ein dunkles, wässriges Nebenprodukt mit giftigen Verbindungen und gelösten Nährstoffen. Seine Entsorgung zählt seit Langem zu den größten Nachteilen des Prozesses.

Statt diese Flüssigkeit als Abfall zu behandeln, erschloss das Team ihren Wert.

Durch chemische Reaktionen, die mit Elektrizität angetrieben werden, gewannen die Forschenden mehr als 90 Prozent der nutzbaren Säuren und über drei Viertel der Nährstoffe zurück.

Im selben Schritt entstand ausreichend Wasserstoff für den Treibstoffprozess, der Wasserstoff zur Aufbereitung des Öls benötigt.

Ein Teil des Systems liefert damit genau den Stoff, den ein anderer Teil verbraucht.

Die Wirtschaftlichkeit saubereren Treibstoffs

Das bedeutet nicht, dass der Treibstoff schon morgen günstig sein wird. Derzeit können die Stromkosten für die Rückgewinnung dieser Nebenprodukte die Kosten pro Gallone gegenüber dem bloßen Transport der Abfälle zu einer Aufbereitungsanlage nahezu verdreifachen.

Die Forschenden rechnen damit, dass sich dieser Unterschied verringert, sobald die Technologie ausgereifter ist.

Ihre Analyse deutet darauf hin, dass der Treibstoff bei saubererem und günstigerem Strom für etwa $3,82 pro Gallone verkauft werden könnte und damit mit der fossilen Variante konkurrenzfähig wäre.

Besonders überraschend ist die Kohlenstoffbilanz. In allen vom Team modellierten Szenarien könnte der Prozess kohlenstoffnegativ sein und über seinen gesamten Lebenszyklus mehr Treibhausgase aus der Atmosphäre entfernen, als er wieder freisetzt.

Der Wettlauf, Flüge mit Abfall zu ermöglichen, nimmt Fahrt auf.

Eine aktuelle Studie verwandelte gewöhnlichen Siedlungsabfall in Flugzeugtreibstoff; der Weg über Lebensmittelabfälle ergänzt nun einen weiteren Ausgangsstoff.

Sauberer Himmel durch Lebensmittelabfälle

Jahrelang bremsten zwei Probleme Flugzeugtreibstoff aus Abfällen aus. Seine Qualität blieb hinter den Anforderungen von Triebwerken zurück, und das verbleibende Nebenprodukt war schwierig zu entsorgen.

Diese Arbeit verändert die Lage in beiden Punkten. Lebensmittelreste können nun einen Treibstoff hervorbringen, der sauber genug ist, um eigenständig eingesetzt zu werden, während das problematische Nebenprodukt vom Schadstoff zum Rohstoff wird.

Bei der verfügbaren Menge gibt es jedoch einen Haken. Weltweit werden bei Weitem nicht genügend Lebensmittel verschwendet, um den gesamten Treibstoffverbrauch von Flugzeugen zu ersetzen. In der Praxis würde der sauberere Treibstoff daher wahrscheinlich nur in begrenzten Anteilen beigemischt.

Selbst ein teilweiser Ersatz könnte den CO₂-Fußabdruck einer Branche senken, die eine Analyse als eine der am schwersten zu dekarbonisierenden bezeichnet. Für Städte würde das bedeuten, Abfälle sinnvoll zu nutzen, die heute auf Deponien verrotten.

„Wir führen diese Arbeit noch immer in einem sehr kleinen Maßstab durch“, sagte Zhang, dessen Labor inzwischen genügend aufbereiteten Treibstoff für Triebwerkstests herstellen kann.

Als Nächstes sollen Versuche mit Strahltriebwerken folgen. Bis zum Abschluss der Arbeit ist es noch ein weiter Weg.