von Max Fischer

Die Klima- und Energiestrategie des Bundes sieht vor, unseren Ausstoss an CO₂ aus fossilen Quellen teilweise im Ausland zu kompensieren. Das ist zwar eine nachvollziehbare Idee, aber sie hat zwei gravierende Nachteile. Erstens ziehen Kompensationsprojekte Betrug magisch an. Mehrere Teams von Investigativjournalisten und Forschern haben eine grosse Anzahl solcher Projekte untersucht und sind zum Schluss gekommen, dass weitaus die meisten keine Reduktion des CO₂-Ausstosses zur Folge haben und somit wertlos sind [1]. Zweitens ist der Ansatz inkonsequent und irreführend. Will man unseren inländischen CO₂-Ausstoss im Ausland kompensieren, so muss man korrekterweise auch unseren ausländischen CO₂-Ausstoss einrechnen. Beispielsweise die CO₂-Freisetzung bei Produktion und Transport unserer Importgüter oder unseren Anteil am internationalen Flugverkehr. Das blendet die Strategie des Bundes komplett aus. Macht man jedoch genau das, so kollabiert das Kartenhaus unserer ideologisch deformierten Energiestrategie augenblicklich.

Ich habe mir daher die Sache mit dem Flugverkehr genauer angeschaut, denn hier ist es eindeutig. Auf sehr lange Zeit hinaus wird Kerosin, fossil oder synthetisch, aufgrund der sehr hohen Energiedichte für die Verkehrsfliegerei alternativlos sein. Viele Menschen geben sich der Illusion hin, dass dereinst PV aus der Wüste und Windstrom die Energie für die Dekarbonisierung des Luftverkehrs liefern würden. Schaut man sich aber die Dimensionen an, so wird sofort klar, dass das nicht einmal ansatzweise realistisch ist. Die einzigen Vorteile von Wüstenstrom sind tiefe Grundstückspreise und hohe Sonneneinstrahlung. Alles andere spricht dagegen. Das klägliche Scheitern des Desertec-Projekts gab da einen Vorgeschmack. Nachteile: Schlechtes Verhältnis von erzeugbarer Energie zu Materialaufwand, tägliche und langdauernde Unterbrechung der Einstrahlung, vergleichsweise kurze Lebensdauer der Anlagen, Empfindlichkeit gegen abrasiven Flugsand, nach jedem Sturm legt sich aufgewirbelter Sand und Staub auf tausende von Quadratkilometern Panels nieder und legt diese lahm, Abwesenheit ausreichender CO₂-Quellen mit hoher CO₂-Konzentration [2],[3], Fehlen einer zweiten, heisseren, ausreichend und konstant verfügbaren Wärmequelle für die Desorption bei der Gewinnung von CO₂ aus Luft, schlechter Wirkungsgrad der Elektrolyse bei Wüstentemperaturen, instabile, schwache Regierungen etc. etc. Dies und vieles mehr spricht klar für eine Erzeugung des erforderlichen synthetischen Kerosins in den Industrieländern. Wie würde das für die Schweiz aussehen?

Gemäss Statistik hat die Schweiz im Jahr 2019 1’846’453 to Kerosin in Flugzeuge abgefüllt. Das ist die durch uns zu verantwortende Menge. Da die Energiedichte von Kerosin sehr hoch ist, müssen für die Herstellung gigantische Strommengen aufgewendet werden. Eine erste Suche im Internet hat mich auf eine Präsentation von Rolls-Royce SMR gebracht [4]. Dort steht, dass die Dauerleistung von 470 MWe eines SMRs von Rolls-Royce erforderlich sei, um die Energie für die Herstellung von 280 to synthetischen Kerosins pro Tag bereitzustellen. Rechnet man einen Wartungsunterbruch von einem Monat pro Jahr ein, so lassen sich also mit 1 MW Strom (Dauerleistung) pro Jahr 200 to Kerosin herstellen. Rolls-Royce machte keine Angaben, wie ihre Zahl zustande kam. Die Schweiz würde also 7.5 AKWs der Grösse Leibstadt benötigen, um unseren Kerosinbedarf zu decken. Diese Zahl überraschte mich. Also machte ich eine vertiefte Internetrecherche, um sie zu hinterfragen, und wurde fündig. Anmerkung: MWe bedeutet MW elektrisch, im Gegensatz zu MWth = MW thermisch.

In den letzten Jahrzehnten wurde zum Thema der Herstellung synthetischer Kraftstoffe viel geforscht und veröffentlicht. Für meine Abklärungen sind zwei Publikationen massgebend: Pratschner, S. et al.: Evaluation of CO₂ sources for Power-to-Liquid plants producing Fischer-Tropsch products [5] und Petersen, A.M. et al.: Evaluating refinery configurations for deriving sustainable aviation fuel from ethanol or syncrude [6].

Die Gruppe um Pratschner arbeitete seit geraumer Zeit zum Thema synthetischer Kraftstoffe und nutzte ihre Erfahrung, um einen effizienten Herstellprozess mittels einer professionellen Prozesssimulationssoftware, wie sie im Grossanlagenbau eingesetzt wird, auszuarbeiten (vgl. dazu oberes Prozessschaubild). Folgende Elemente sind erfolgsentscheidend:

• CO₂-Quellen mit möglichst hoher CO₂-Konzentration und grosser verfügbarer Menge.
• Grosse Mengen an Abwärme auf geeignetem Temperaturniveau für die Desorption bei der Anreicherung von CO₂ aufs erforderliche Niveau (ca. 98 %).
• Ein hocheffizientes Elektrolysesystem zur kombinierten Herstellung von Synthesegas.
• Einen effizienten und möglichst variierbaren Syntheseprozess für Rohöl. Empfohlen: Fischer-Tropsch Verfahren.
• Eine auf Maximierung der Kerosinfraktion ausgerichtete Raffinerie.
• Kontinuierlicher Betrieb der Anlagen.
• Thermische Integration der Anlagen.
• Möglichst weitgehend grosstechnisch bewährte Prozessstufen.
• Dauerhaft mit hoher Leistung verfügbare Stromquelle (während mindestens 11 Monaten pro Jahr).

Pratschner hat mit folgenden CO₂-Quellen gerechnet: Ein Zementwerk, eine Biogasanlage und ein mit Holzschnitzeln befeuertes Kombikraftwerk. Sowas haben wir auch in der Schweiz. Mit den detailliert aufgeführten Simulationsdaten habe ich eine EXCEL-Berechnungstabelle gefüllt und für die drei Fälle Eckdaten berechnet. Mit den Angaben zu Zementwerken, Biogasanlagen Kehrricht­verbrennungs­anlagen und weiteren Heizkraftwerken aus der Schweiz habe ich anschliessend das Potential zur Herstellung synthetischen Kerosins sowie den erforderlichen Strombedarf ermittelt [7].

Resultate und Schlussfolgerungen

• Die von Rolls-Royce SMR getroffene Annahme einer Jahresproduktion von 200 to Kerosin pro MWe Dauerleistung (während 11 Monaten) und Jahr war vorsichtig geschätzt. Mit einem optimalen Prozess sollten bis 300 to /MWe im Jahr herstellbar sein.
• Die Schweiz kann genügend angereichertes CO₂ aus den 6 Zementwerken, 35 Biogasanlagen, 29 Kehrrichtverbrennungsanlagen und den zahlreichen übrigen grossen Feuerungen zur Verfügung stellen.
• Es wird trotz energetisch optimiertem Gesamtprozess immer noch die Dauerleistung von 5 AKWs Leibstadt benötigt.
• Die Anreicherung von CO₂ muss dort erfolgen, wo Abwärme aus Feuerungen zur Verfügung steht, also bei den Zementwerken und Feuerungsanlagen. Klassisches Verfahren ist die Absorption mittels einer zirkulierenden Lösung von Mono-Ethanol-Amid (MEA). Biogasanlagen liefern hingegen bereits genügend angereichertes CO₂ (üblicherweise mit Membrantrennverfahren gewonnen).
• Der einzige Prozessschritt, welcher noch nicht im erforderlichen Grossmassstab erprobt ist, ist die Hochtemperaturelektrolyse (Solid-oxide electrolyzer SOEL). Diese existiert erst in der Grösse von 2.6 MWe [8],[9]. Die Hochtemperaturelektrolyse findet bei ungefähr 850°C in der Dampfphase statt, braucht wesentlich weniger Strom, da die hohe Temperatur die Reaktion unterstützt, und erlaubt die kombinierte Herstellung und Abtrennung von Synthesegas (H₂O + CO₂ -> H₂ + CO + O₂).
• Die Prozessschritte von der Herstellung des Synthesegases bis und mit Herstellung des synthetischen Rohöls (Syncrude) müssen an demselben Ort stattfinden, um eine thermische Integration zu erlauben (Optimierungsmethode: Pinch-Analyse).
• Die Herstellung des Kerosins aus Syncrude könnte in unserer Raffinerie Cressier, erfolgen, gegebenenfalls nach apparatetechnischer Anpassung. Cressier wäre damit zu ca. 78 % der Kapazität ausgelastet.
• Idealerweise würde jeder der grössten Emittenten – die Zementwerke – je eine kombinierte Elektrolyse- und Syntheseanlage bekommen, welche CO₂ mit einer Reinheit von über 95% von den umliegenden Biogas- und Verbrennungsanlagen mitverarbeiten würden.
• Für die Stromversorgung müsste man an jedem Standort heutiger AKWs, inkl. Mühleberg, insgesamt 5 AKWs der Grösse Leibstadt bauen, welche die nächstgelegenen Elektrolyseanlagen der Zementwerke versorgen würden. Beispiel: Je eines in Leibstadt, Beznau und Gösgen, sowie zwei in Mühleberg, um die Leitungen kurz zu halten.

Man mag nun einwenden, dass damit fossiles CO₂ trotzdem in die Luft gelange. Das ist natürlich richtig, aber immerhin kann man so die CO₂-Freisetzung der genannten grossen Quellen und des Flugverkehrs durch Wiederverwendung von CO₂ ungefähr halbieren. Das ist alleweil besser als im Ausland zum grössten Teil ökologisch wertlose CO₂-Zertifikate zu kaufen und nutzlose Kompensationsprojekte zu finanzieren. Da aber der Bedarf an sauberem Grundlaststrom in Europa ohnehin massiv steigen wird, ist man in jedem Fall mit fünf neuen AKWs gut beraten. Allerdings muss man sich bewusst sein, dass noch weitere nötig werden, zum Ersatz der heutigen AKWs und für die Deckung des Mehrbedarfs aufgrund der Elektrifizierung des übrigen Verkehrs und der Heizungen.

Mit der Planung der AKWs müsste man bald beginnen. Bis sie ans Netz gehen würden, dürften auch die Elektrolyseure in grösserem Massstab verfügbar sein. Als Paradebeispiel für eine hoch professionelle, kostengünstige und zügige Erstellung mehrerer leistungsstarker AKWs gilt das Projekt Barakah der Vereinigten Arabischen Emirate (VAE) [10]

Fussnoten und Quellen:

[1] https://correctiv.org/aktuelles/klimawandel/2024/04/16/erdgas-die-oekogas-luege/, https://www.spektrum.de/news/waldschutz-zertifikate-die-grosse-kompensationsluege/2173485

[2] Abgase von Verbrennungsprozessen enthalten 9-15% CO₂, solche von Zementwerken 15-22% CO₂. Luft hat mit 0.04% CO₂ einen extrem tiefen Gehalt, was die Extraktion entsprechend teuer und energetisch aufwändig macht. Siehe: IEA: Direct Air Capture, a key technology for net zero. 2022, p.27

[3] Beispiele für Energieaufwand bei Extraktion von CO₂:

• Aus Abgas von Verbrennungsprozessen: 1 bis 4 kJ/molCO₂
• Aus Luft: 19 bis 21 kJ/molCO₂

Siehe: Sing, H. et al: A critical review of technologies, costs, and projects for production of carbon-neutral liquid e-fuels from hydrogen and captured CO₂, Energy Advances, 2022, 1, 580, p.585

[4] https://www.kivi.nl/uploads/media/618255d56cb66/Rolls-Royce SMR Overview Enschede Final.pdf, Seiten 4 und 25

[5] Simon Pratschner, Martin Hammerschmid, Stefan Müller, Franz Winter, Evaluation of CO₂ sources for Power-to-Liquid plants producing Fischer-Tropsch products, Journal of CO₂ Utilization 72 (2023) 102508

[6] A.M. Petersen, F. Chireshe, O. Okoro, J. Gorgens, J. Van Dyk, Evaluating refinery configurations for deriving sustainable aviation fuel from ethanol or syncrude, Fuel Process. Technol. 219 (2021), 106879

[7] M. Fischer: «Synthetisches Kerosin aus CO₂, CH.xls». Der Autor stellt das Blatt auf Anfrage gerne zur Verfügung

[8] Sunfire. 2023. Renewable hydrogen project “Multiplhy”: World’s largest high-temperature electrolyzer from Sunfire successfully installed. Available at: https:// www.sunfire.de/en/news/detail/renewable-hydrogen-project-multiplhy-worlds-largest-high-temperature-electrolyzer-from-sunfire-successfully-installed. (Zugriff: 28.4.2024).

[9] https://multiplhy-project.eu/ (Zugriff: 28.4.2024)

[10] https://www.nuklearforum.ch/de/kontext/vae-neueinstieg-nach-plan/ (Zugriff: 28.4.2024), https://www.youtube.com/watch?v=6vtc3fD_jvc, https://www.youtube.com/watch?v=QZSBEfBU0hc