Nachhaltige Flugkraftstoffe im Vergleich

SAFs sind eine nachhaltige Alternative zu fossilem Kerosin i , aber nicht alle SAFs sind gleich ökologisch nachhaltig. Abhängig vom Herstellungsverfahren, den eingesetzten Rohstoffen und der benötigten Prozessenergie unterschieden sie sich enorm in ihrer Umwelt- und Klimabilanz. Insbesondere im CO₂-Einsparungspotenzial, der Landnutzung und dem Wasserbedarf gibt es große Unterschiede.

Bei der Verbrennung von fossilem Kerosin i entsteht viel CO₂. Je nach SAF-Art können davon bis zu circa 95 % eingespart werden. Wenn Kerosin aus grünem Strom und mit Kohlenstoffdioxid (Power-to-Liquid, PtL i ) über die Fischer-Tropsch-Route (FT) produziert wird, hat es den geringsten CO₂-Fußabdruck aller SAF-Arten.

Bio-Kerosin, das mit HEFA i -Verfahren aus Alt-Speiseöl oder tierischen Fetten hergestellt wird, hat hingegen einen größeren CO₂-Fußabdruck. HEFA aus Pflanzenölen, wie Palm- oder Sojaöl, hat aufgrund der landwirtschaftlichen Emissionen die höchsten Emissionen.

Zwischen FT und HEFA liegt der CO₂-Fußabdruck des Alcohol-to-Jet-Verfahrens (AtJ i ). Wenn hierbei der Alkohol aus Reststoffen gewonnen wird, ist der CO₂-Fußabdruck geringer als bei stärke- und zuckerhaltigen Pflanzen.

Für das Verfahren Methanol-to-Jet (MtJ i ) existieren derzeit nur wenig belastbare Daten.

Neben den Treibhausgasen haben auch der Flächenverbrauch, der Wasserbedarf und die Rohstoffverfügbarkeit einen enormen Einfluss auf die ökologische Bewertung von SAFs.

Häufig unterschätzt wird der Wasserverbrauch durch SAFs: insbesondere biogene Verfahren haben durch die wasserintensive Landwirtschaft einen hohen Wasserfußabdruck. Der Wasserbedarf von synthetischen SAFs ist dagegen vergleichsweise gering.

Das HEFA i -Verfahren auf Basis von Abfallprodukten (beispielsweise Alt-Speiseöl) ist vergleichsweise nachhaltig. Es hat jedoch einen entscheidenden Nachteil: Abfallstoffe sind nicht beliebig skalierbar und damit in ihrer Menge begrenzt. Der Einsatz von pflanzenbasierten Ölen, wie Palm- oder Sojaöl kann mit Flächennutzungskonkurrenz zur Lebensmittelproduktion und indirekten Landnutzungsänderungen einhergehen. Für AtJ i -SAFs gilt dasselbe, wenn der Alkohol aus Pflanzen wie Mais oder Zuckerrohr gewonnen wird.

Analog zum HEFA-Verfahren auf Basis von Abfallprodukten gelten auch FT- und MtJ i -Kraftstoffe aus Rest- und Abfallbiomasse als besonders umweltverträglich, da sie keine zusätzlichen Flächen beanspruchen und indirekte Landnutzungsänderung vermeiden. Jedoch sind auch sie mengenmäßig begrenzt. Noch günstiger hinsichtlich des Flächenverbrauchs sind FT-SAFs, die CO₂ aus Direct Air Capture oder industriellen Punktquellen verwenden, jedoch haben sie einen sehr hohen Bedarf an erneuerbarer Energie.

Für einen breiten Einsatz von SAFs ist nicht nur ihre Umweltbilanz und ihr Beitrag zur Defossilisierung i des Luftverkehrs entscheidend, sie müssen auch wirtschaftlich produziert werden können. Ein entscheidender Faktor ist dabei die Marktreife der Technologien, die je nach SAF-Art sehr verschieden ist.

Die Produktionskosten nachhaltiger Flugtreibstoffe variieren stark je nach Herstellungsprozess und Feedstock. Aktuell ist Bio-SAF am wettbewerbsfähigsten, weil die HEFA i -Technologie ausgereift ist und Alt-Speiseöle als Feedstock günstig sind. AtJ i und MtJ i haben wegen zusätzlicher Prozessschritte höhere Produktionskosten. Noch kostenintensiver ist die Fischer-Tropsch-Synthese i für E-Kerosin i , da sie sehr teure Reaktortechnik benötigt. Die Produktionskosten für e-SAF liegen dadurch durchschnittlich bei rund 7.700 Euro/Tonne. Dabei schwankt der Preis für FT-SAF jedoch regional sehr stark, da er abhängig vom Strompreis und der CO₂-Quelle ist.

SAF sind insgesamt also deutlich teurer als fossiles Kerosin, das durchschnittlich einen Marktpreis von rund 740 Euro/Tonne erzielt. Zu beachten ist dabei jedoch, dass Skaleneffekte einen hohen Einfluss auf die Wirtschaftlichkeit von SAF haben: Ein Ausreifen bzw. ein Markthochlauf i der Technologien kann die Produktionskosten erheblich verringern. Der Markthochlauf wird allerdings durch mangelnde Nachfrage aufseiten der Airlines aufgrund der hohen Kosten und durch Unsicherheiten in der Finanzierung für Investoren stark gehemmt.

Der technische Reifegrad ist ein zentraler Aspekt bei Investitionsentscheidungen und politischen Förderungen und somit Voraussetzung für den Markthochlauf i von SAF. Reife Verfahren haben eine höhere Investitionssicherheit. Deutlich risikobehafteter hingegen sind weniger etablierte Produktionspfade, auch wenn sie langfristig attraktives Potenzial besitzen. Zur Einordnung der Entwicklung eines Verfahrens wird das Technology Readiness Level (TRL) verwendet, das auf einer Skala von 1 (Grundlagenforschung) bis 9 (vollständig industriell etabliert) den Reifegrad beschreibt.

Eine Anwendung des HEFA i -Verfahrens mit Alt-Speiseöl und anderen etablierten biogenen Ölen als Feedstock ist vollindustriell möglich. Mit einem TLR 9 ist es wirtschaftlich und technologisch am weitesten fortgeschritten und bereits am Markt etabliert. Bereits validiert, aber noch nicht demonstriert ist die Variante HC-HEFA, die ausschließlich auf Mikroalgen basiert. Sie ist deutlich weniger ausgereift, weswegen sie sich noch in einem TLR-Bereich von 4–5 bewegt. Auch bei Alcohol-to-Jet (AtJ i ) ist der Prozess abhängig vom Feedstock unterschiedlich weit entwickelt. Das AtJ-Verfahren mit Zucker/Stärke hat einen TLR von 8 bis 9. Bei lignozellulosehaltigen Ausgangsstoffen, wie Holz, liegt der TRL noch bei 7–8, da der Umwandlungsprozess aufwändiger ist.

Die Herstellungsprozesse für synthetische SAFs sind technisch noch nicht so ausgereift wie die biogenen Verfahren. Für die SAF-Produktion mittels Fischer-Tropsch-Synthese i (FT-SPK i ) existieren bereits Pilot- und Demonstrationsanlagen, die großtechnische Umsetzung steht jedoch noch aus. Als kritisches technisches Element hat sich hierbei die großtechnische Reverse-Wassergas-Konvertierungsreaktion (RWGS) herauskristallisiert. Das TRL des FT-Pfads liegt daher noch im Bereich von 5–7. Das MtJ i -Verfahren ist recht jung, dennoch liegt das TRL abhängig von der Prozessauslegung bereits zwischen 7 und 8.

Unabhängig von der ökologischen und ökonomischen Nachhaltigkeit eines Flugkraftstoffs muss die technische Sicherheit gegeben sein. Diese wird durch die ASTM i -Zulassung sichergestellt. Darüber hinaus sollte er drop-in-fähig sein, sodass er in bestehenden Flugflotten und Infrastrukturen genutzt werden kann. Dabei sind technische Eigenschaften wie Energiegehalt, Aromatenanteil, Tieftemperaturverhalten und Verbrennungseigenschaften entscheidend. Abhängig vom Produktionspfad kann sich SAF unterschiedlich auf Leistung, Emissionen und Handling auswirken.

Der Energiegehalt bzw. Brennwert eines Kraftstoffs gibt an, wie viel Energie pro Kilogramm Kraftstoff verfügbar ist. Ein hoher Brennwert ist somit notwendig, um bei möglichst geringem Gewicht möglichst viel Energie für den Antrieb zur Verfügung zu stellen. Dies spielt insbesondere im Flugverkehr eine zentrale Rolle, da Flugzeuge trotz des Gewichts des Kraftstoffs flugfähig bleiben müssen.

Bei SAFs handelt es sich chemisch ebenso wie bei fossilem Kerosin i , um flüssige Kohlenwasserstoffe. Der Energiegehalt von Kohlenwasserstoffen ist abhängig von der Kettenlänge: Je kürzer die Ketten, desto geringer der Brennwert. SAFs besitzen eine vergleichbare Kettenlänge wie fossiles Kerosin mit acht bis sechszehn Kohlenstoffatomen, sodass ihr Energiegehalt ähnlich wie fossiles Kerosin bei ca. 43 MJ/kg liegt. Es gibt also keine signifikanten Unterschiede für die Triebwerksleistung oder die Eignung für die Langstrecke. In Hinblick auf den Energiegehalt kann daher fossiles Kerosin problemlos durch SAF substituiert werden.

Ein zentraler Aspekt bei der technischen Betrachtung von Flugkraftstoffen ist der der Gehalt an Aromaten i . Diese beeinflussen sowohl die Verbrennungseigenschaften als auch die Materialverträglichkeit innerhalb des Triebwerks. Während fossiles Kerosin i typischerweise rund 20 % Aromaten enthält, weisen SAFs einen deutlich geringeren Aromatenanteil auf. Dadurch verbrennen SAFs sauberer als fossiles Kerosin und verursachen weniger Ruß und Feinstaub. Dies verbessert die lokale Luftqualität und reduziert zusätzlich die Non-CO₂-Effekte. Allerdings erfüllen Aromaten im Flugtriebwerk eine wichtige technische Funktion: Sie sorgen für das Quellen von Dichtungen. Ein zu niedriger Aromatenanteil kann somit Undichtigkeiten bzw. Leckagen verursachen, weswegen zurzeit die Beimischung aromatenarmer SAFs nur begrenzt zugelassen ist. Daher wurden aromatenhaltige Varianten von SAFs wie FT-SPK i /A oder AtJ i -SKA entwickelt, um fossiles Kerosin problemlos substituieren zu können. Diesen werden nachträglich Aromaten hinzugefügt, wodurch sie die technischen Anforderungen erfüllen.

Neben der Materialverträglichkeit beeinflussen Aromaten i auch atmosphärische Effekte, insbesondere die klimarelevanten Non-CO₂-Effekte wie Kondensstreifen i . Kerosin i mit hohem Aromatenanteil, etwa fossiles Jet A-1 oder aromatenhaltige SAFs, begünstigt deren Bildung durch unvollständige Verbrennung und damit einhergehenden Rußpartikelbildung. Aromatenarme bzw. -freie SAF verursachen daher weniger bzw. schwächere Kondensstreifen und reduzieren die klimawirksamen Non-CO₂-Effekte signifikant.

Kondensstreifen haben ein hohes Treibhauspotential, teils stärker als CO₂. Während sie zwar tagsüber kühlend wirken (reflektieren Teile des eintreffenden Sonnenlichts), absorbieren sie nachts IR-Strahlung (Wärmestrahlung von der Erde). Dadurch haben sie insgesamt einen erwärmenden Effekt.

Kondensstreifen bestehen aus Eiskristallen und resultieren aus der Verbrennung von Flugkraftstoffen:

1. Bei der Verbrennung von Kerosin entsteht CO₂ und Wasserdampf.
2. In großer Flughöhe (niedrige Temperatur) kondensiert der Wasserdampf an Rußpartikeln.
3. Die Rußpartikel wirken als sogenannte Kristallisationskeime für Eiskristalle.
4. Es entstehen Kondensstreifen.

Aromatenhaltige Flugkraftstoffe verstärken somit durch die Entstehung von Rußpartikeln, welche als Kristallisationskeime dienen, enorm die Bildung von Kondensstreifen und dadurch die Non-CO₂-Effekte.

Auf einer Flugreise sind Flugzeuge – und damit auch der Treibstoff – extremen Bedingungen ausgesetzt. Für die Sicherheit der Menschen an Bord ist es daher wichtig, dass Flugkraftstoffe in allen Situationen zuverlässig funktionieren. Insbesondere die in typischen Reiseflughöhen von über 10.000 m herrschenden Umgebungstemperaturen von −50°C können eine Herausforderung für Flugtreibstoffe darstellen. Gefriert ein Kraftstoff bzw. ist nicht mehr ausreichend fließfähig, kann er nicht mehr durch Leitungen gepumpt und im Triebwerk zerstäubt werden. Um die fatalen Folgen eines solchen Falls zu unterbinden, gibt es strenge Vorgaben an die Eigenschaften von Flugkraftstoffen.

Die meisten SAFs haben eine geringere Viskosität als fossiles Kerosin i , was ihr Strömungsverhalten bei Kälte verbessert. Dies trifft insbesondere auf SAFs mit verzweigten Kohlenwasserstoffketten zu, wie bei HEFA i oder FT. Hier werden verzweigte Ketten meist in einem Aufbereitungsschritt (Isomerisierung) gezielt gebildet. Auch wenn AtJ i und MtJ i durch ihre Prozessführung nicht extra gezielt hinsichtlich ihres Kälteverhaltens optimiert werden, erfüllen auch sie die Grenzwerte der ASTM i D7566-Norm für den Gefrierpunkt von Flugkraftstoffen.

Die verschiedenen SAF-Produktionspfade haben unterschiedliche Stärken und Herausforderungen. Kurzfristig ist das HEFA i -Verfahren am attraktivsten: Es hat die geringsten Produktionskosten, ist kommerziell verfügbar und technologisch etabliert. Damit eignet es sich besonders für den schnellen Markthochlauf i . Mittelfristig könnte AtJ i eine wichtige Rolle spielen, jedoch besitzt es den großen Nachteil in Konkurrenz zur Nahrungsmittelproduktion zu stehen, sofern der Feedstock aus landwirtschaftlicher Primärproduktion stammt.

FT sind noch nicht technologisch vollständig etabliert, haben jedoch aus ökologischer Sicht das größte Potential sich langfristig durchzusetzen. Sie haben das höchste CO₂-Minderungspotential und verursachen bei der Verwendung von luftabgeschiedenem CO₂ keine indirekten Landnutzungsänderungen. Darüber hinaus sind sie gut skalierbar, solange ausreichend erneuerbare Energien zur Verfügung stehen. Aktuell sind die Herstellungskosten allerdings noch sehr hoch. Nur wenn der Markthochlauf gelingt und die Kosten deutlich sinken, werden sich FT-Kraftstoffe dauerhaft am Markt etablieren können.

Damit SAFs vollständig drop-in-fähig sind, können sie durch Zugabe von Aromaten i angepasst werden, wie es bei FT-SPK i /A oder ATJ-SKA der Fall ist. Entscheidend für den Markthochlauf der unterschiedlichen SAF-Produktionspfade sind jedoch verlässliche politische Rahmenbedingungen, gezielte Förderung und Investitionen in Infrastruktur und Technologieentwicklung.

EASA (2025): https://www.easa.europa.eu/en/document-library/general-publications/2024-aviation-fuels-reference-prices-refueleu-aviation

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