Da die Luftfahrtindustrie weltweit bestrebt ist, ihre Auswirkungen auf die Umwelt zu verringern, beginnt ein Wettlauf um die Entwicklung nachhaltiger Flugkraftstoffe (SAF), die den herkömmlichen erdölbasierten Düsenkraftstoff ersetzen können. Eine vielversprechende Lösung liegt in einer unwahrscheinlichen Quelle - dem reichlich vorhandenen Biopolymer Lignin. Forscher haben jetzt ein neuartiges Verfahren zur direkten Umwandlung von Lignin in hochwertige Kohlenwasserstoffe für Flugzeugtreibstoff vorgestellt und damit den Weg für eine nachhaltigere Zukunft des Flugverkehrs geebnet.

Die Herausforderung nachhaltiger Flugkraftstoffe

Der Luftverkehrssektor trägt mit einem Anteil von etwa 2 bis 3 % an den weltweiten Treibhausgasemissionen erheblich zu diesen bei. Da für die kommenden Jahrzehnte ein starker Anstieg des Luftverkehrs erwartet wird, müssen Wege zur Dekarbonisierung der Branche gefunden werden. SAF haben sich als wichtiger Teil der Lösung erwiesen, da sie das Potenzial haben, die Emissionen im Vergleich zu herkömmlichem Düsentreibstoff zu senken.

Die meisten derzeitigen SAF werden aus pflanzlichen und tierischen Lipiden wie Pflanzenölen und tierischen Fetten hergestellt. Die begrenzte Verfügbarkeit dieser Rohstoffe bedeutet jedoch, dass sie nicht in größerem Umfang eingesetzt werden können, um den prognostizierten Anstieg der künftigen Nachfrage nach Flugzeugtreibstoff zu decken. "Es besteht Einigkeit darüber, dass eine Vielzahl neuer Wege notwendig sein wird, um das für 2050 angestrebte Ziel von Netto-Null-Emissionen im Luftverkehr zu erreichen", sagt Bin Yang, Professor an der Washington State University und Hauptautor der neuen Studie.

Eine weitere Herausforderung besteht darin, dass viele SAFs nicht die gewünschten Eigenschaften von herkömmlichem Düsenkraftstoff aufweisen. "Viele Fluggesellschaften schränken die direkte Verwendung dieser SAFs ein und gleichen ihren Treibstoff mit konventionellem Düsenkraftstoff aus, um Bedenken hinsichtlich Dichte, Dichtungsquellung und anderer Komponenten auszuräumen", erklärt Yang. Dies ist vor allem auf das Fehlen bestimmter Kohlenwasserstoffklassen wie Aromaten und Cycloalkane zurückzuführen, die für die Kompatibilität und Leistung des Kraftstoffs wichtig sind.

Das Potenzial von Lignin ausschöpfen

Hier kommt Lignin ins Spiel, ein komplexes aromatisches Polymer, das nach Zellulose das am zweithäufigsten vorkommende natürliche Polymer auf der Erde ist. Lignin ist ein Nebenprodukt verschiedener Bioraffinerieverfahren, von denen weltweit jährlich etwa 300 Millionen Tonnen produziert werden. "Lignin hat die Fähigkeit, ein Polymer mit aromatischer Struktur zu erzeugen, das als Grundlage für die Herstellung von Kraftstoffen, Chemikalien und Materialien dienen kann", sagt Yang.

Frühere Forschungsarbeiten von Yangs Gruppe und anderen haben gezeigt, dass Lignin durch katalytische Depolymerisation und Hydrodeoxygenierung (HDO) in Kohlenwasserstoffe umgewandelt werden kann, die für Flugzeugtreibstoff geeignet sind. Mit diesen Verfahren lässt sich selektiv ein Gemisch aus Cycloalkanen herstellen - eine Kohlenwasserstoffklasse, die Aromaten in Düsentreibstoff ersetzen kann und vergleichbare Dichte- und Dichtungsquellungseigenschaften aufweist.

Die Herausforderung bestand jedoch darin, ein kontinuierliches Durchflussverfahren zu entwickeln, das die Komplexität technischer Ligninrohstoffe bewältigen kann. "Die Bewältigung der Herausforderungen, die sich aus der heterogenen Natur von Lignin ergeben, ist entscheidend für eine erfolgreiche Verarbeitung von technischem Lignin in kontinuierlichen Durchflussreaktoren", sagt Yang.

Ein Durchbruch bei der kontinuierlichen Ligninumwandlung

In ihrer neuesten Arbeit, die in der Fachzeitschrift Fuel Processing Technology veröffentlicht wurde, demonstrieren die Forscher ein neuartiges Verfahren zur "simultanen Depolymerisation und Hydrodeoxygenierung" (SDHDO), mit dem Lignin kontinuierlich in hochwertige Kohlenwasserstoffe für Flugzeugtreibstoff umgewandelt werden kann.

Der Schlüssel zu ihrem Ansatz ist ein bifunktioneller Katalysator mit der Bezeichnung Ru-HY-60-MI, der einen sauren Zeolith-Träger mit hochdispersen Ruthenium-Nanopartikeln kombiniert. "Das Design und die Synthese von effizienten und technischen bifunktionalen Katalysatoren für die direkte Lignin-HDO ist eine Herausforderung", erklärt Adarsh Kumar, Erstautor der Studie und Forscher am National Renewable Energy Laboratory.

"Die Konkurrenz zwischen Depolymerisation, Ringsättigung und C-O-Hydrogenolyse führt zu Schwierigkeiten bei der Herstellung ringgesättigter Kohlenwasserstoffe. Eine hervorragende Kombination dieser Eigenschaften kann ein wirksamer Katalysator für die Produktion gesättigter Kohlenwasserstoffe sein."

Die Forscher packten den Ru-HY-60-MI-Katalysator in einen Durchflussreaktor und füllten eine Lösung von alkalibehandeltem Lignin aus Maisstroh ein. Bei optimierten Reaktionsbedingungen von 250 °C und einem Wasserstoffdruck von 1.150 psi konnten sie eine maximale Kohlenstoffausbeute von 17,9 % für das Produkt Lignin-basierter Düsenkraftstoff (LJF) erzielen.

Eine detaillierte Analyse ergab, dass der LJF zu 60,2 % aus Monozykloalkanen und zu 21,6 % aus Polyzykloalkanen bestand - Kohlenwasserstoffklassen, die für die Kompatibilität und Leistung des Kraftstoffs entscheidend sind. "Die Tests der Tier-α-Kraftstoffeigenschaften zeigen, dass die LJF-Produktion mit der SDHDO-Chemie SAF mit hoher Kompatibilität, guten Dichtungseigenschaften, geringen Emissionen und hoher Energiedichte für Flugzeuge herstellen kann", sagt Yang.

Ein wichtiger Aspekt der Forschung war die detaillierte Charakterisierung des Ru-HY-60-MI-Katalysators vor und nach seiner Verwendung. Dies lieferte wertvolle Erkenntnisse über die Struktur und das Verhalten des Katalysators während des SDHDO-Prozesses.

Das Team stellte fest, dass die HY-Zeolithstruktur und -kristallinität nach den Schritten der Katalysatorentwicklung weitgehend erhalten blieb, wobei kleine Ruthenium-Nanopartikel (durchschnittliche Größe von 2,9 nm) über den gesamten Träger verteilt waren. Die Analyse der temperaturprogrammierten Reduktion ergab das Vorhandensein von zwei verschiedenen Arten von Rutheniumoxid-Spezies, was auf gute Metall-Träger-Wechselwirkungen schließen lässt.

Der verbrauchte Katalysator wies jedoch einige signifikante Veränderungen auf. Bei der induktiv gekoppelten Plasmaanalyse wurde ein erheblicher Anstieg des Kaliumgehalts festgestellt, der wahrscheinlich auf den Ionenaustausch zwischen der Ligninlösung und dem HY-Zeolith zurückzuführen ist. Außerdem gab es Anzeichen für Kohlenstoffablagerungen auf der Katalysatoroberfläche, die im Laufe der Zeit zu seiner Deaktivierung beitrugen.

"Die Deaktivierung des Katalysators aufgrund von Verunreinigungen und Koksbildung ist eine der größten Herausforderungen, die wir überwinden müssen, um diesen Ansatz kommerziell nutzbar zu machen", sagt Kumar. "Weitere Arbeiten sind erforderlich, um robustere Katalysatoren und Reaktordesigns zu entwickeln, die den rauen Bedingungen der Ligninumwandlung standhalten können.

Die Forscher sind der Ansicht, dass ihre Erkenntnisse über die Beziehungen zwischen Katalysatorstruktur und -aktivität die Entwicklung von Katalysatoren der nächsten Generation für die kontinuierliche Ligninveredelung unterstützen werden. "Die Methoden der Katalysatorcharakterisierung zeigten, dass Ru-HY-60-MI eine kleine Ru-Größe mit guter Dispersion auf dem HY-60-Träger aufweist", so Kumar. "Allerdings wurde eine Deaktivierung des Katalysators aufgrund des Austauschs von K+-Ionen aus der Ligninlösung in HY-60 und der Ablagerung von Kohlenstoff auf der Ru-HY-60-MI-Oberfläche während des Experiments beobachtet."

Die erfolgreiche Demonstration des SDHDO-Verfahrens im kontinuierlichen Fluss ist ein bedeutender Schritt nach vorn für die Kommerzialisierung von Düsenkraftstoffen auf Ligninbasis. Frühere Studien zu LJF stützten sich auf Batch-Reaktoren, die für eine großtechnische Produktion weniger gut skalierbar und wirtschaftlich tragfähig sind.

"Die Produktion im kommerziellen Maßstab wird dazu beitragen, die Umweltvorteile eines nachhaltigen Flugkraftstoffs zu realisieren", sagt Yang. "Um das Ziel der kommerziellen Produktion von LJF zu erreichen, ist ein kontinuierlicher Prozess erforderlich.

Die Forscher stellen fest, dass ihr Ansatz mehrere zentrale Herausforderungen im Zusammenhang mit der kontinuierlichen Ligninumwandlung angeht. "Wir haben die Komplexität der direkten Ligninumwandlung und die Erhaltung der zyklischen Strukturen im Produkt durch den Einsatz innovativer Reaktionstechniken überwunden", erklärt Yang.

Mit Blick auf die Zukunft arbeitet das Team daran, den Prozess weiter zu optimieren und die verbleibenden Hürden zu überwinden. "Wir werden das Verfahren weiter zur Einsatzreife bringen, indem wir drei Hauptherausforderungen bewältigen: Senkung der Kosten für den Hydrotreating-Katalysator, Verbesserung der Effizienz von Feststoffkatalysatoren aufgrund der polymeren Struktur von Lignin und Verhinderung der Deaktivierung des Katalysators aufgrund von Verunreinigungen und Koksbildung", sagt Yang.

Wenn dies gelingt, könnte ligninbasierter Düsenkraftstoff neue Möglichkeiten für eine nachhaltige Luftfahrt eröffnen. "Ligninbasierter Düsenkraftstoff kann ergänzende Eigenschaften zu bestehenden SAF-Kraftstoffen bieten. Er bietet die erforderliche Dichte und Dichtungsquellung, die n- und Isoalkane nicht erreichen können, und erhöht gleichzeitig die abgeleitete Cetanzahl des gemischten Kraftstoffs", erklärt Yang.

Auch die potenziellen Vorteile für die Umwelt sind erheblich. "Die wirtschaftliche Herstellung von Düsentreibstoff auf Ligninbasis kann die Nachhaltigkeit von nachhaltigen Flugkraftstoffen verbessern und die Treibhausgasemissionen insgesamt verringern", sagt Yang.

Ein vielversprechender Weg zu einer grüneren Zukunft in der Luftfahrt?

Die Entwicklung von Düsentreibstoff auf Ligninbasis ist ein spannender Durchbruch auf dem Weg zu einem nachhaltigeren Flugverkehr. Durch die Nutzung der reichlich vorhandenen und nicht ausreichend genutzten Ressource technisches Lignin haben die Forscher einen gangbaren Weg zur Herstellung von hochwertigen Düsenkraftstoff-Kohlenwasserstoffen aufgezeigt, die die bestehenden SAF-Optionen ergänzen können.

Das kontinuierliche SDHDO-Verfahren, das durch einen innovativen bifunktionalen Katalysator ermöglicht wird, überwindet mehrere zentrale Herausforderungen im Zusammenhang mit der Ligninumwandlung und schafft die Voraussetzungen für eine potenzielle Produktion im kommerziellen Maßstab. Auch wenn es noch Herausforderungen gibt, ist das Versprechen von aus Lignin gewonnenem Düsenkraftstoff klar - eine Zukunft, in der der Flugverkehr mit erneuerbaren, emissionsarmen Kraftstoffen aus Pflanzenabfällen betrieben werden kann.

Da die globale Luftfahrtindustrie weiterhin mit ihren Umweltauswirkungen zu kämpfen hat, bieten Lösungen wie Düsentreibstoff auf Ligninbasis einen Ausblick auf einen nachhaltigeren Weg in die Zukunft. Bei weiterer Forschung und Optimierung könnte diese Technologie eine entscheidende Rolle dabei spielen, die ehrgeizigen Dekarbonisierungsziele der Branche zu erreichen.

Hinweis(e)

1. https://doi.org/10.1016/j.fuproc.2024.108129

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