Eine neue Studie überwindet eine zentrale Herausforderung bei der Umstellung von Verkehrsflugzeugen in den USA von ihrer nahezu vollständigen Abhängigkeit von fossilen Treibstoffen auf nachhaltigere Flugtreibstoffe. Die Studie beschreibt eine kostengünstige Methode zur Herstellung von Ethylbenzol – einem Zusatzstoff, der die funktionellen Eigenschaften nachhaltiger Flugkraftstoffe verbessert – aus Polystyrol, einem Hartplastik, der in vielen Konsumgütern verwendet wird.
Über die Ergebnisse wird in der Zeitschrift berichtet ACS Nachhaltige Chemie und Technik.
Kraftstoffe, die aus Abfallfetten, Ölen, Fetten, pflanzlicher Biomasse oder anderen Nicht-Erdölquellen gewonnen werden, enthalten keine ausreichenden Mengen an aromatischen Kohlenwasserstoffen, die dazu beitragen, die Kraftstoffsysteme betriebsbereit zu halten, indem sie mechanische Teile schmieren und die Dichtungen anschwellen lassen, die im normalen Betrieb vor Lecks schützen, sagte Hong Lu, a Forschungswissenschaftler am Illinois Sustainable Technology Center, der die neue Forschung leitete. ISTC ist eine Abteilung des Prairie Research Institute an der University of Illinois Urbana-Champaign.
Während Ethylbenzol ein aromatischer Kohlenwasserstoff ist und aus fossilen Treibstoffen gewonnen werden kann, würde die Suche nach einem nachhaltigen Weg zu seiner Herstellung die Umstellung der Luftfahrtindustrie auf nachhaltige Flugzeugtreibstoffe unterstützen.
Das US-Energieministerium, das US-Verkehrsministerium, das US-Landwirtschaftsministerium und andere Regierungsbehörden haben einen Fahrplan zur Bewältigung der klimabedingten Auswirkungen von aus fossilen Brennstoffen gewonnenen Flugkraftstoffen erstellt. Die Sustainable Aviation Fuel Grand Challenge setzt sich ehrgeizige Ziele für die Produktion inländischer nachhaltiger Flugkraftstoffe: 3 Milliarden Gallonen pro Jahr bis 2030 und 100 % des prognostizierten Flugtreibstoffverbrauchs, also 35 Milliarden Gallonen pro Jahr, bis 2050.
Aktuelle Standards verlangen, dass in jeder Mischung aus nachhaltigen Flugkraftstoffen und aus fossilen Brennstoffen gewonnenen Kraftstoffen mindestens 8,4 % aromatische Kohlenwasserstoffe enthalten sein müssen, „um die Kompatibilität mit bestehenden Flugzeugen und der zugehörigen Infrastruktur aufrechtzuerhalten“, berichten die Forscher. Während diese Regel die Sicherheit und Wirksamkeit des gesamten Kraftstoffmixes erhöhe, schränkt sie die Verwendung nachhaltiger Kraftstoffe, die derzeit nur etwa 0,5 % aromatische Kohlenwasserstoffe enthalten, stark ein, sagte Lu.
„Derzeit verwenden sie eine Mischung aus 20 bis 30 % nachhaltigem Flugtreibstoff und 70 bis 80 % konventionellem Flugzeugtreibstoff“, sagte er. Diese Verzögerung bei der Umstellung auf nachhaltige Kraftstoffe ist auf mehrere Faktoren zurückzuführen, darunter der Bedarf an ausreichend aromatischen Kohlenwasserstoffen in der Mischung. Weitere wichtige Faktoren sind Qualitäten wie die Flüchtigkeit, der Säuregehalt, der Feuchtigkeitsgehalt und der Gefrierpunkt der Mischung.
Lu und seine Kollegen entschieden sich für die Entwicklung von Ethylbenzol, weil es beim Verbrennen weniger zur Rußbildung neigt als andere hocharomatische Verbindungen. Und sie entschieden sich für Polystyrol, weil es reich an Kohlenwasserstoffen ist und im Abfallstrom reichlich vorhanden ist.
„Wir produzieren in den USA jedes Jahr etwa 2,5 Millionen Tonnen Polystyrol, und fast alles davon wird auf Mülldeponien entsorgt“, sagte Lu.
Um das Polystyrol in Ethylbenzol umzuwandeln, nutzte das Team thermische Pyrolyse und erhitzte es, um das Polymer in eine styrolreiche Flüssigkeit aufzuspalten. In einem zweiten Schritt, der Hydrierung, wurde es in rohes Ethylbenzol umgewandelt, und die Destillation ergab ein Produkt mit einer Reinheit von 90 %.
Beim Mischen mit einem nachhaltigen Flugtreibstoff erbrachte das aus Polystyrol gewonnene Ethylbenzol „fast die gleiche Leistung wie Ethylbenzol aus fossilen Brennstoffen“, sagte Lu. Eine weitere Reinigung würde die Leistung verbessern.
„Wir haben eine vorläufige Kostenanalyse durchgeführt und festgestellt, dass das aus Abfallpolystyrol hergestellte Ethylbenzol billiger ist als das aus Rohöl hergestellte. Und eine Lebenszyklusanalyse unseres Ethylbenzols ergab, dass es die Kohlenstoffemissionen im Vergleich zu dem hergestellten Ethylbenzol um 50 bis 60 % reduzierte.“ aus Rohöl.“
Lu und seine Kollegen hoffen, dieses Additiv weiterzuentwickeln, um den Einsatz nachhaltiger Kraftstoffe in der Luftfahrt auszuweiten.
Das Small Business Innovation Research und Office of Energy Efficiency and Renewable Energy des US-Energieministeriums unterstützten diese Studie.
