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Flugverkehr
In der Klimastrategie 2050 des Bundesrates ist vorgesehen, dass der schweizerische Flugverkehr im Jahr 2050 netto keine klimawirksamen Emissionen mehr verursachen soll. Ein entsprechender Absatz findet sich im Gegenentwurf des Parlaments zur Gletscher-Initiative. Gemäss Art. 3 Abs. 6 des Entwurfs des Bundesgesetzes über die Ziele im Klimaschutz ist vorgesehen, die Emissionen des internationalen Luftverkehrs in das Netto-Null-Ziel für 2050 einzubeziehen.
In den Energieperspektiven 2050+ hingegen, wird nur der vergleichsweise kleine Verbrauch des nationalen Flugverkehrs berücksichtigt. Der viel bedeutendere Verbrauch des internationalen Flugverkehrs wird ausgeklammert. Als Begründung wird angeführt, dass der internationale Flugverkehr ausserhalb der Systemgrenze der Energieperspektiven 2050+ liege und dessen Berechnung, anders als bei allen anderen Verkehrsträgern, nicht dem Inlandprinzip folgen würde.
Diese Begründung ist aufgrund der neueren Klimastrategie 2050 überholt. In der vorliegenden Abschätzung wird der Treibstoffbedarf des internationalen Flugverkehrs im Umfang von 22,4 TWh/a deshalb einbezogen.
Ersatztreibstoff Synthesekerosin
Es ist technisch sehr schwierig, Flugzeuge auf einen alternativen Treibstoff umzurüsten. Die Industrie arbeitet daran neue Triebwerke zu entwickeln. Vor 2035 ist aber nicht damit zu rechnen, dass z.B. wasserstoffbetriebene Flugzeuge auf den Markt kommen werden.
Als Ersatztreibstoff für den Flugverkehr kommen deshalb nur biogenes oder synthetisches Kerosin in Frage. Aufgrund der grossen benötigten Treibstoffmengen ist es fraglich, ob diese aus nachhaltig genutzter Biomasse bereitgestellt werden können. Im vorliegenden Fall wird deshalb angenommen, dass das fossile Kerosin im Umfang von 1,9 Mia. kg/a resp. 22,4 TWh/a durch strombasiertes, synthetisches Kerosin ersetzt wird. Die Umstellung auf Synthesekerosin erfordert keine Umrüstungen an Flugzeugen oder Flughafeninfrastruktur.
Produktion des Synthesekerosins
Das PSI hat verschiedene Verfahren zur Erzeugung von Flugtreibstoffen im Rahmen einer Life-Cycle-Studie näher analysiert. Im Folgenden wird vom sogenannten Methanol-Prozess ausgegangen. Dabei wird in einem ersten, technisch etablierten Schritt Methanol aus Wasserstoff und Kohlendioxid produziert wird. Das Methanol wird anschliessend in einem zweiten Schritt in synthetisches Kerosin konvertiert.
Die zugrunde liegende Technologie ist im grossindustriellen Massstab verfügbar, wird jedoch zurzeit aus Kostengründen nur vereinzelt eingesetzt. Neuseeland produzierte von 1986 bis 1999 mit einer technisch vergleichbaren, erdgasbasierten GtL-Anlage rund 50% seines Benzin- und Dieselverbrauchs.
Für die Produktion von 1 kg Synthesekerosin werden gemäss der Life-Cycle-Studie 0,49 kg Wasserstoff benötigt, der mit Wasserelektrolyse produziert werden muss. Die heute marktgängigsten Elektrolyseure basieren auf der Alkali-Elektrolyse und benötigen gemäss der IndWDEe-Studie Strom im Umfang von 4,4 kWh zur Erzeugung von einem Normkubikmeter Wasserstoff (unteres Ende der Spannbreite). Dies entspricht einem brennwertbezogenen Wirkungsgrad von 80%. Für die Erzeugung der für die Produktion von 1 kg Synthesekerosin benötigten Wasserstoffmenge von 0,49 kg werden gemäss den obigen Annahmen 24,0 kWh benötigt.
Die spezifischen Investitionskosten für Alkali-Elektrolyseure belaufen sich gemäss der IndWEDe-Studie auf 920 EUR/kW. Weil die Wasserstoffproduktion grossmehrheitlich im Sommerhalbjahr stattfindet, wird angenommen, dass die Elektrolyseure lediglich 2’000 Std. pro Jahr im Betrieb sind. Bei einem Eurokurs von 1 CHF/EUR ergeben sich Investitionskosten von 460 CHF/MWh. Umgerechnet auf die zu produzierende Menge an Synthesekerosin belaufen sich die Investitionskosten für die Elektrolyseure auf 11 CHF pro Kilogramm Synthesekerosin und Jahr. Die jährlichen Wartungs- und Instandhaltungskosten kosten 13 EUR/kW oder 1,4% der nötigen Investition.
Damit der Synthesetreibstoff auch klimaneutral wird, muss er mit klimaneutralem CO2 hergestellt werden. Für die Produktion von 1 kg Synthesekerosin werden 3,27 kg CO2 benötigt. Dieses muss durch Abscheidung des bei der Verbrennung von Biomasse entstehenden CO2 oder durch Abscheidung aus der Atmosphäre gewonnen werden. Die entsprechenden Verfahren sind unter https://georgschwarz.ch/negativemissionen/ beschrieben.
Falls die CO2-Abscheidung in der Schweiz stattfindet, belaufen sich die spezifischen Investitionskosten auf 692 CHF/t CO2. Umgerechnet auf die zu produzierende Menge an Synthesekerosin ergeben sich Investitionskosten von 2,3 CHF pro kg Synthesekerosin und Jahr. Der Energiebedarf für die CO2-Abscheidung in der Schweiz beläuft sich auf 3,4 kWh pro kg Synthesekerosin.
Wenn das Synthesekerosin vollständig aus dem Ausland bezogen werden soll, müsste die CO2-Abscheidung mit dem teuren DAC-Verfahren (https://georgschwarz.ch/direct-air-capture/) erfolgen. Dafür sind spezifische Investitionskosten von 3’125 CHF/t CO2 anzusetzen. Umgerechnet auf die zu produzierende Menge an Synthesekerosin betragen die Investitionskosten 10,2 CHF pro kg Synthesekerosin und Jahr. Der Energiebedarf beläuft sich auf 5,9 kWh pro kg Synthesekerosin.
Um aus Wasserstoff und Kohlendioxid Synthesekerosin herzustellen sind zwei Syntheseschritte nötig. In einem ersten Schritt wird Methanol erzeugt. Dieses Methanol wird anschliessend im zweiten Schritt in Synthesekerosin umgewandelt.
Die Technologien zur Produktion von Methanol mit Wasserstoff und Kohlendioxid als Ausgangssubstanzen sind heute auf den Weltmärkten gut etabliert. Die Weltmarktführerin CRI hat 2022 in Anyang City (Henan Province, China) eine Produktionsstätte mit einer Kapazität von 110’000 t Methanol pro Jahr für 90 Mio. USD erstellt. Daraus ergeben sich Investitionskosten von 820 CHF/t Methanol pro Jahr. Gemäss Flow-Scheme 2 der Life-Cycle–Studie werden für die Produktion von 1 kg Synthesekerosin 2,40 kg Methanol benötigt. Umgerechnet auf die zu produzierende Menge an Synthesekerosin belaufen sich die Investitionskosten für die Methanolsynthese auf 2,0 CHF pro kg Synthesekerosin und Jahr. Da die zugrundeliegenden chemischen Reaktionen exotherm sind, werden für die Methanolsynthese keine nennenswerten Mengen an zusätzlichem Strom benötigt.
Für den zweiten Schritt, die Umwandlung von Methanol zu Synthesekerosin, kommt das MTG-Verfahren von Exxonmobile zum Einsatz. Zu den damit verbundenen Investitionskosten finden sich im Netz fast keine Angaben. Gemäss einer Studie von 2013 der Forschungsvereinigung Verbrennungskraftmaschinen e.V. sind die Investitionskosten für das MTG-Verfahren um einen Drittel kleiner als die Investitionskosten für die Methanolsynthese. Daraus ergeben sich Investitionskosten von 550 CHF für die Weiterverarbeitung von einer Tonne Methanol pro Jahr.
Unter der Annahme, dass für die Produktion von 1 kg Synthesekerosin 2,40 kg Methanol benötigt werden, ergeben sich für das MTG-Verfahren umgerechnet auf die zu produzierende Menge an Synthesekerosin, Investitionskosten von 1,3 CHF pro kg Synthesekerosin und Jahr.
In der Summe werden für die Produktion von 1 kg Synthesekerosin in der Schweiz 27,4 kWh Strom (24,0 kWh für Elektrolyse, 3,4 kWh für CO2-Abscheidung) und 3,27 kg biogenes CO2 benötigt. Die Investitionskosten belaufen sich auf 16,6 CHF (11,0 CHF für Elektrolyse, 2,3 CHF für CO2-Abscheidung, 2,0 CHF für Methanolsynthese, 1,3 CHF für MTG-Verfahren) und die jährlichen Kapital- und Unterhaltskosten auf 1,3 CHF/a.
Kosten des Synthesekerosins
Um das von der Schweiz verbrauchte fossile Kerosin zu ersetzen werden 1,9 Mt Synthesekerosin benötigt. Falls dieses in der Schweiz hergestellt wird belaufen sich die Investitionskosten für die benötigten Elektrolyseure und Raffinerien auf 31,5 Mia. CHF. Für die eigentliche Produktion werden rund 52,0 TWh/a Strom und 6,2 Mt biogenes CO2 benötigt.
Bei einem angenommenen schweizerischen Strompreis von 100 CHF/MWh resultieren für die benötigten 52,0 TWh/a Stromkosten von 5,2 Mia. CHF/a. Umgerechnet auf den Kilopreis von Synthesekerosin ergibt sich ein Stromkostenanteil von 2,7 CHF/kg Synthesekerosin. Hinzu kommen die jährlichen Betriebs- und Kapitalkosten der benötigten Produktionsanlagen von 1,3 CHF/kg Synthesekerosin (Annahmen: Realzins 1,6%, Betriebskosten 1,5%, Lebensdauer 20 Jahre).
Der resultierende Kilopreis für das Synthesekerosin von 4,0 CHF/kg liegt innerhalb der Bandbreite von 2,4 CHF/kg bis 4,8 CHF/kg die im Kapitel 5.5 des PtX-Weissbuch des PSI angegeben wird.
Die Gestehungskosten des Synthesekerosins werden zum grössten Teil durch die Produktionskosten des benötigten Stroms bestimmt. In Gegenden mit sehr tiefem Strompreis resultieren dann auch niedrigere Gestehungskosten. Im Ausland produziertes Synthesekerosins würde bei einem angenommenen Strompreis von 48 CHF/MWh Selbstkosten von 2,7 CHF/kg verursachen. Falls die Schweiz einen Dummen findet der das Synthesekerosin zu Selbstkosten verkauft, würden sich die Importkosten auf 5,1 Mia. CHF/a belaufen.
Im Jahr 2019 betrugen die schweizerischen Ausgaben für fossiles Kerosin 1,2 Mia. CHF resp. 0,63 CHF/kg. Mit einem Kilopreis von 2,7 CHF/kg bis 4,0 CHF/kg ist synthetisches Kerosin rund vier- bis sechsmal teurer.