Neue Antriebe für einen emissionsfreien Flugverkehr

Emissionsfreier Flugverkehr ist möglich. Aber wie weit ist die Forschung? Werden wir schon bald in einem elektrischen oder wasserstoffbetriebenen Flugzeug sitzen?

Startendes Flugzeug
Wasserstoff, batterie-elektrisch oder über synthetische Kraftstoffe? Für den emissionsfreien Flugverkehr liegen einige Konzepte auf dem Tisch [Quelle: Adobe Stock]

Der Flugverkehr gehört zu den CO2-intensivsten Arten der Fortbewegung. Und ist dennoch eher ein Nebenthema der globalen Treibhausgas-Emissionen. An der Gesamtmenge macht er zwischen 2,5 und 3,5 Prozent aus. Aber: Um weiter ein akzeptiertes Verkehrsmittel zu bleiben, braucht der Luftverkehr eine Dekarbonisierung. Auch wenn Ingenieure die Flugzeugturbinen stetig zu mehr Effizienz und Sparsamkeit weiterentwickeln, braucht es neue technische Konzepte für den Flugverkehr.

Das Deutsche Zentrum für Luft und Raumfahrt sieht die Lösung in einem Antriebsmix. Welche Antriebstechnik zum Einsatz kommt, hängt vom jeweiligen Bedarf ab. So könnten Klein- und Regionalflugzeuge batterie- und hybridelektrisch abheben. Für Mittelstreckenflugzeuge sieht das DLR Wasserstoff als sinnvollste Technik an, per Wasserstoffdirektverbrennung oder per Brennstoffzelle. Auf der Langstrecke wiederum könnte das sogenannte SAF (Sustainable Aviation Fuel) zum Einsatz kommen. Das ist ein nachhaltiger Kraftstoff für Flugzeuge.

Fliegen mit Wasserstoff

Viele Unternehmen und Forschungseinrichtungen arbeiten an Wasserstoffantrieben für Flugzeuge. Wasserstoff ist vielseitig einsetzbar. Drei Ansätze eignen sich für die Verwendung im Flugverkehr: Vom Pkw kennen wir den Wasserstoffantrieb mittels Brennstoffzelle. Hier wird aus dem Wasserstoff elektrischer Strom gewonnen, der einen Elektromotor antreibt. Spezielle Turbinen können reinen Wasserstoff aber auch direkt verbrennen. Dieser Antrieb weist leider einen schlechten Wirkungsgrad auf. In einer dritten Variante wird aus Wasserstoff und Kohlenstoffdioxid synthetisches Kerosin herstellt. Das für die Herstellung benötigte CO2 wird aus der Luft absorbiert. Im Flugverkehr stößt das Flugzeug später die Menge CO2 aus, die vorher aufgefangen wurde.

Das britisch-amerikanische Unternehmen Zeroavia brachte im vergangenen Jahr bereits sein sechssitziges Wasserstoff-Flugzeug, angetrieben von einer Brennstoffzelle, in die Luft. In der nächsten Phase des Entwicklungsprogramms rüsten sie zwei 19-sitzige Flugzeuge des Typs Dornier 228 auf den neuen Antrieb um.

Der europäische Flugzeugbauer Airbus plant größere Maschinen, braucht aber entsprechend länger mit der Umsetzung. Im September 2020 stellte Airbus drei Konzepte für H2-Flugzeuge vor, fliegen sollen sie im Jahr 2035.

Turboprop-Design

Turbofan-Design

Blended-Wing-Body

ZeroE Airbus
[Quelle: Airbus]
ZeroE Airbus
[Quelle: Airbus]
Airbus ZeroE Designstudie
[Quelle: Airbus]

Das sogenannte „Turboprop-Design“ von Airbus ist eine Propeller-Maschine für bis zu 100 Passagiere. Das Design eignet sich mit einer Reichweite von 1.850 Kilometern für Kurzstreckenflüge.

Das Turbofan-Modell transportiert zwischen 120 und 200 Fluggäste und eignet sich mit einer Reichweite von 3.700 Kilometern vor allem für die Mittelstrecke. Der flüssige Wasserstoff wird in Tanks mitgeführt, die sich hinter einem Kabinendruckschott im Heck des Flugzeugs befinden.

Das dritte Modell ist das „Blended-Wing-Body“-Design – ein Nurflügler, bei dem die Tragflächen und der Rumpf ineinander übergehen. 3.700 Kilometer und bis zu 200 Passagiere eignen sich für Mittel- und Langstrecke. Das Design ermöglicht verschiedene Optionen für die Wasserstoffspeicherung und -verteilung.

Alle drei Konzepte dienen vorerst der Erforschung der Technologie und der Designs. Eine ausreichende Menge Wasserstoff in einem Flugzeug unterzubringen, ist gar nicht so einfach. Im Vergleich zum Kerosin-Tank ist das Volumen eines Wasserstofftanks bei gleicher Energiemenge etwa viermal so groß. Wasserstoff gasförmig zu transportieren, sprengt die Ladekapazitäten. Deshalb muss der Wasserstoff flüssig gehalten werden. Das geschieht bei minus 253 Grad Celsius. Die dafür notwendige Technik bringt viel Gewicht ins Flugzeug, das an anderer Stelle – beispielsweise bei der Passagieranzahl – gespart werden muss. Zudem zwingt die komplizierte Vorrichtung die Ingenieure dazu, den Wasserstoff im Rumpf des Flugzeugs zu lagern statt, wie bei Kerosin, in den Tragflächen. Ein dickerer Rumpf bedeutet jedoch eine schlechtere Aerodynamik. Das wiederum führt zu weniger Effizienz und zu mehr Verbrauch – wodurch ein noch größerer Tank erforderlich wäre.

Ein weiteres Problem stellt die Produktion von Wasserstoff dar. Denn diese Antriebstechnologie bringt nur dann ökologische Vorteile, wenn der Wasserstoff mit erneuerbaren Energien hergestellt wird – es sich also um „grünen“ Wasserstoff handelt. Der Prozentsatz an grünem Wasserstoff liegt derzeit bei weltweit nur rund einem Prozent.

Batterieelektrische Flugzeuge

Was auf der Straße funktioniert, funktioniert technisch gesehen auch in der Luft: Die E-Mobilität. Batterieelektrische Flugzeuge sind keine Zukunftsmusik. Aber es gilt, die gleichen Probleme wie auf der Straße zu lösen. Etwa ein stimmiges Gleichgewicht aus Akku-Leistung, Akku-Größe, Akku-Gewicht und Ladegeschwindigkeit zu finden. Für die E-Mobilität sprechen Effizienz und Kraftstoffkosten: Die Unternehmen magniX und AeroTEC ließen im Mai 2021 in den USA eine umgebaute, 18 Jahre alte Cessna vom Typ Grand Caravan 208 abheben. Sie kreiste für eine halbe Stunde über dem Fluggelände. Der Strom für den 30-Minuten-Flug kostete etwa fünf Euro. Das kerosinbetriebene Original-Triebwerk der Maschine hätte im gleichen Zeitraum Kerosin im Wert von etwa 320 Euro verbrannt.

Auch die Logistik hofft auf elektrische Flugzeuge. So will die DHL elektrisch betriebene Flugzeuge im Frachtverkehr einsetzen. Für das Logistik-Unternehmen bietet sich das E-Flugzeug besonders für die kürzeren Zubringerstrecken an. Dafür orderte die DHL bereits 12 Maschinen des Typs Alice des israelisch-amerikanischen Unternehmens Eviation. 1.200 Kilogramm Zuladung und 815 Kilometer Reichweite stehen im Datenblatt. Die Auslieferung der Elektro-Flugzeuge erfolgt im Jahr 2024.

DHL E-Flugzeug
Das elektrische Flugzeug "Alice" will die DHL vor allem für die kürzeren Zubringerstrecken nutzen [Quelle: DHL]

Eines der buchstäblich größten Probleme beim elektrischen Fliegen ist die Batterie. Sie verbraucht im Flugzeug mehr Platz als die Kerosin-Tanks. Im Falle der oben genannten Cessna 208 beispielsweise könnten regulär 14 Personen mitfliegen. Die Akkugröße geht hier zu Lasten von ganzen 9 Sitzplätzen. Zudem sind die Akkus derzeit noch schwerer als die äquivalente Menge Kerosin.

Die Reichweite elektrischer Flugzeuge ist durch das Akku-Gewicht begrenzt. Abhilfe können energieeffizientere Batterien in den kommenden Jahren schaffen. Doch neben Akku-Effizienz und Gewicht, senken auch die Sicherheitsbestimmungen im Luftverkehr die nutzbare Reichweite elektrischer Flugzeuge herab. Denn ein Flugzeug muss in einem etwaigen Notfall kurzfristig einen anderen Flughafen ansteuern können. Dafür müssen permanent genügend Energie-Reserven vorhanden sein.

Andreas Klöckner, Koordinator für Elektrisches Fliegen am DLR, bezifferte in einem Interview mit der Zeit die Reichweite und Passagieranzahl elektrischer Flugzeuge auf maximal 19 Passagiere und etwa 300 Kilometer. Für emissionsfreie Zubringerflüge brauche es laut Klöckner eine Reichweite zwischen 500 bis 1.000 Kilometern.

Fliegen mit synthetischen Kraftstoffen

Die Langstrecke sehen Experten künftig am besten mit synthetischen Kraftstoffen (SAF – Synthetic Aviation Fuels) bewältigt. Das ist Kerosin aus nachhaltigen Rohstoffen. Es gibt bei SAFs zwei Kategorien. Das „SAF erster Generation“ ist eine Art „Bio-Kerosin“, hergestellt aus Pflanzenresten oder Speiseöl. Eine weitere Option: das „Power-to-Liquid-SAF“. Das ist eine Kerosin-Alternative, hergestellt aus CO2 und Wasserstoff.

Die Vorteile der SAFs liegen für die Betreiber der Flugzeugflotten auf der Hand: Die für Kerosin bestehende Infrastruktur wird einfach weitergenutzt. Bis zu einem gewissen Grad bräuchte es nicht einmal eine Modifikation der Turbinen. Und zwar bei einer Mischung aus maximal 50 Prozent Bio-Kerosin und aus konventionellem Kerosin. Kommt ein größerer Anteil Bio-Sprit zum Einsatz, bedarf es Nachjustierung.

Ähnlich wie die Gewinnung von Wasserstoff stellen die Herstellungskosten bei den SAFs noch ein Problem dar. Die Anlagen für das Power-to-Liquid-Verfahren existieren zwar bereits. Aktuell ist das nachhaltige Kerosin jedoch etwa dreimal so teuer wie konventionelles. Die industrielle Herstellung im großen Maßstab erfordert erhebliche Investitionen. Und dagegen steht derzeit noch die Politik: Es gibt von dieser Seite kein klares Bekenntnis zu Synthetic Fuels. Was es jedoch gibt: In Deutschland ist Kerosin von der Energiesteuer befreit. Auf internationale Flüge erhebt der Staat zudem keine Mehrwertsteuer. Auch genügt das Aufkommen regenerativer Energien noch nicht: Aus einer Antwort des Bundesumweltministeriums auf eine Anfrage der Partei Die Linke geht hervor, dass für die Herstellung ausreichender Mengen synthetischen Kerosins derzeit mehr Strom notwendig wäre als deutsche Ökostromanlagen produzieren.

Mit CO2-Abscheidung zum emissionsfreien Flugverkehr

Marco Mazzotti, Professor für Verfahrenstechnik an der Eidgenössischen Technischen Hochschule Zürich (ETH), sagt mit Blick auf den Wasserstoffantrieb: „Wenn wir das schaffen, wäre dies grossartig! Aber das ist eine langfristige Perspektive, und wir müssen die Klimaauswirkungen des Flugverkehrs jetzt und sofort reduzieren“. Die Forscher der Hochschule haben in einer Studie Vorschläge erarbeitet, deren Umsetzung kurz- und mittelfristig umsetzbar sind. Die Konzepte wurden auch unter dem Aspekt der Wirtschaftlichkeit betrachtet.

So könne bei Weiterverwendung der bestehenden Antriebssysteme die Menge an ausgestoßenem CO2 über Abscheidungsanlagen aus der Atmosphäre wieder entnommen werden. Das CO2 würde dann eingelagert, oder weiterverwendet. Die Technik ist bereits soweit. In Island etwa nahm in diesem Jahr die weltweit größte Anlage, die Kohlendioxid direkt aus der Luft abscheidet und unterirdisch deponiert, ihren Betrieb auf. Zur Abscheidung von CO2 aus der Luft, wird diese zunächst per Ventilatoren über ein Absorptionsmittel geleitet. Dieses Mittel entzieht der Luft das Kohlenstoffdioxid. Im nächsten Schritt wird das gesammelte CO2 vom Absorptionsmittel wieder getrennt. Jetzt kann das hochkonzentrierte CO2 entweder weiterverwendet werden, etwa als Trockeneis zur Kühlung, als Kohlensäure in Getränken, oder etwa in Feuerlöschern.

Der Stoff kann aber auch dorthin verbracht werden, wo er herkommt – in den Boden. Dabei wird das Kohlenstoffdioxid mit Wasser vermischt und unterirdisch verpresst. Im Boden reagiert es mit Mineralien und bildet Karbonate – wird also zu einem festen kristallinen Stoff. So wird das CO2 langfristig im Boden gespeichert.

Zu sehen ist Dennis Merla

Fazit:

Der Flugverkehr wird in der Gesellschaft kritisch beäugt. Aus den Diskursen, ob etwa Kurzstreckenflüge mit dem Umwelt-Gewissen vereinbar sind, entstehen Begrifflichkeiten wie „Flugscham“. Der Flugverkehr ist ein Teil – unserer – Mobilität. Er ist ein Privileg. 90 Prozent der Weltbevölkerung sehen in ihrem Leben niemals ein Flugzeug von innen. Deshalb muss mit diesem Privileg verantwortungsbewusst umgegangen werden. Die Forschungsansätze wirken vielversprechend, brauchen aber noch Zeit. Zwischenlösungen, wie die der ETH Zürich, könnten die Umweltbelastung zumindest reduzieren.

Dennis | @MobilityTalk

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