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Zukunft der Luftfahrt

Klimafreundlicher auf 10.000 Metern

© Getty Images

12. Dezember 2019

Für den Urlaub nach Neuseeland, übers Wochenende nach Lissabon: Vom exklusiven Vehikel für Besser­verdiener sind Flug­reisen durch den Aufstieg der Billig­flieger längst zum Massen­transport­mittel geworden. Und mit den Passagier­zahlen wachsen auch die Klima­folgen. Batterien, Wasser­stoff und alternative Kraftstoffe sollen die Flieger sauberer machen.

Die Luftfahrt wächst und wächst: Seit 2009 sind die weltweiten Passagier­zahlen von rund 2,5 auf 3,3 Milliarden gestiegen, jährlich nimmt der Flug­verkehr um fast fünf Prozent zu – mit weit­reichenden Folgen für die Umwelt. Derzeit produziert der Flugverkehr 2,5 Prozent der welt­weiten CO2-Emissionen. Das klingt zunächst nach wenig. Aber da die Abgase in großer Höhe aus­gestoßen werden, wo sich ihre umwelt­schädigende Wirkung ungebremst entfaltet, kalkulieren Klima­forscher eher mit 5 bis 7,5 Prozent. Dass der Flug­verkehr sauberer werden muss, ist mittler­weile auch in der Branche angekommen, die sich neben schärferen Grenz­werten mit Flug­scham­debatten konfrontiert sieht. Bis 2050 will die europäische Luft­fahrt ihre Emissionen um 50 Prozent des Wertes von 2005 senken. Damit dieses Ziel erreicht wird, genügt eine Maßnahme alleine nicht, darüber sind sich die Experten einig.

Für kurze Strecken mit wenigen Passagieren können Elektro­flug­zeuge eine Alternative sein. Für lange Distanzen oder Waren­transporte sind ihre Batterien allerdings zu groß und zu schwer: Mehr als 50 Tonnen Batterien wären nötig, um etwa ein heutiges Passagier­flug­zeug wie den Airbus A320 mit seinen rund 200 Sitz­plätzen zu elektrifizieren, kalkuliert das Deutsche Zentrum für Luft- und Raum­fahrt – und selbst das würde laut den Experten des DLR nur für 20 Minuten Flug­zeit reichen. Kleinere E-Flugzeuge für den regionalen Einsatz und für bis zu zehn Passagiere werden dagegen welt­weit entwickelt. 200 Projekte von Flug­zeug­bauern, Airlines und Start-ups hat die Unternehmens­beratung Roland Berger aktuell gezählt.

Forschen an der nächsten Akkugeneration

Mittelfristig sollen die nächsten Akku­generationen elektrisches Fliegen in größerem Maße möglich machen, stellt Jens Friedrichs in Aussicht. Er ist Leiter des Instituts für Flug­­antriebe und Strömungs­maschinen und Sprecher des Exzellenz­clusters für nach­haltige und energie­effiziente Luft­fahrt an der TU Braunschweig. Batterien, etwa auf Basis von Lithium und Schwefel, könnten umwelt­freundlicher und ohne Entflammbar­keits­risiko produziert werden und dabei dreimal so viel Energie liefern wie heutige Lithium-Ionen-Akkus. Zumindest in der Theorie: Bis sie dieses Potenzial serien­mäßig in der Praxis entfalten können, müssen noch diverse technische Probleme gelöst werden. So sind beispiels­weise heutige Prototypen der Lithium-Schwefel-Akkus bislang deutlich weniger lang­lebig als moderne Batterien. „Konservativ kalkuliert können wir um 2035 bis 2040 mit der nächsten Batterie­generation rechnen“, so Friedrichs. Mit diesen Akkus ließen sich dann maximal 60 Flug­gäste über eine Distanz von bis zu 600 Kilometer elektrisch transportieren. Dazu genüge es aller­dings nicht, neue Motoren und Batterien in alte Flug­zeug­modelle einzubauen. „Wie bei aktuellen E-Autos müssen wir die Flugzeuge für den jeweiligen Antriebs­strang designen, um eine größt­mögliche Effizienz und Reich­weite zu erreichen“, betont der Ingenieur. Das erklärte Ziel: durch leichtere Materialien und verbesserte Aerodynamik den Energie­bedarf dieser und anderer Flugzeuge mittel­fristig um 40 bis 50 Prozent zu senken.

„Wir sollten den Luft­verkehr auf der Kurz­strecke möglichst stark reduzieren. Weil wir ihn aber nicht vollständig auf die Schiene verlagern können, brauchen wir hier auch Lösungen wie elektrische Flugzeuge.“

Jens Friedrichs, Leiter des Instituts für Flug­antriebe und Strömungs­maschinen (IFAS) an der TU Braunschweig

Der Vorteil der elektrischen Flieger: Betankt mit Strom aus Wind-, Sonnen- oder Wasser­kraft, pusten sie im Betrieb keinerlei Emissionen in die Atmos­phäre. Anders als die klassischen Flug­zeuge verursachen sie also auch keine indirekten Klima­schäden durch Stick­oxide, Ozon, Ruß, Kondens­streifen und Wolken­bildung in 10.000 Metern Höhe. Ein deutlicher Fortschritt zu gegen­wärtigen Systemen: „Mit heutigen Flugzeugen Distanzen bis 700 Kilo­metern zu fliegen ist ökologisch keine gute Idee“, erklärt Friedrichs. Denn gerade bei Start und Steig­flug sind die Flieger besonders energie­hungrig und setzen über­durch­schnittlich viele Emissionen frei. „Wir sollten den Luft­verkehr auf der Kurz­strecke möglichst stark reduzieren. Weil wir ihn aber nicht vollständig auf die Schiene verlagern können, brauchen wir hier auch Lösungen wie elektrische Flugzeuge.“

Mit Wasserstoff in die Luft

Auf kurzen und mittleren Distanzen könnten zukünftig auch Brenn­stoff­zellen­flug­zeuge starten. Wasserstoff wird dabei in der Brenn­stoff­zelle in elektrische Energie umgewandelt, mit der wiederum E-Motoren angetrieben werden. Da Wasser­stoff deutlich mehr Energie pro Kilo­gramm speichert als aktuelle Akkus, erlaubt er größere Reich­weiten. Und wird er mit regenerativem Strom erzeugt, kommt aus den Flug­zeug­düsen nur Wasser­dampf. Wenn es nach den Forschern des DLR in Stuttgart geht, könnten Wasser­stoff­flug­zeuge in gut 15 Jahren bis zu 80 Passagiere bei einer Geschwindigkeit zwischen 550 bis 600 Stunden­kilometern und auf Distanzen von bis zu 2.000 Kilo­metern im Linien­verkehr transportieren. Das kalifornische Unternehmen ZeroAvia will bereits ab 2022 Flug­zeuge für maximal 20 Passagiere und Strecken bis zu 800 Kilometern mit einem Brenn­stoff­zellen­antrieb ausstatten. Eine der technischen Heraus­forderungen besteht darin, dass Brenn­stoff­zellen in großer Höhe mit dünner Luft und wenig Sauer­stoff ebenso zuverlässig arbeiten müssen wie auf dem Boden und in allen anderen Höhen­lagen – Probleme, mit denen sich Auto­konstrukteure auf dem Erdboden nicht herum­schlagen müssen. Für Jens Friedrichs wäre der Wasser­stoff­antrieb selbst für Lang­strecken­flüge wie etwa von München nach Hongkong die präferierte Form. „Dazu benötigen wir allerdings andere Flug­zeuge“, meint der Luft­verkehrs­experte. Denn in einem Kilo­gramm flüssigem Wasser­stoff steckt zwar fast dreimal so viel Energie wie in einem Kilo Kerosin. Er braucht dafür jedoch deutlich mehr Platz, sprich erheblich größere Tanks. Und die könnten nicht mehr wie bislang in den Trag­flächen der Flieger unter­gebracht werden.

Innovative Flugzeugkonzepte für mehr Effizienz

Sogenannte Blended-Wing-Body-Flugzeuge würden für Friedrichs hier eine viel­versprechende Lösung darstellen. Anders als bei der heutigen Rohr-mit-Flügel-Bauweise geht der flunder­artig abgeflachte Rumpf fließend in die Trag­flächen über und trägt seiner­seits zum Auftrieb bei. „Solche Flug­zeug­konstruktionen sind sehr aero­dynamisch und bieten viel Volumen, um Passagiere, Fracht und eben Wasser­stoff zu transportieren“, erklärt der Ingenieur. Boeing und NASA haben ein solches Flug­zeug bereits zwischen 2012 und 2013 getestet. Die Unter­nehmen konnten anhand der Tests nach­weisen, dass es sich ebenso steuern lässt wie ein konventioneller Flieger und dabei leiser und mit weniger Sprit unterwegs ist.

Die TU Delft entwickelt derzeit mit Unter­stützung der nieder­ländischen Fluglinie KLM einen kleineren Proto­typ einer Blended-Wing-Body-Maschine. Das Modell Flying-V soll in voller Größe mit über 300 Sitz­plätzen so viele Passagiere transportieren wie die europäische Lang­strecken­maschine A350 und dabei rund 20 Prozent weniger Kerosin verbrauchen. Doch Entwicklungen in der Luft­fahrt sind kost­spielig und extrem lang­wierig. Bis solche Flugzeuge designt, zugelassen und gebaut sind und auch mit Wasser­stoff von den Flug­häfen starten, werden noch Jahr­zehnte ins Land gehen.

Neues Kerosin in alten Flugzeugen?

Kurzfristiger sollen alternative Kraft­stoffe auf den Lang­strecken helfen: Biokerosin, das etwa aus Rapsöl, Algen oder Abfällen gewonnen wird, oder synthetischer Treib­stoff, der mit regenerativem Strom und CO2 erzeugt wird. Die Treib­stoff­alternative gilt unter den Flug­gesellschaften als die attraktivste Variante. Schließlich lässt sie sich als sogenannte Drop-in-Lösung einfach anstelle oder gemischt mit konventionellem Kerosin nutzen. Flugzeuge und Tank­infra­struktur ließen sich also weiter­hin betreiben. Biokerosin können Passagiere als Beimischung bei Fluglinien wie SAS, KLM oder Lufthansa bereits gezielt ordern – gegen einen Auf­preis aufs Ticket. Geliefert wird es am Flughafen Oslo von der finnischen Firma Neste. Der welt­größte Hersteller von Bio­kerosin produziert aktuell 100.000 Tonnen pro Jahr. Anders als bei Bio­kraft­stoffen der ersten Generation werden dem Unternehmen zufolge dafür kein oder kaum Raps, Mais, Palmöl oder andere Nahrungs­pflanzen verwendet. Das Biokerosin wird vielmehr zu 80 Prozent aus Abfällen und Rest­stoffen gewonnen, so Neste. Im Flug­betrieb könne es die CO2-Emissionen gegenüber herkömmlichem Kerosin um bis zu 80 Prozent reduzieren.

Momentan ist es allerdings noch rund dreimal so teuer. Größere Produktions­anlagen sollen den Preis bis auf die doppelte Höhe von klassischem Kerosin reduzieren. Neste plant in Singapur eine Raffinerie mit einer Kapazität von einer Million Tonnen pro Jahr. Doch selbst das ist bloß ein Tropfen im Fass der fast 300 Tonnen Kerosin, die jährlich welt­weit verflogen werden. Zwar lassen sich die Produktions­kapazitäten relativ schnell, aber nur eingeschränkt steigern. Denn die Menge an Ölresten und Pflanzen­abfällen ist begrenzt, und aus Stroh und Holz lässt sich Biokerosin noch nicht wirtschaftlich produzieren. Der Hoffnungs­träger Alge wiederum braucht kein Acker­land, jedoch sind große Flächen für die Kultivierung und weitere Forschung nötig, um sein Potenzial für die Treib­stoff­gewinnung zu heben. Für den Flug­verkehrs­experten Jens Friedrichs spielt der Biosprit daher vor allem als kurzfristig verfügbarer Brücken­kraft­stoff eine wichtige Rolle: „Als Beimischung zwischen zehn bis 20 Prozent zu konventionellem Kerosin bietet er die schnelle Möglichkeit, die CO2-Emissionen von bestehenden Flug­zeugen zumindest anteilig zu reduzieren, bis neue Flug­zeuge designt, zugelassen und produziert sind.“

Ökostrom + Wasser + CO2 = Synfuels

Der zweite Hoffnungsträger für eine umwelt­freundlichere Tank­füllung steckt noch etwas tiefer in den Kinder­schuhen, wird aller­dings mittler­weile gemein­hin als der lang­fristig viel­versprechendere Kandidat gehandelt: synthetische Kerosine, die auf unter­schiedlichen Wegen produziert werden können. Beim Power-to-Liquid-Verfahren – kurz PtL – wird mithilfe von erneuerbarem Strom durch Elektrolyse aus Wasser Wasser­stoff gewonnen. Danach wird durch Zugabe von CO2 aus der Luft synthetisches Öl hergestellt, das wiederum zu künstlichem Kerosin weiter­verarbeitet werden kann. Wenn eine Flug­zeug­turbine diesen Kraft­stoff verbrennt, wird das vorher gebundene CO2 wieder frei­gesetzt – und weil dieses eben aus der Luft und nicht wie im Erdöl aus dem Boden stammt, wird die Atmos­phäre nicht mit zusätzlichem Kohlen­dioxid belastet. Deshalb gilt das künstliche Kerosin als CO2-neutral. Bislang werden die sogenannten Synfuels allerdings nur in Pilot­anlagen in kleinem Maß­stab produziert, etwa von der Firma Sunfire in Dresden, die seit gut zehn Jahren das Verfahren weiter­entwickelt. Das Co-Elektrolyse-Modul der Sachsen soll zukünftig im Projekt von Nordic Blue Crude zum Einsatz kommen. Das Cleantech-Unternehmen plant im norwegischen Industrie­park Herøya die erste Groß­anlage. Ab Ende 2021 sollen hier in einem ersten Schritt zehn Millionen Liter – das sind 8.000 Tonnen – synthetisches Erdöl produziert werden. Mit der Erfahrung der ersten Ausbau­stufe im Rücken will Nordic Blue Crude die Produktions­kapazitäten verzehnfachen. Lang­fristig sind zehn identische Anlagen in Skandinavien anvisiert.

Preislich fällt der synthetische Kraftstoff noch einmal teurer aus als das Kerosin aus Biomasse. Unter zwei Euro pro Liter veranschlagt Nordic Blue Crude für den künstlichen Erd­öl­ersatz. Rohöl wird dagegen heute für rund 36 Cent den Liter gehandelt.

Quotenlösung für alternativen Kraftstoff?

Um den Markt für synthetisches Kerosin in Deutschland anzuschieben, fordert der Branchen­verband Aireg, in dem abgesehen von Synfuels-Produzenten wie Sunfire auch Mineral­öl­konzerne wie BP, der Flug­zeug­bauer Airbus und diverse Forschungs­ein­richtungen vertreten sind, neben einer staatlich finanzierten Pilotanlage und Subventionen eine Quote für nach­haltigen Treib­stoff. Ab 2021 sollen Airlines in Deutschland verpflichtend zwei Prozent Bio- oder synthetisches Kerosin beimischen, ab 2030 dann 20 Prozent. In Norwegen ist eine solche Quote bereits gesetzlich konkretisiert: Ab Januar 2020 muss dort jeder Passagier­jet alternatives Kerosin tanken – wenn zunächst auch nur in einer Beimischung von einem halben Prozent. In zehn Jahren soll der Anteil dann bei 30 Prozent liegen. Das Nachbar­land Schweden verfolgt ähnliche Pläne.

Mit einer größeren Nachfrage und der wachsenden Produktion dürften die Preise für synthetisches Kerosin sinken. Bleibt der enorme Strom­hunger des E-Treibstoffs. Würde man alle Flugzeuge, die hierzulande abheben, mit Synfuels betanken, müsste man den gesamten Strom aus Wind, Sonne und Wasser in Deutschland dafür einsetzen, rechnet Jakob Graichen vom Öko-Institut e.V. im Deutschlandfunk vor. Auch für Jens Friedrichs von der TU Braunschweig sind die Synfuels sinnvoll, aber grund­sätzlich der teuerste Kraftstoff in Sachen Kosten- und Energie­bedarf. „Die Kilo­watt­stunde Strom fließt über die Speicherung in der Batterie quasi direkt in den Antrieb. Um flüssigen Wasser­stoff zu erzeugen, benötigt man mehr als die zweifache Energie und noch einmal die doppelte Menge, um daraus synthetisches Kerosin herzustellen“, erläutert der Luft­fahrt­experte. Und auch die CO2-Neutralität des Verfahrens liege bloß auf dem Papier bei 100 Prozent. „Wird das Kohlen­dioxid aus künstlichem Kerosin in 12.000 Meter Höhe freigesetzt, hat es dort eine andere Klima­wirkung als hier am Boden, wo ich es vorher eingesammelt habe“, gibt Friedrichs zu bedenken. „Deshalb sollten wir synthetische Kraftstoffe tatsächlich nur dort verwenden, wo es nicht anders geht, und ansonsten auf Batterie und Wasserstoff setzen.“

„Wird das Kohlen­dioxid aus künstlichem Kerosin in 12.000 Meter Höhe freigesetzt, hat es dort eine andere Klima­wirkung als hier am Boden.“

Jens Friedrichs, Leiter des Instituts für Flug­antriebe und Strömungs­maschinen (IFAS) an der TU Braunschweig

Weil die optimale Lösung, die allen Faktoren gerecht wird, nicht in Sicht ist, liegt die Marsch­route für Friedrichs auf der Hand: „Wir müssen alle Ansätze und Energie­routen mit gleicher Intensität weiter­verfolgen. Wir brauchen den politischen Support, um eine Wasser­stoff­infra­struktur auf dem Boden aufzubauen. Die benötigen wir neben der Brenn­stoff­zelle schließlich auch als Vorstufe für den synthetischen Kraftstoff“, fordert der Experte. Von der lieb gewonnenen Standardisierung der letzten Dekaden müsse sich die Luftfahrt künftig verabschieden und sich auf optimale Flug­zeuge mit verschiedenen Antriebs­arten für unter­schiedliche Distanzen und Einsatz­zwecke einstellen. Dabei könnten zwar einzelne Länder mit technologischen und politischen Weichen­stellungen auf nationaler Ebene vorpreschen. An inter­nationalen Vereinbarungen führe jedoch kein Weg vorbei, damit heimische Flug­gesellschaften durch stärkere Umwelt­auflagen gegenüber der Konkurrenz nicht ins Hinter­treffen geraten und Flug­zeuge überall bei der Landung die nötige Tank- und Lade­infra­struktur vorfinden, sagt Jens Friedrichs. „Globaler Luft­verkehr braucht welt­weite Lösungen – und für die forschen wir aktuell.“

 

*CC BY-ND 2.0

ZUR PERSON

Jens Friedrichs ist Leiter des Instituts für Flug­antriebe und Strömungs­maschinen (IFAS) an der Technischen Universität Braunschweig. Im Exzellenz­cluster „Sustainable and Energy Efficient Aviation“ erforscht der Ingenieur mit Wissenschaftlern anderer Disziplinen und Hochschulen, wie ein nach­haltiger und umwelt­freundlicher Luft­verkehr gestaltet werden könnte.