Flug in die Zukunft

Zum Beispiel batterie-elektrische Antriebe, wie sie das norwegische Unternehmen Wideroe künftig in seinen Kleinflugzeugen einsetzen will: Es ist die einzige Antriebstechnik, die völlig emissionsfrei arbeitet – vorausgesetzt, der Energiespeicher wird mit elektrischem Strom aus erneuerbaren Quellen geladen. Norwegen ist dafür prädestiniert, denn in dem bergigen und regenreichen skandinavischen Land wird fast der gesamte Strombedarf durch Energie aus Wasserkraftwerken gedeckt.

450 Kilometer im Batteriebetrieb

An der vollelektrischen Zukunft der Luftfahrt versucht sich schon seit einigen Jahren eine Riege neu auf den Markt drängender Hersteller. Neben Tecnam entwickeln auch das schwedische Startup-Unternehmen Heart Aerospace und der amerikanisch-israelische Hersteller Eviation Kleinflugzeuge für Kurzstecken, die rein elektrisch fliegen sollen. Größter Kunde von Heart Aerospace ist die US-amerikanische Fluggesellschaft United Airlines, die im vergangenen Sommer 200 Maschinen vom Typ ES 19 gekauft hat. Das 19-sitzige E-Flugzeug, das 2026 erstmals ausgeliefert werden soll, hat eine Reichweite von 450 Kilometern und soll auf Zubringerflügen zu den wichtigsten Drehkreuzen eingesetzt werden.

Auch Eviation hat einen prominenten Kunden: Die Express-Sparte des deutschen Logistikkonzerns DHL will ab 2024 zwölf Maschinen vom Typ Alice einsetzen – ein Kleinflugzeug, das für 1,2 Tonnen Fracht und 800 Kilometer Reichweite pro Akku-Ladung konzipiert ist.

Doch die Entwicklungen beim batterie-elektrischen Fliegen sind allenfalls bescheidene Anfänge. Zum Vergleich: Ein gängiger Regionalflieger vom Typ ATR 72, ausgelegt für 70 Passagiere oder 7 Tonnen Fracht, fliegt mit einer Tankfüllung Kerosin etwa 1500 Kilometer weit.

Angesichts dieser Zahlen mögen Pläne der Billigfluggesellschaft Easyjet, in fünf Jahren für die Strecke London-Paris 180-sitzige Elektroflugzeuge einzusetzen, hochfliegend klingen. Zudem beschränken die vergleichsweise geringe Energiedichte von Batterien und das damit einhergehende hohe Gewicht den Einsatz vollelektrischer Antriebe nach heutigem Stand der Technik auf kleine Flugzeuge und kurze Strecken. Zum Vergleich: Kerosin speichert mit 12.000 Wattstunden pro Kilogramm Masse (Wh/kg) 30 Mal so viel Energie wie heutige Batterien, die auf maximal 400 Wh/kg kommen.

Doppelte Batteriekapazität möglich

Allerdings: Dieser Nachteil der elektrischen Antriebstechnik ist nicht in Stein gemeißelt. Vor allem in den Batteriesystemen steckt einiges an Optimierungspotenzial. Denn heutige Batterien bestehen zu nicht mal einem Drittel aus Speichermaterial. Den großen Rest machen neben dem Gehäuse Komponenten wie Folien, Kühlelemente, Betriebsstoffe, Tragstrukturen und Ummantelungen aus. Mithilfe einer anderen Zellchemie und innovativer Leichtbautechniken ließe sich die Energiedichte heutiger Batterien auf bis zu 800 Wh/kg verdoppeln, ist Jens Friedrichs überzeugt, der Leiter des Instituts für Flugantriebe und Strömungsmaschinen an der Technischen Hochschule Braunschweig und Sprecher des Exzellenz-Clusters für Nachhaltige und Energieeffiziente Luftfahrt: „Damit ließen sich Passagierflugzeuge mit 50 bis 60 Sitzen und einer Reichweite von etwa 1000 Kilometern antreiben.“ Mehr als das sei allerdings nicht drin.

Wasserstoff für längere Strecken

Für den Flugverkehr auf Mittel- und Langstrecken taugen Batterien also eher nicht. Für diese Distanzen gelten Wasserstoff und damit verknüpfte Technologien als Hoffnungsträger. Der große Vorteil von Wasserstoff: Das farb- und geruchlose Gas wiegt bei gleicher Energiedichte nur ein Drittel so viel wie Kerosin. Ein Wasserstoff-Flugzeug könnte also bei gleicher Reichweite weit höhere Nutzlasten transportieren als heutige Maschinen. Hinzu kommt: Spaltet man Wasserstoff durch Elektrolyse mittels regenerativ erzeugtem „Grünstrom“ aus Wasser ab, entsteht ein klimaschonender Energieträger, der weder im Betrieb noch bei der Erzeugung CO2 ausstößt.

Die Idee, Flugzeuge mit Wasserstoff anzutreiben, ist ein alter Hut, doch sie ist noch immer schwer umzusetzen. Denn der Hoffnungsträger hat auch seine Tücken. Beispielsweise ist sein Volumen unter atmosphärischen Bedingungen um ein Vielfaches größer als das von Kerosin. Entsprechend viel Platz wäre für die Tanks nötig. Doch an Bord eines Flugzeugs ist Platz knapp. Deshalb wird Wasserstoff, wenn er als Energiequelle für Flugzeugantriebe dient, bei minus 253 Grad Celsius verflüssigt und unter hohem Druck komprimiert. Dadurch rücken die Moleküle enger zusammen, die volumetrische Energiedichte erhöht sich, und das benötigte Tankvolumen schrumpft.

Die Konstruktion der Tanks ist anspruchsvoll, erläutert Jens Friedrichs: „Die Behälter müssen leicht sein, die Temperatur halten und hohem Innendruck widerstehen.“ Vor allem die kombinierte Belastung durch hohen Druck und schwankende Temperaturen bereitet den Konstrukteuren Kopfzerbrechen. Kugeltanks, deren Form ideal wäre, sind nur begrenzt vereinbar mit der aerodynamischen Bauweise heutiger Flugzeuge, deren Treibstoff in den Tragflächen lagert. Zudem fehlt es noch an zugelassenen Werkstoffen, die unter diesen Bedingungen die Haltbarkeit der Tanks über die übliche Betriebsdauer eines Flugzeugs garantierten, berichtet Friedrichs: „Doch das sind technische Probleme, die in den nächsten Jahren lösbar sind“, ist der Triebwerksexperte überzeugt.

Wasserstoff lässt sich in der Luftfahrt auf drei verschiedene Arten einsetzen: als Kerosin-Ersatz, der in umgerüsteten Gasturbinen direkt verbrennt, als Rohstoff, aus dem in Reaktion mit CO2 synthetisches Kerosin entsteht, oder als Energieträger, der sich mithilfe von Brennstoffzellen zu elektrischem Strom wandelt. Airbus hat für 2035 einen Wasserstoff-Jet angekündigt.

Ein Flugzeug nur aus Flügeln

Der europäische Hersteller will dafür zunächst mit drei Varianten experimentieren. Bei zweien davon verbrennen die Turbinen Wasserstoff direkt, und eine Brennstoffzelle liefert zusätzliche elektrische Energie. Die dritte Variante ist als sogenannter Nurflügler konzipiert, bei dem Antrieb, Treibstoff, Fracht und Cockpit innerhalb des Tragflügels untergebracht sind – eine Bauart, die Experten wie Jens Friedrichs als besonders gut geeignet für den höheren Platzbedarf der Wasserstoff-Anlagen halten.

Schon weiter ist man an der Universität Ulm. Dort entwickeln Forscher in Zusammenarbeit mit Kollegen am Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) gerade den weltweit ersten Brennstoffzellen-Antriebsstrang im Megawatt-Bereich, der bald 40- bis 60-sitzige Regionalflugzeuge auf Strecken bis zu 1000 Kilometer antreiben könnte. Er umfasst zwei Wasserstofftanks, das Brennstoffzellensystem, Elektromotoren sowie die Steuerungs- und Regelungstechnik. Das Herzstück des Antriebs ist die Brennstoffzelle, die aus getanktem Wasserstoff und zugeführter Luft den elektrischen Strom für die Motoren erzeugt.

Der für die Versorgung nötige Wasserstoff lagert in konisch geformten, vakuum-gedämmten Tanks von 3 Meter Länge und 1,30 Meter Durchmesser. „Wir nutzen Drucktanks aus der Raumfahrt“, berichtet Josef Kallo, Leiter des Instituts für Energiewandlung und -speicherung an der Universität Ulm und Professor am DLR-Institut für Technische Thermodynamik. Wegen des großen Platzbedarfs von Wasserstoff lege man den Rumpf größer aus als bei heutigen Flugzeugen üblich. Mit einem Prototyp rechnet der DLR-Wissenschaftler bereits für 2024, in Serie gehen soll die 1,5-Megawatt-Maschine 2030.

Kallo und sein Team können aus den Erfahrungen von 15 Jahren Entwicklungsarbeit schöpfen. Das weltweit erste bemannte Brennstoffzellen-Flugzeug, die DLR-H2, entwickelt vom DLR, hob erstmals am 7. Juli 2009 in Hamburg ab. Inzwischen hat mit der viersitzigen HY4, die am 29. September 2016 erstmals startete, bereits die sechste Generation des Antriebs den Jungfernflug hinter sich. Die HY4 fliegt – je nach Speichertechnik – 750 bis 1500 Kilometer weit. Angetrieben wird die Maschine von einem Hybridsystem, das Brennstoffzelle und Batterie kombiniert. Auf Batterien will Kallo allerdings künftig verzichten: „Sie sind zu schwer.“ Eine deutlich größer dimensionierte Brennstoffzelle soll Batterieunterstützung überflüssig machen.

Brennstoffzellen gelten im Mittelstreckenbereich als die im Vergleich zur direkten Verbrennung des Wasserstoffs elegantere Antriebsart: „Gasturbinen der Ein- bis Zwei-Megawattklasse haben Wirkungsgrade von nur 25 Prozent“, erläutert Kallo. „Heutige Brennstoffzellen kommen dagegen auf 45 Prozent.“ Und sie haben noch Optimierungspotenzial. Doch egal, ob Brennstoffzelle oder Direktverbrennung – Wasserstoff-Flugzeuge fliegen zwar ohne CO2-Ausstoß, jedoch keineswegs emissionsfrei oder gar klimaneutral. Denn bei beiden Antriebsarten reagiert Wasserstoff mit Luft. Das dabei entstehende Wasser entweicht als Dampf in die Atmosphäre und bildet dort klimarelevante Kondensstreifen – pro Energieeinheit sogar zweieinhalb Mal so viel wie bei der Verbrennung von Kerosin. Zudem werden bei einer Direktverbrennung in der Turbine aufgrund der hohen Temperaturen gesundheitsschädliche Stickoxide freigesetzt.

Hinzu kommt: Beide Antriebsarten eignen sich nur für den Einsatz im Mittelstrecken-Verkehr. Zwar kalkuliert das EU-Forschungsprojekt Clean Sky mit optimistischeren Reichweiten von bis zu 10.000 Kilometern, doch nach heutigem Wissensstand sind Transatlantikflüge mit Wasserstoff nicht möglich. Der größte von Airbus geplante Wasserstoff-Jet soll gerade mal eine Distanz von 3700 Kilometern schaffen. Für die Langstrecke müssen also andere Konzepte her.

Flugbenzin aus der Retorte

Mittelfristig führt der einzig realistische Weg über CO2-neutrales Kerosin, das synthetisch oder aus Biomasse erzeugt wird. Die unter dem Kürzel SAF (für „Sustainable Aviation Fuel“) bekannten Treibstoffe unterscheiden sich chemisch kaum von fossilem Kerosin und können wie dieses in herkömmlichen Flugzeug-Triebwerken verbrannt werden.

Beim Verbrennen von Treibstoffen aus Biomasse entsteht zwar CO2, jedoch nur so viel, wie die Energiepflanzen zuvor für ihr Wachstum aus der Atmosphäre gezogen haben. Kultiviert werden unter anderem Raps, Algen oder Ölpalmen. Wird allerdings für die Produktion von Palmöl Regenwald abgeholzt, dreht die Klimabilanz ins Katastrophale. Nachhaltig ist daher nur aus Rest- und Abfallstoffen wie Stroh, Gülle oder altem Speiseöl gewonnenes Kerosin. Dass Bio-Treibstoffe funktionieren, ist durch über 200.000 Flüge belegt, bei denen sie konventionellem Kerosin beigemischt wurden. Allerdings sind sie aktuell fünfmal so teuer wie fossiles Kerosin. Und die notwendigen Mengen für eine Umstellung der gesamten Luftfahrt dürften kaum produzierbar sein.

Die Hoffnung der Luftfahrtbranche ruht deshalb auf synthetisch erzeugtem Kerosin. Dafür spaltet man per Elektrolyse Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff. Reagiert der Wasserstoff anschließend mit CO2, entsteht unter anderem synthetisches Kerosin. Entzieht man der Atmosphäre das für die Reaktion nötige CO2, das beim Verbrennungsvorgang wieder frei wird, ist der CO2-Kreislauf geschlossen. Stammt zudem der Strom für die Elektrolyse aus erneuerbaren Quellen, ist das Kerosin weitgehend klimaneutral.

Das hört sich erstmal gut an, hat aber einen Pferdefuß: die hohen Verluste der Umwandlungskette von elektrischem Strom über Wasserstoff zu Kerosin. Nur etwa 40 Prozent der Ursprungsenergie kommen in der Turbine an, und maximal 60 Prozent davon werden dort in Antriebsenergie umgesetzt.

Hungrig nach grünem Strom

Das kann den Bedarf an Grünstrom in schwindelerregende Höhen treiben. In einem Szenario mit raschem Umstieg auf Wasserstoff-Antriebe rechnet das Clean-Sky-Projekt der EU für 2050 mit einem Bedarf der Luftfahrt an Strom aus erneuerbaren Quellen von 21 Petawattstunden (Billiarden Wattstunden) – der größte Teil davon für die Produktion synthetischen Kerosins. Das Szenario basiert auf Wachstumsraten für den Luftverkehr von jährlich vier Prozent. Zum Vergleich: 2014 betrug die gesamte globale Strom-Erzeugung 22 Petawattstunden.

Klar ist: Der Umstieg auf neue Antriebe und Treibstoffe kostet viel Geld. Und das ist nach der Corona-Krise knapp in der Luftfahrtbranche. Ab März 2020 brachen die Passagierzahlen ein wie noch nie. Jets verstaubten in den Hangars, Flugbegleiter und Piloten verloren ihre Jobs. Die Unternehmen mussten Milliardenverluste verkraften. Mit einem Minus von 138 Milliarden US-Dollar war 2020 das mit Abstand schlimmste Jahr in der Geschichte der Luftfahrt. Auch 2021 flogen die Airlines noch Verluste ein. Mit Gewinnen rechnen sie erst wieder 2023.

Da erscheint ein Szenario vernünftig, das die Internationale Energieagentur IEA durchgerechnet hat. Es geht davon aus, das Kurzstreckenflüge unter einer Stunde künftig entfallen und sich die Zahl der besonders klimaschädlichen Langstreckenflüge drastisch reduziert. Es ist das einzige der von der IEA betrachteten Szenarien, das mit dem Pariser Klimaabkommen einigermaßen vereinbar wäre.