Elektrische Luftfahrt: Noch sind die Batterien zu schwer

psi. Dieses Interview erschien zuerst am 19. September 2022 bei The Conversation. Infosperber hat es im Rahmen der Creative Commons-Lizenz übersetzt.

Elektroflugzeuge mögen futuristisch erscheinen, aber zumindest für kurze Strecken dürften sie bald eingesetzt werden. Zweisitzige Velis Electros schwirren bereits leise durch Europa, elektrische Wasserflugzeuge werden in British Columbia getestet, und grössere Flugzeuge sind im Kommen. Air Canada kündigte am 15. September 2022 den Kauf von 30 Elektro-Hybrid-Regionalflugzeugen des schwedischen Unternehmens Heart Aerospace an, das sein 30-sitziges Flugzeug bis 2028 in Betrieb nehmen will. Analysten des U.S. National Renewable Energy Lab stellen fest, dass das erste hybrid-elektrische 50- bis 70-sitzige Pendlerflugzeug nicht lange danach fertig sein könnte. In den 2030er Jahren, so sagen sie, könnte die elektrische Luftfahrt wirklich abheben.

Etwa 3 Prozent der weltweiten Emissionen stammen heute aus dem Luftverkehr, und da mit dem Bevölkerungswachstum mehr Passagiere und Flüge erwartet werden, könnte der Luftverkehr bis 2050 drei- bis fünfmal mehr Kohlendioxidemissionen verursachen als vor der COVID-19-Pandemie.

Die Luft- und Raumfahrtingenieurin und Assistenzprofessorin Gökçin Çınar entwickelt an der University of Michigan nachhaltige Luftfahrtkonzepte, darunter Hybrid-Elektroflugzeuge und Wasserstoff als Kraftstoff. The Conversation befragte sie zu den wichtigsten Möglichkeiten, die Emissionen in der Luftfahrt zu senken, und zur Entwicklung von Technologien wie Elektrifizierung und Wasserstoff.

Warum ist es so schwierig, die Luftfahrt zu elektrifizieren?

Flugzeuge gehören zu den komplexesten Fahrzeugen überhaupt, aber das grösste Problem bei ihrer Elektrifizierung ist das Gewicht der Batterien.

Würde man versuchen, eine 737 mit den heutigen Batterien vollständig zu elektrifizieren, müsste man alle Passagiere und die Fracht herausnehmen und den Platz mit Batterien füllen, nur um eine Stunde lang zu fliegen.

Flugzeugtreibstoff kann im Vergleich zu Batterien etwa 50 Mal mehr Energie pro Masseneinheit speichern. Man kann also 1 Pfund Kerosin oder 50 Pfund Batterien verwenden. Um diese Lücke zu schliessen, müssen wir entweder Lithium-Ionen-Batterien leichter machen oder neue Batterien entwickeln, die mehr Energie speichern. Neue Batterien werden derzeit entwickelt, sie sind aber noch nicht für Flugzeuge geeignet. Eine elektrische Alternative sind Hybride.

Auch wenn wir vielleicht nicht in der Lage sind, eine 737 vollständig zu elektrifizieren, können wir durch den Einsatz von Hybrid-Antriebssystemen in grösseren Flugzeugen den Treibstoffverbrauch reduzieren. Wir versuchen, dies kurzfristig zu erreichen, mit einem Ziel für 2030–2035 für kleinere Regionalflugzeuge. Je weniger Treibstoff während des Fluges verbrannt wird, desto weniger Treibhausgasemissionen entstehen.

Wie trägt die Hybridluftfahrt zur Verringerung der Emissionen bei?

Hybrid-Elektroflugzeuge sind ähnlich wie Hybrid-Elektroautos, da sie eine Kombination aus Batterien und Flugkraftstoff verwenden. Das Problem ist, dass es in keiner anderen Branche die Gewichtsbeschränkungen der Luft- und Raumfahrtindustrie gibt. Deshalb müssen wir uns sehr genau überlegen, wie und in welchem Umfang wir das Antriebssystem hybridisieren.

Der Einsatz von Batterien zur Energieunterstützung beim Start und im Steigflug ist eine vielversprechende Option. Das Rollen zur Startbahn mit reinem Elektroantrieb könnte ebenfalls eine beträchtliche Menge Treibstoff einsparen und die lokalen Emissionen an Flughäfen reduzieren. Es gibt einen kritischen Punkt zwischen dem zusätzlichen Gewicht der Batterie und der Menge an Strom, die man verwenden kann, um einen Netto-Kraftstoffvorteil zu erzielen. Dieses Optimierungsproblem steht im Mittelpunkt meiner Forschung.

Hybride würden während des Fluges immer noch Treibstoff verbrauchen. Aber es könnte deutlich weniger sein, als wenn man sich ausschliesslich auf Kerosin verliesse.
Ich sehe die Hybridisierung als mittelfristige Option für grössere Jets, aber als kurzfristige Lösung für Regionalflugzeuge.

In den Jahren 2030 bis 2035 konzentrieren wir uns auf Hybrid-Turboprop-Flugzeuge, typischerweise Regionalflugzeuge mit 50 bis 80 Passagieren oder für den Frachtverkehr. Diese Hybride könnten den Treibstoffverbrauch um etwa 10 Prozent senken.

Mit Elektro-Hybridflugzeugen könnten die Fluggesellschaften auch mehr Regionalflughäfen nutzen, wodurch sich die Überlastung und die Zeit, die grössere Flugzeuge im Leerlauf auf der Startbahn verbringen, verringern würden.

Was erwarten Sie in nächster Zeit von der nachhaltigen Luftfahrt?

Kurzfristig werden wir einen verstärkten Einsatz nachhaltiger Flugkraftstoffe (SAF) sehen. Bei den heutigen Triebwerken kann man nachhaltigen Flugkraftstoff in denselben Tank kippen und verbrennen. Kraftstoffe aus Mais, Algen, Ölsaaten und anderen Fetten werden bereits verwendet.

Nachhaltige Flugkraftstoffe können die Netto-Kohlendioxidemissionen eines Flugzeugs um etwa 80 Prozent reduzieren, aber das Angebot ist begrenzt, und die Verwendung von mehr Biomasse für Kraftstoff könnte mit der Nahrungsmittelproduktion konkurrieren und zur Abholzung von Wäldern führen.

Eine zweite Möglichkeit ist die Verwendung synthetischer nachhaltiger Flugkraftstoffe, bei der Kohlenstoff aus der Luft oder anderen industriellen Prozessen abgeschieden und mit Wasserstoff synthetisiert wird. Dies ist jedoch ein komplexer und kostspieliger Prozess, der noch nicht in grossem Massstab durchgeführt werden kann.

Die Fluggesellschaften können ihren Betrieb auch kurzfristig optimieren, zum Beispiel indem sie ihre Flugrouten so planen, dass sie nicht mit fast leeren Flugzeugen fliegen. Auch das kann die Emissionen reduzieren.

Ist Wasserstoff eine Option für die Luftfahrt?

Wasserstoff als Kraftstoff gibt es schon sehr lange, und wenn es sich um grünen Wasserstoff handelt – der mit Wasser und Elektrolyse aus erneuerbaren Energien hergestellt wird – entsteht kein Kohlendioxid. Ausserdem kann er mehr Energie pro Masseneinheit speichern als Batterien.

Es gibt zwei Möglichkeiten, Wasserstoff in einem Flugzeug zu verwenden: entweder anstelle von regulärem Düsentreibstoff in einem Triebwerk oder in Kombination mit Sauerstoff zum Betrieb von Wasserstoff-Brennstoffzellen, die dann Strom für den Antrieb des Flugzeugs erzeugen.

Das Problem ist das Volumen – Wasserstoffgas braucht viel Platz. Deshalb suchen die Ingenieure nach Methoden, wie man ihn sehr kühl halten kann, damit er als Flüssigkeit gespeichert werden kann, bis er als Gas verbrannt wird. Wasserstoff braucht immer noch mehr Platz als Kerosin, und die Lagertanks sind schwer, so dass noch an der Lagerung, Handhabung und Verteilung in Flugzeugen geforscht wird.

Airbus forscht intensiv an der Wasserstoffverbrennung mit modifizierten Gasturbinentriebwerken auf der A380-Plattform und will bis 2025 über eine ausgereifte Technologie verfügen. Die australische Fluggesellschaft Rex will in den nächsten Jahren mit der Erprobung eines 34-sitzigen, wasserstoffelektrischen Flugzeugs für Kurzstrecken beginnen. Aufgrund der Vielfalt der Möglichkeiten sehe ich Wasserstoffantrieb als eine der Schlüsseltechnologien für eine nachhaltige Luftfahrt.

Werden diese Technologien in der Lage sein, die Ziele der Luftfahrtindustrie bei der Reduzierung der Emissionen zu erreichen?

Das Problem mit den Emissionen im Luftverkehr ist nicht das derzeitige Niveau, sondern die Befürchtung, dass die Emissionen bei steigender Nachfrage rasch zunehmen werden. Bis 2050 könnten die Kohlendioxidemissionen des Luftverkehrs drei- bis fünfmal so hoch sein wie vor der Pandemie.
Die Internationale Zivilluftfahrt-Organisation (ICAO), eine Einrichtung der Vereinten Nationen, legt die Ziele der Branche im Allgemeinen fest und prüft, was machbar ist und wie der Luftverkehr die Grenzen verschieben kann.

Ihr langfristiges Ziel ist es, die Netto-Kohlendioxidemissionen bis 2050 um 50 Prozent gegenüber dem Stand von 2005 zu senken. Um dieses Ziel zu erreichen, ist ein Mix aus verschiedenen Technologien und Optimierungen erforderlich. Ich weiss nicht, ob wir dieses Ziel bis 2050 erreichen können, aber ich glaube, dass wir alles tun müssen, um die Luftfahrt der Zukunft umweltverträglich zu gestalten.