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Zukunft der LuftfahrtWasserstoff könnte Kerosin ersetzen

Damit der Flugverkehr umweltfreundlicher wird, denken Forscher über neue Antriebe für Passagiermaschinen nach.

Forscher am Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt tüfteln am Flugzeugantrieb der Zukunft.
Forscher am Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt tüfteln am Flugzeugantrieb der Zukunft.
Foto: DLR

Gerade einmal 2,8 Prozent der weltweiten Kohlendioxidemissionen gehen auf das Konto des Luftverkehrs. Und doch sind Flugzeuge ein entscheidender Knackpunkt bei den Massnahmen gegen den Klimawandel. Schliesslich werden die wenigsten Menschen bereit sein, für eine Reise nach Neuseeland, Südamerika oder Japan mehr als zwei Wochen für die Hin- und Rückreise auf einem Schiff zu verbringen. Selbst Urlaubsflüge auf die Kanarischen Inseln, nach Tunesien und in die Türkei oder nach Mallorca dürften in der Nach-Covid-19-Zeit kaum durch tagelange Kombinationen von Zügen und Fähren ersetzt werden.

Viel realistischer scheinen die Überlegungen von Johannes Hartmann vom Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) in Hamburg, in einem Flugzeug der Zukunft verschiedene klimaschonende Antriebe zu kombinieren. Eine solche Möglichkeit könnten zum Beispiel mit Wasserstoff arbeitende Brennstoffzellen für den Reiseflug auf Strecken bis 2000 Kilometer sein, während ebenfalls mit Wasserstoff betriebene Gasturbinen den nötigen Schub für den Start liefern.

45 DLR-Forscher nehmen im Projekt Exact (Exploration of Electric Aircraft Concepts and Technologies) aus einem triftigen Grund die Reichweite von 2000 Kilometern besonders ins Visier: «Lang- und Mittelstreckenflüge waren 2018 weltweit jeweils für etwa die Hälfte der Kohlendioxidemissionen des Flugverkehrs verantwortlich, bei einer Entfernung von knapp 2000 Kilometern gab es einen deutlichen Peak», erklärt Exact-Projektleiter Johannes Hartmann. Ein Flugzeug mit mindestens 70 Passagieren, das mit dieser Reichweite klassische Strecken wie von Zürich nach Barcelona, Rom oder Athen möglichst klimaneutral bedient, wäre also besonders wichtig und könnte die beiden mit Abstand wichtigsten derzeitigen Flugzeugfamilien um den Airbus A320 und die Boeing 737 ersetzen.

Brennstoffzellen haben sehr guten Wirkungsgrad

Bisher entwickelten die Hersteller solche Flugzeuge vor allem mit Blick auf die Kosten, erst danach schauten sie auf die Auswirkungen auf das Klima. Das DLR kehrt dieses Prinzip jetzt um: «In gerade einmal vier Jahren wollen wir Konzepte für Flugzeuge mit verschiedenen hybrid-elektrischen Antrieben untersuchen», sagt Johannes Hartmann. Die Kombination von Brennstoffzellen und Gasturbinen, die beide mit Wasserstoff betrieben werden, ist dabei besonders erfolgversprechend.

Brennstoffzellen haben einen sehr guten Wirkungsgrad und setzen etwa 50 bis 60 Prozent der im Wasserstoff steckenden Energie in Antrieb um. Das reicht nicht nur, um eine Maschine auf dem Rollfeld anzutreiben, sondern auch für den Reiseflug.

Erfolgversprechend: Wasserstoff-Brennstoffzelle im Labor des Instituts für Technische Thermodynamik.
Erfolgversprechend: Wasserstoff-Brennstoffzelle im Labor des Instituts für Technische Thermodynamik.
Foto: DLR

Beim Start und im Steigflug aber braucht ein Flugzeug erheblich mehr Schub, um erst einmal auf die angestrebte Reisehöhe zu kommen. Diesen wiederum könnten zwei Gasturbinen liefern, die heutigen Triebwerken stark ähneln, aber an den Betrieb mit Wasserstoff angepasst werden müssten. Im Vergleich mit Brennstoffzellen haben heutige Flugzeugturbinen zwar mit 30 bis 40 Prozent einen erheblich schlechteren Wirkungsgrad, der sich aber ein wenig verbessern lässt, wenn die Ingenieure die Triebwerke nicht als Allrounder, sondern speziell für die beim Start benötigte Leistung auslegen. «Solche Gasturbinen könnten auch bei der Landung mitlaufen, um zum Beispiel ein Durchstarten zu ermöglichen, wenn auf der Landebahn unerwartet ein Hindernis auftauchen sollte», erklärt DLR-Forscher Johannes Hartmann.

Turboprop-Maschinen fliegen in geringeren Flughöhen, in denen keine Kondensstreifen entstehen.

Johannes Hartmann, DLR

Eine weitere Komponente im Antriebsmix könnte ein Turboprop-Antrieb sein, bei dem eine mit Wasserstoff betriebene Gasturbine einen Propeller antreibt. Diese Flugzeuge fliegen allerdings mit vielleicht 800 Kilometern pro Stunde ein wenig langsamer. Dadurch dauert ein Flug über 1500 oder 2000 Kilometer dann vielleicht 15 oder 20 Minuten länger. Gleichzeitig aber sinkt der Treibstoffverbrauch erheblich. «Ausserdem fliegen Turboprob-Maschinen in geringeren Flughöhen unter 29000 Fuss (8800 Meter), in denen keine Kondensstreifen entstehen, die ebenfalls das Klima ein wenig aufheizen können», erklärt Johannes Hartmann weiter.

Der jeweils benötigte Wasserstoff kann zum Beispiel aus Windkraft- oder Solarstrom ohne Kohlendioxidemissionen mit einer altbekannten Technik aus Wasser hergestellt werden. Ein Flugzeugtank müsste allerdings noch entwickelt werden. Dafür gibt es im Prinzip zwei Möglichkeiten: Man könnte das extrem voluminöse Gas mit einem sehr hohen Druck von 700 bar zusammenpressen. Nur wäre ein solcher Drucktank zehn- bis zwanzigmal schwerer als der in ihm transportierte Wasserstoff und kommt daher für den Flugverkehr kaum infrage.

Ein Liter Kerosin enthält die gleiche Energie wie vier Liter Wasserstoff. Ein Flugzeug des DLR während einer Lärmmessung am Flughafen Zürich.
Ein Liter Kerosin enthält die gleiche Energie wie vier Liter Wasserstoff. Ein Flugzeug des DLR während einer Lärmmessung am Flughafen Zürich.
Foto: Ennio Leanza/Keystone

Erheblich leichter ist dagegen eine Isolierung, in der Wasserstoff bei extrem niedrigen Temperaturen von minus 252 Grad Celsius als Flüssigkeit schwimmt. Solche Tanks hätten zwar für Autos einen Riesennachteil, weil erhebliche Mengen des Wasserstoffs verdampfen, wenn das Fahrzeug ein paar Tage unbenutzt auf dem Parkplatz steht. Bei Flugzeugen spielt dieser Verlust kaum eine Rolle, weil sie ohnehin erst kurz vor dem Start betankt werden.

Allerdings steckt in einem Liter heutigen Kerosins die gleiche Energie wie in vier Litern des flüssigen Wasserstoffs (Wasserstoff ist etwa 12-mal leichter als Kerosin). Also müssten die Tanks und damit auch das Flugzeug erheblich grösser werden. Dadurch steigt natürlich auch der Luftwiderstand. Das wiederum spielt auf Strecken bis zu 2000 Kilometern kaum eine Rolle. Auf Langstrecken aber müssen Flugzeuge viel mehr Treibstoff mitnehmen, und das Volumen von Tanks und Jets steigt stark an. Dadurch nimmt der Luftwiderstand und damit der Treibstoffverbrauch enorm zu – flüssiger Wasserstoff bringt auf der Langstrecke also einen deutlichen Nachteil.

Klimaneutrale Treibstoffe aus Solarenergie, Wasser und Kohlendioxid

Als Alternative kommen für den Flug von Zürich nach New York oder nach Südamerika daher aus heutiger Sicht auch synthetische Treibstoffe infrage, die ähnlich wie Kerosin aussehen, aber klimaneutral aus Solarenergie, Wasser und Kohlendioxid aus der Luft hergestellt werden. Auch an diesem Kerosin der Zukunft arbeitet das DLR bereits in anderen Projekten.

Aus dem Rennen ist flüssiger Wasserstoff auf der Langstrecke aber keineswegs. So können Ingenieure den steigenden Luftwiderstand durch Änderungen im Design des Flugzeugs und weitere Massnahmen erheblich verringern. Vor allem aber hat flüssiger Wasserstoff auch einen deutlichen Vorteil gegenüber Kerosin und wohl auch synthetischem Treibstoff: Ein Kilogramm enthält die gleiche Energie wie 2,8 Kilogramm heutigen Kerosins. Das aber ist gerade auf der Langstrecke besonders wichtig, weil heute allein der Treibstoff 40 Prozent des Startgewichts eines Jets stellt. Auch in der Gesamtbilanz hat Wasserstoff gegenüber synthetischen Treibstoffen die Nase klar vorn, weil deren Herstellung oft viel mehr Energie als die Produktion von Wasserstoff verschlingt.

Johannes Hartmann und seine Kollegen im Projekt Exact nehmen aber auch noch weitere Alternativen und Kombinationen sowie deren Auswirkungen auf die Flughäfen der Zukunft und ihre Infrastruktur, auf die Wartung der Maschinen und nicht zuletzt auf die Kosten für Airlines und Passagiere auf der 2000-Kilometer-Strecke unter die Lupe. Sollte sich auf der Kurz- und der Mittelstrecke langfristig der aus heutiger Sicht besonders geeignete Wasserstoff durchsetzen, würde das auch die Langstrecke beeinflussen: Schliesslich wollen die Betreiber daneben möglichst keine weitere Infrastruktur für synthetische Treibstoffe unterhalten und bezahlen, wenn Wasserstoff auch für Flüge nach Buenos Aires und Tokio gut abschneidet.