Wasserstoff als Zukunft des Luftverkehrs

Wasserstoff wird im Luftverkehr der Treibstoff der Zukunft sein. Wir alle sind uns dessen bewusst und wissen, dass dies große Auswirkungen auf den gesamten Sektor haben wird, der sich auf die entsprechenden Infrastrukturen und Verfahren für die Herstellung, den Vertrieb und die Lagerung vorbereiten muss. Gleichzeitig wird es ein wichtiger Akteur auf dem Weg zur Dekarbonisierung sein.

Seit Ende des letzten Jahrhunderts bemüht sich die Luftfahrtindustrie darum, ihre Auswirkungen auf die Umwelt zu verringern, insbesondere mit Blick auf die Dekarbonisierung des Luftverkehrs. In diesem Zusammenhang gibt es viele unterschiedliche Ansätze, von denen der Einsatz von Wasserstoff als Treibstoff einer der attraktivsten und vielversprechendsten ist.

Zwar gibt es noch einige Herausforderungen bei der Verwendung von Wasserstoff als Treibstoff in der Luftfahrt, aber es besteht kein Zweifel, dass er auf dem Weg zur Dekarbonisierung eine wichtige Rolle spielen wird.

Wasserstoff ist das leichteste, in Bezug auf die Elementarstruktur einfachste und das häufigste Element des Universums und seine molekulare Form H2O, eine Energiequelle mit großer Zukunft, weil sie nicht umweltschädlich ist. Wasserstoff ist jedoch kein Primärenergieträger, obwohl er dazu dient, Energie aus anderen Quellen, sowohl aus erneuerbaren (grüner Wasserstoff) als auch aus nicht-erneuerbaren (blauer und grauer Wasserstoff), zu speichern.

Die Theorie ist einfach. Flugzeuge können fliegen, indem sie mithilfe von Wasserstoff-Brennstoffzellen elektrische Energie erzeugen, die dann für den Antrieb der Flugzeugmotoren genutzt werden kann. Brennstoffzellen wandeln Wasserstoff und Sauerstoff in Strom um, wobei als einzige Nebenprodukte Wasser und Wärme entstehen. Es ist mit Sicherheit eine umweltfreundlichere Alternative zu herkömmlichen Treibstoffen in Flugzeugmotoren (meist fossile Kohlenwasserstoffe), die Treibhausgase freisetzen und zum Klimawandel beitragen. Es gibt jedoch noch einige Herausforderungen zu bewältigen, wie z. B. die begrenzte Verfügbarkeit der Infrastruktur für Wasserstoffkraftstoff (vor allem hinsichtlich Herstellung und Lagerung).

Im Folgenden findest du eine kurze Zusammenfassung, wie der Vorgang funktioniert:

1. Wasserstoff wird in Tanks an Bord des Flugzeugs gelagert.
2. Der Wasserstoff wird in eine Brennstoffzelle geleitet, wo er mit Sauerstoff zusammenwirkt und Strom erzeugt.
3. Der von der Brennstoffzelle erzeugte Strom treibt einen Elektromotor an, der die Propeller oder Turbinen des Flugzeugs antreibt.
4. Die einzigen Nebenerzeugnisse dieser chemischen Reaktion sind Wasser und Wärme, die aus dem Flugzeug ausgestoßen werden.

Dieses Verfahren setzt auf eine umweltfreundliche und effiziente Energiequelle für das Flugzeug, ohne die schädlichen Emissionen herkömmlicher Flugzeugtreibstoffe. Die Nutzung von Wasserstoff in der Luftfahrt steckt jedoch noch ganz am Anfang und es gibt noch einige Hürden zu überwinden.

Dazu gehört die Lagerung im Flugzeug selbst oder in den Flughafeneinrichtungen, die folgende Herausforderungen mit sich bringt:

1. Geringe Dichte: Wasserstoff ist ein leichtes Gas, das im Verhältnis zu seiner Masse ein großes Volumen einnimmt. Das macht es schwierig, ihn möglichst platzsparend zu lagern, da große Behälter erforderlich sind, um eine ausreichende Menge an Treibstoff zu speichern. Die Verwendung von kryogenem (flüssigem) Wasserstoff kann diese Aufgabe erheblich erleichtern, da weniger Volumen und Druck erforderlich sind.
2. Hoher Druck: Um Wasserstoff in kompakter Form zu lagern, muss er daher unter hohem Druck komprimiert werden, was wiederum den Einsatz schwerer und spezieller Tanks erfordert. Durch die Verwendung von Wasserstoff in flüssiger Form wird dieses Problem ebenfalls gelöst werden können.
3. Niedrige Temperatur: Kryogener Wasserstoff bedeutet, dass er bei extrem niedrigen Temperaturen gelagert werden muss, in der Regel bei -253 °C, um das Volumen gering zu halten und einen Druckaufbau zu vermeiden.
4. Hohe Reaktivität: Wasserstoff ist hochreaktiv, d. h. er kann sich leicht mit anderen Elementen verbinden und bei unsachgemäßer Lagerung unerwünschte Reaktionen (sogar Explosionen) verursachen.
5. Kosten: Derzeit ist die sichere und effiziente Speicherung von Wasserstoff aufgrund der erforderlichen Spezialausrüstung und Infrastruktur teuer.
6. Konstruktion von Kraftstofftanks: Die Anforderungen an die Wasserstoffspeicherung lassen es zumindest im Moment nicht zu, die Flügel als Speicher für diesen Treibstoff zu nutzen, sondern erfordern die Verwendung von Tanks, die im Rumpf des Flugzeugs selbst untergebracht werden müssen.

Die Lösung, die einige dieser Nachteile abmildert, ist die Verwendung von kryogenem Wasserstoff, d. h. verflüssigt bei einer Temperatur von etwa -253 °C. In diesem Fall besteht der Hauptvorteil darin, dass der Kryotank unter einem geringeren Druck steht, da Flüssigkeiten weniger komprimierbar sind als Gase. Es handelt sich um eine Lösung zur Speicherung von Wasserstoff, die im Raumfahrtsektor üblich ist und nun auch in der Luftfahrt als mögliche Energiequelle in Betracht gezogen wird. Die Verwendung von kryogenem Wasserstoff ist aus Platz- und Sicherheitsgründen natürlich von vornherein eine attraktivere Alternative zum Drucktank.

Die oben genannten Herausforderungen machen die Wasserstoffspeicherung zu einem komplexen und kostspieligen Prozess, wodurch der weit verbreitete Einsatz von Wasserstoff als Treibstoff bisher begrenzt ist. Es werden jedoch Forschungs- und Entwicklungsarbeiten durchgeführt, um die Speichertechnologie für Wasserstoff zu verbessern, damit sie leichter zu nutzen und kostengünstiger wird.

Doch bevor es so weit ist, müssen auch die Herausforderungen im Bereich der Produktion berücksichtigt werden. Die derzeit gängigste Methode zur Erzeugung von Wasserstoff ist die Dampfreformierung von Methan, bei der Erdgas in Wasserstoff umgewandelt wird. Diese Methode ist relativ billig, hat aber den großen Nachteil, dass als Nebenprodukt Kohlendioxid entsteht, das zum Klimawandel beiträgt und uns damit wieder an den Anfang bringt. Wenn die für den Elektrolyseprozess notwendige Energie aus fossilen Brennstoffen gewonnen wird und dabei CO2 in die Atmosphäre freigesetzt wird, spricht man von „grauem Wasserstoff“.

Eine umweltfreundlichere Alternative ist der sogenannte „grüne Wasserstoff“. Bei der Herstellung wird elektrischer Strom verwendet, um den Wasserstoff vom Sauerstoff im Wasser zu trennen. Wenn also der benötigte Strom aus erneuerbaren Quellen gewonnen wird, produzieren wir letztendlich Energie, ohne Kohlendioxid in die Atmosphäre auszustoßen. Wenn der gesamte weltweit erzeugte Wasserstoff “grün” wäre, und wenn er mit fossilen Brennstoffen erzeugt werden würde, würde er die 830 Millionen Tonnen CO2 einsparen, die jährlich in die Atmosphäre gelangen. Das grundlegende Problem ist, dass der Ersatz des gesamten grauen Wasserstoffs durch grünen Wasserstoff einen zusätzlichen Bedarf an erneuerbarer Energie von etwa 3.000 TWh pro Jahr bedeuten würde, was in etwa dem heutigen Gesamtbedarf Europas entspricht. Wenn sich die Technologie und die Infrastruktur verbessern, dürften die Kosten sinken und Wasserstoff zu einer erschwinglicheren Alternative zu herkömmlichen Treibstoffen werden.

Es wird erwartet, dass sich die Verwendung von Wasserstoff als Treibstoff in der Luftfahrt wie folgt weiterentwickeln wird:

1. Stärkere Verwendung: Wenn mehr Infrastruktur für Wasserstofftreibstoff zur Verfügung steht, wird sich der Einsatz von Wasserstoff in der Luftfahrt voraussichtlich stärker verbreiten und zu einer Verringerung der Treibhausgasemissionen und einer Verbesserung der Luftqualität führen.
2. Verbesserte Technologie: Es wird erwartet, dass die Entwicklung von Wasserstoff-Brennstoffzellen diese besser und effizienter macht. Fortschritte bei der Speicherung und dem Transport von Wasserstoff werden es ebenfalls einfacher und kostengünstiger machen, Wasserstoff als Treibstoff für die Luftfahrt zu nutzen.
3. Neue Flugzeugdesigns: die Nutzung von Wasserstoff als Treibstoffquelle kann zur Entwicklung neuer Flugzeugdesigns führen, die für Wasserstoff-Brennstoffzellensysteme optimiert sind. Außerdem wird es einen Trend zu leichteren und treibstoffeffizienteren Flugzeugen geben.
4. Reduzierte Kosten: Mit der Verbesserung der Technologie und der Infrastruktur für den Einsatz von Wasserstoff als Treibstoff in der Luftfahrt ist zu erwarten, dass die Kosten für die Nutzung von Wasserstoff sinken und er so zu einer erschwinglichen Alternative für die Luftfahrt wird.
5. Neue Konfigurationen und Lufttransportsysteme. In den letzten Jahren hat sich eine neue Form der Mobilität durchgesetzt, die auch zur Entwicklung der Nutzung von Wasserstoff im Luftverkehr beitragen wird und neue Konzepte jenseits der traditionellen Luftfahrt mit sich bringt. Es handelt sich um die Advanced Air Mobility AAM. Die Stromerzeugung durch Wasserstoffzellen könnte für eVTOLs (elektrisch angetriebenes Fluggerät, das senkrecht starten und landen kann) eine entscheidende Rolle spielen. Verteilte elektrische Antriebe ermöglichen neuartige Flugzeugkonfigurationen, die effizienter, sicherer und leiser sein sollen. Es wird erwartet, dass mit HFC betriebene eVTOL-Modelle eine viel höhere Kapazität haben werden als solche, die mit herkömmlichen elektrischen Batterien betrieben werden.

Abschließend ist noch zu erwähnen, was der Einsatz von Wasserstoff für Flughäfen bedeuten wird. Die Verwaltung der Herstellung, Lagerung und Verteilung auf einem Flughafen wird in den kommenden Jahren ebenfalls eine Herausforderung sein. eine Herausforderung sein. Ganz so einfach wie bei den fossilen Brennstoffen, die bei Raumtemperatur gelagert werden, wird es natürlich nicht werden.

Es könnte sein, dass Flughäfen über Anlagen zur Herstellung von reinem Wasserstoff verfügen und diesen direkt an Flugzeuge liefern können. Der aktuelle weltweite Trend zu immer mehr Anlagen für erneuerbare Energien an Flughäfen wird zu einer großen Menge an grünem Wasserstoff führen. Es wird jedoch auch Flughäfen geben, die es kaufen müssen und dafür entsprechende Verfahren für die Verteilung und angemessene Lagermöglichkeiten benötigen.

Insgesamt hat die Entwicklung der wasserstoffbetriebenen Luftfahrt das Potenzial, die Auswirkungen der Branche auf die Umwelt zu verringern und neue Möglichkeiten für Innovationen bei der Konstruktion von Flugzeugen und Treibstoffsystemen zu schaffen. Es gibt noch viele Herausforderungen zu bewältigen, aber Wasserstoff verspricht genügend, umweltfreundliche und nachhaltige Energie, bei der nur Wasserdampf als Nebenprodukt anfällt. Sehr vielversprechend, nicht wahr?