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Wasserstoffbetriebene Luftfahrt: Wirtschaftliche und energetische Machbarkeit

Javier Asperilla

Javier Asperilla

PMO Consultant / AERTEC

Bei Diskussionen um die besorgniserregende Realität des Klimawandels, wird häufig auch die Rolle des Luftverkehrs bei den Treibhausgasemissionen angesprochen. Trotz enormer Fortschritte bei der Effizienz des Luftverkehrs (Design, Triebwerke, Aerodynamik usw.) sieht sich der Sektor aufgrund der steigenden Nachfrage nach Luftverkehr mit einem Anstieg der Emissionen konfrontiert. Dieser Kontext unterstreicht die dringende Notwendigkeit radikalerer Innovationen. Eine der Möglichkeiten, die viele ins Spiel bringen, ist die Verwendung von Wasserstoff als potenziell geeignete Lösung für die Luftfahrt. Seine Verwendung als Energieträger bietet die Möglichkeit, die Kohlenstoffemissionen in diesem wichtigen Sektor der Weltwirtschaft erheblich zu reduzieren.

Der Ausgleich zwischen Energieeffizienz und wachsender Nachfrage nach Flügen eine große Herausforderung bleibt.

Die luftfahrtbedingten Emissionen zeigen eine steigende Tendenz, auch wenn die Steigerungen relativ moderat ausfallen. Nach den jüngsten Daten der IBA werden die CO2-Emissionen im kommerziellen Luftverkehr im Februar 2022 durchschnittlich 144,2 Gramm pro Sitzmeile (ca. 267,06 Gramm pro Sitzplatz/Kilometer) betragen, was einem Anstieg der Kohlenstoffintensität pro Sitzplatz von fast 0,3 Prozent entspricht. Dieser geringfügige Anstieg ist zum Teil auf eine Verringerung des Einsatzes von Flugzeugen der neuen Generation und eine Verringerung der Länge der Flugstrecken zurückzuführen.

Andererseits weist die Internationale Energieagentur IEA darauf hin, dass trotz offensichtlicher Verbesserungen bei der Treibstoffeffizienz diese nicht ausgereicht haben, um dem Wachstum der Energienachfrage in den letzten Jahren entgegenzuwirken. In den Jahren 2010 bis 2019 verbesserte sich die Treibstoffeffizienz um durchschnittlich 1,8 Prozent pro Jahr, aber die Nachfrage wuchs im gleichen Zeitraum um mehr als 5 Prozent pro Jahr. Um das Ziel der Netto-Null-Emissionen realistischerweise erreichen zu können, muss die Effizienz bis 2030 um 2 Prozent pro Jahr verbessert werden.

Diese Daten verdeutlichen die Komplexität der bevorstehenden Aufgaben bei der Bekämpfung der Emissionen im Luftfahrtsektor, wo der Ausgleich zwischen Energieeffizienz und wachsender Nachfrage nach Flügen eine große Herausforderung bleibt. Vor diesem Hintergrund stellen wasserstoffbetriebene Flugzeuge ein wichtiges Teil im Puzzle der nachhaltigen Luftfahrt dar. Dank seiner hohen Energiedichte und seinen Null-Schadstoff-Emissionen entwickelt sich Wasserstoff zu einem Schlüsselelement bei der Bewältigung der heutigen ökologischen Herausforderungen. Beim Erkunden dieses aufregenden Terrains betreten wir eine Welt, in der die Luftfahrt nicht nur Menschen miteinander verbindet, sondern auch zunehmend Rücksicht auf unseren Planeten nimmt.

Dank seiner hohen Energiedichte und seinen Null-Schadstoff-Emissionen entwickelt sich Wasserstoff zu einem Schlüsselelement bei der Bewältigung der heutigen ökologischen Herausforderungen.

Grundlagen von Wasserstoff als Treibstoff

Wasserstoff wird als Energieträger angesehen, da er die Fähigkeit besitzt, aus anderen Quellen gewonnene Energie zu speichern und zu transportieren. Im Gegensatz zu fossilen Brennstoffen, bei denen es sich um primäre Energiequellen handelt, muss Wasserstoff erst hergestellt werden, in der Regel durch Elektrolyse von Wasser (und das ist ein energieaufwändiger Prozess). In Bezug auf die Energiedichte hat Wasserstoff einen bedeutenden Vorteil: pro Masseneinheit bietet er fast die dreifache Energie im Vergleich zu herkömmlichem Kerosin. Seine geringe volumetrische Dichte stellt jedoch eine Herausforderung im Hinblick auf die Speicherung und den Transport dar. Bei der Verbrennung von Wasserstoff entsteht nur Wasserdampf, was ihn zu einer attraktiven Option für die Verringerung der Treibhausgasemissionen in der Luftfahrt macht, auch wenn seine Herstellung derzeit größtenteils auf nicht erneuerbare Quellen angewiesen ist. Der Übergang zu Wasserstoff als Treibstoff in der Luftfahrt hängt daher entscheidend von der Nachhaltigkeit und Effizienz der Lieferkette ab.

Konstruktive Herausforderungen und aktive Beschränkungen: Die Verwendung von Wasserstoff als Treibstoff bringt im Vergleich zu konventionellen kerosinbetriebenen Flugzeugen andere konstruktive Herausforderungen und aktive Beschränkungen mit sich. Diese Unterschiede sind hauptsächlich auf die höhere spezifische Energie von Wasserstoff (Energie pro Masseneinheit) und die besonderen Herausforderungen bei der Speicherung zurückzuführen.

Energiedichte und Gewicht des Wasserstoffs: Obwohl die Energiedichte von Wasserstoff etwa viermal niedriger ist als die von Kerosin, ist seine Energie pro Masseneinheit fast dreimal so hoch. Das bedeutet, dass für die gleiche Menge an Energie, die zum Fliegen benötigt wird, das Gewicht des Wasserstoffs nur ein Drittel des Gewichts des Kerosins beträgt.

Energieverbrauch auf Langstreckenflügen: Es wird weithin angenommen, dass Wasserstoff und ein geringeres Startgewicht zu einem niedrigeren Energieverbrauch bei Langstreckenflügen im Vergleich zu Kerosin führen könnten. Bei kleineren Flugzeugen und auf Kurzstreckenflügen kommt dieser Vorteil jedoch – wegen der Komplexität und Effizienz der Wasserstoffspeicherung – möglicherweise nicht zum Tragen.

Wartungs- und Betriebskosten: Aufgrund ihrer höheren Komplexität werden für Wasserstofftanks und Flugzeugrümpfe höhere Wartungs- und Beschaffungskosten erwartet. Die Integration des Tanks in den Flugzeugrumpf bringt neue konstruktive Herausforderungen mit sich, die zu einer Senkung der direkten Betriebskosten für Langstreckenflugzeuge führen können, vorausgesetzt, Wasserstoff ist in Bezug auf die Kosten pro Energieeinheit mit Kerosin vergleichbar.

Volumetrische Dichte und Speicherung von Wasserstoff: Wasserstoff hat bei normaler Umgebungsbedingungen, wie Temperatur und Druck, eine extrem niedrige volumetrische Energiedichte. Um das benötigte Volumen zu verringern, kann Wasserstoff als Gas komprimiert oder zu einer Flüssigkeit abgekühlt werden. Das Volumen, das benötigt wird, um die Energie zu speichern, die eine Boeing 777-200ER in Form von Kerosin transportiert, entspräche etwa 500 Flugzeugrümpfen, wenn diese Energie bei normalen Umgebungsbedingungen als Wasserstoff gespeichert würde.

Speicherung von komprimiertem Wasserstoff: Die Komprimierung von Wasserstoff bei hohem Druck ist eine Möglichkeit, seine Dichte für die Speicherung an Bord zu erhöhen. Druckwasserstofftanks arbeiten bei Umgebungstemperatur und erfordern weniger aktives Management als Flüssigwasserstoff (LH2). Diese Tanks erfordern jedoch eine hochdruckfeste Konstruktion und haben einen geringen gravimetrischen Wirkungsgrad.

Speicherung von kryogenem Wasserstoff (LH2): Die Speicherung von kryogenem Wasserstoff bietet Vorteile gegenüber der Speicherung von komprimiertem Gas, wie z. B. eine höhere Dichte und die Möglichkeit der Speicherung bei Drücken nahe der Umgebung. Dies erfordert jedoch eine erhebliche Isolierung und eine sorgfältige Auslegung des Treibstoffsystems, insbesondere bei größeren, gewichtsempfindlichen Verkehrsflugzeugen.

Transport und Infrastruktur

Der Bericht zum FlyZero-Projekt des Aerospace Technology Institute unterstreicht die entscheidende Bedeutung der Entwicklung einer angemessenen Infrastruktur für die Produktion und das Management von Wasserstoff an Flughäfen als wesentlichen Schritt beim Übergang zu einer wasserstoffbetriebenen Luftfahrt.

Ein wichtiger Bestandteil dieser Infrastruktur ist die Logistik für die Lieferung von flüssigem Wasserstoff (LH2) an Flughäfen. Diese logistische Herausforderung könnte durch den Transport von LH2 zu Flughäfen mit speziellen Lastwagen oder durch spezielle Pipelines gelöst werden. Am Flughafen angekommen, benötigt LH2 sichere und effiziente Speichersysteme, gefolgt von einem ordnungsgemäß protokollierten und sicheren Transferprozess zum Flugzeug.

Was die Sicherheit betrifft, so hat der Umgang mit LH2 seine Besonderheiten. Ein vorteilhafter Aspekt ist, dass LH2 im Falle eines Auslaufens schnell verdampft und das entstehende Wasserstoffgas aufgrund seiner geringen Dichte aufsteigt und sich in der Atmosphäre verteilt, wodurch die Brandgefahr deutlich minimiert wird. Obwohl Brände mit Wasserstoff im Vergleich zu Bränden mit Kerosin höhere Temperaturen erreichen, bildet Wasserstoff keine Pfützen, wodurch das Risiko eines lang anhaltenden Bodenfeuers, wie es bei Kerosin besteht, ausgeschlossen ist. Folglich kann die Hitzestrahlung, die bei einem Kerosinbrand entsteht, langfristig gefährlicher sein als die eines Wasserstoffbrandes, trotz der niedrigeren Temperatur des ersteren.

Eine Alternative für die Wasserstoffversorgung an Flughäfen ist die Versorgung mit gasförmigem Wasserstoff (GH2), der dann vor Ort verflüssigt wird. Diese Konfiguration ermöglicht eine größere Flexibilität beim Treibstoffmanagement, da GH2 bei besser kontrollierbaren Temperaturen und Drücken gespeichert werden kann, bevor es in flüssigen Wasserstoff (LH2) zur Verwendung in Flugzeugen umgewandelt wird.

Druckwasserstofftanks werden bei Umgebungstemperaturen betrieben, was die Notwendigkeit eines aktiven Managements im Vergleich zu flüssigem Wasserstoff (LH2) reduziert. Diese Tanks können über längere Zeiträume stehen bleiben, ohne dass sie entlüftet oder nachgefüllt werden müssen, was das Treibstoffmanagement in Flugzeugen vereinfacht. Komprimierter Wasserstoff erfordert jedoch schwere, druckfeste Tanks, um die Sicherheit zu gewährleisten. Diese Tanks haben einen geringen gravimetrischen Wirkungsgrad, der zwischen einem und 10 Prozent liegt, obwohl er mit fortschrittlichen Design- und Fertigungstechniken 10 Prozent bis 20 Prozent erreichen könnte.

Materialien und Druck der Tanks: Speichertanks müssen aus Materialien bestehen, die hohen Drücken standhalten können. Zum einfachen Vergleich: Der Druck in Druckwasserstofftanks kann bis zu 700 bar betragen (etwa das 700-fache des atmosphärischen Drucks auf Meereshöhe). Dieser Druck ist notwendig, um den Wasserstoff in einem verdichteten Zustand zu halten, der eine einfache Speicherung und Handhabung ermöglicht.

Permeationsverluste: Eine Herausforderung bei der Speicherung von Wasserstoff ist die Durchlässigkeit und Versprödung der Materialien. Permeation tritt auf, weil die Wasserstoffmoleküle sehr klein sind und einige von ihnen die Tankwände durchdringen können. Angemessene Permeationsraten für LH2-Tanks auf Trägersystemen erlauben Verluste von etwa 0,25 % des Tankvolumens während des Aufstiegs und des Eintritts in die Umlaufbahn.

Die Wasserstoffproduktion direkt an Flughäfen kombiniert die Entwicklung einer Infrastruktur für die Wasserstoffproduktion am Flughafen selbst mit dem möglichen Einsatz von Elektrolyseuren, die Wasser mit Hilfe von Strom in Wasserstoff und Sauerstoff umwandeln, vorzugsweise aus erneuerbaren Quellen, um die Nachhaltigkeit zu optimieren. Diese Konfiguration umfasst nicht nur die Schaffung von Anlagen zur Wasserstofferzeugung, sondern auch die notwendigen Systeme zur Speicherung von Wasserstoff und zum Transport an die Flugzeuge. Diese Option der Vor-Ort-Produktion hat erhebliche Vorteile, wie z. B. geringere Kosten und Emissionen, die mit dem Transport von Wasserstoff zu Flughäfen verbunden sind, und bietet eine größere Flexibilität und Kontrolle über die Treibstoffversorgung, was im Flughafenkontext, wo Zuverlässigkeit und Effizienz an erster Stelle stehen, entscheidend ist. Der Aufbau einer solchen Infrastruktur würde jedoch eine erhebliche Investition bedeuten.

Reduzierung des CO2-Fußabdrucks: Wenn der für die Wasserstofferzeugung verwendete Strom aus erneuerbaren Quellen stammt, erhält die lokale Wasserstoffproduktion eine nachhaltigere Dimension und trägt erheblich zur Verringerung des CO2-Fußabdrucks bei. Diese Nachhaltigkeit wird noch verstärkt, indem überschüssige erneuerbare Energie, die sonst ungenutzt bliebe, genutzt wird, um sie in Form von Wasserstoff zu speichern. Dieser Ansatz erhöht nicht nur die Effizienz des Prozesses der Energieumwandlung, sondern maximiert auch die Nutzung verfügbarer erneuerbarer Ressourcen, indem der Überschuss in ein wertvolles Gut für die energetische Nachhaltigkeit verwandelt wird.

Flugeffizienz und Leistungsvergleich

Antriebsmethoden: Es gibt zwei Hauptmethoden, um Wasserstoff in Schub umzuwandeln: Verbrennung in Gasturbinen und Wasserstoff-Brennstoffzellen. Gasturbinen, die bereits in Verkehrsflugzeugen eingesetzt werden, können durch Modifizierung des Verbrennungssystems und der Treibstoffzufuhr für die Verbrennung von Wasserstoff angepasst werden.

Bevorzugung je nach Flugzeugtyp: Brennstoffzellen sind in der Regel die vorherrschende Option für kleine und Kurzstreckenflugzeuge, während die Wasserstoffverbrennung eher für große und Langstreckenflugzeuge in Frage kommt.

Effizienz von Gasturbinen: Wasserstoffgasturbinen haben eine höhere spezifische Leistung als andere Antriebsmethoden und eignen sich daher für größere und leistungsfähigere Flugzeuge. Ein Beispiel dafür ist, dass das Brennstoffzellen-Antriebssystem für ein Flugzeug der Größe einer Boeing 737-800 etwa dreimal so schwer ist wie das entsprechende Gasturbinensystem.

Entwicklung und Erprobung von Wasserstoffverbrennungsmotoren: Unternehmen wie CFM, Rolls Royce und Pratt & Whitney modifizieren bestehende Turbofan-Triebwerke für den Betrieb mit Wasserstoff, und es gibt Pläne, diese Triebwerke in den kommenden Jahren in Flugzeugdemonstratoren zu testen.

Vorteile der Wasserstoffverbrennung in Gasturbinen: Die Verbrennung von Wasserstoff in Gasturbinen kann die Temperatur des heißen Gases, das in die Turbine eintritt, senken, was die Lebensdauer der Turbine verlängert, und die Häufigkeit der Wartungsarbeiten verringert. Darüber hinaus bietet Wasserstoff, der als Flüssigkeit an Bord des Flugzeugs gespeichert wird, eine große Wärmesenke, die es den Triebwerkskonstrukteuren ermöglicht, kreative Wege zur Leistungssteigerung zu finden.

Schubspezifischer Treibstoffverbrauch (TSFC): Der TSFC, eine wichtige Kennzahl bei der Flugzeugentwicklung, gibt den Massendurchsatz an Treibstoff an, der pro vom Triebwerk erzeugter Schubeinheit benötigt wird. Wasserstoff liefert fast dreimal so viel Energie wie der gleiche Massenstrom an Kerosin, was direkte TSFC-Vergleiche zwischen Treibstoffen mit unterschiedlicher Energiedichte nicht sinnvoll erscheinen lässt.

Betrieb und Design von Brennstoffzellen: Wasserstoff-Brennstoffzellen, insbesondere Protonenaustauschmembran-Brennstoffzellen (PEMFCs) und Festoxid-Brennstoffzellen (SOFCs), haben einzigartige Eigenschaften und Herausforderungen in Bezug auf ihren Betrieb und ihr Design. Dazu gehören das Wassermanagement, ohmsche Verluste und Beschränkungen der Geschwindigkeit, mit der die Reagenzien die Reaktionsstellen erreichen können.

Thermisches Management und Brennstoffzellen-Design: Das thermische Management ist eine große Herausforderung, insbesondere für Niedertemperatur-PEMFCs, die eine erhebliche Menge an Wärme abführen müssen. Die bipolaren Platten, die den Großteil des Volumens und des Gewichts des Stacks ausmachen, sind so optimiert, dass sie die Reaktanten zu den Elektroden führen, die Kühlung übernehmen und das Gewicht begrenzen.

Betriebsdruck und Leistung von PEMFCs: Die Erhöhung des Betriebsdrucks von PEMFCs kann deren Leistung verbessern, allerdings mit abnehmender Ausbeute.

Zum Abschluss unserer Analyse der Integration von Wasserstoff in die Luftfahrt betonen wir die wichtige Rolle, die er beim Übergang zu einer nachhaltigeren Luftfahrt spielen kann. Dieser Ansatz stellt einen bedeutenden Schritt nach vorn dar und hat direkte Auswirkungen auf die Klimakrise. Der Weg zu einem effektiven Einsatz von Wasserstoff in der Luftfahrt ist zwar vielversprechend, aber komplex und voller technischer und betrieblicher Herausforderungen, die Aufmerksamkeit und innovative Lösungen erfordern. Die fortgesetzte Forschung und Entwicklung auf diesem Gebiet sind unerlässlich, um ein Gleichgewicht zwischen den Vorteilen des Luftverkehrs und dem Umweltschutz zu erreichen.

Weitere Informationen zu diesem Thema finden Sie auch in unserem Beitrag „Wasserstoff als Zukunft des Luftverkehrs“ (hier klicken).

 

Hydrogen and aviation

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