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Zukunft der Luftfahrt Wie Wasserstoff das emissionsfreie Fliegen möglich machen soll

Politik, Wissenschaft und Unternehmen in Deutschland wollen das Fliegen emissionsfrei machen. Das sind die Technologien, mit denen das gelingen soll.
29.10.2020 - 03:48 Uhr Kommentieren
Der europäische Konzern will bis 2035 einen Wasserstoff-Jet auf den Markt bringen. Quelle: Airbus
Entwurf von Airbus

Der europäische Konzern will bis 2035 einen Wasserstoff-Jet auf den Markt bringen.

(Foto: Airbus)

Frankfurt Das Vorhaben ist gewaltig. Deutschland und Europa sollen Vorreiter beim emissionsfreien Fliegen werden. So haben es vor einigen Tagen Unternehmen, Wissenschaft und die Politik beim Luftfahrtgipfel im Wirtschaftsministerium beschlossen.

Gelingen kann das nur, wenn das Thema bei allen Beteiligten ganz oben auf der Agenda steht, weiß Rolf Henke, Mitglied des Vorstands des Deutschen Luft- und Raumfahrtzentrums (DLR). „Es ist eine nationale Plattform Luftfahrt notwendig, analog zur Plattform Auto. Die sollte Chefsache sein“, fordert er im Gespräch mit dem Handelsblatt.

Fliegen emissionsfrei zu machen ist schon technisch eine enorme Herausforderung. Bisher gibt es keine Antriebsmethode beziehungsweise keinen Treibstoff, der es bei den entscheidenden Kriterien wie Gewicht, Energiedichte oder technologische Umsetzbarkeit mit dem fossilen Kerosin aufnehmen kann.

„Wir sprechen beim Thema emissionsfreie Luftfahrt über einen Systemwechsel. Den schaffen wir nicht auf den bisher üblichen Wegen. Das normale Weiter-so ist nicht das Konzept der Zukunft“, sagt Henke.

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    Hinzu kommt: Die Luftfahrt durchlebt gerade ihre bisher schwerste Krise wegen der Coronapandemie. Die Unternehmen müssen Milliardenverluste verkraften. „Gleichzeitig erwarten wir, dass Milliarden in einen klimaneutralen Luftverkehr investiert werden. Das geht nicht ohne einen großen Plan, an dem sich alle beteiligen“, mahnt Henke.

    Dennoch, davon ist der promovierte Luft- und Raumfahrttechniker Henke überzeugt, ist die Aufgabe lösbar. Der große Hoffnungsträger ist dabei Wasserstoff: „Ich denke, dass Wasserstoff im Luftverkehr eine Zukunft hat, auch auf der Langstrecke. Aber es gibt noch viele technologische und auch strukturelle Probleme, die gelöst werden müssen.“

    Wasserstoff ist vielseitig einsetzbar

    Grundsätzlich hat Wasserstoff viele Vorteile. Da ist vor allem die hohe Energiedichte in Relation zum Gewicht. Das ist im Flugzeug von großer Bedeutung, denn der Platz ist begrenzt. und das Gewicht, das der Jet aufnehmen kann, ist es auch.

    Wasserstoff ist zudem vielseitig einsetzbar. Er kann zum Beispiel in herkömmlichen Gasturbinen eingesetzt werden. Mit seiner Hilfe kann synthetischer Treibstoff hergestellt werden. Und beim Einsatz einer Brennstoffzelle kann er die Elektrifizierung des Fliegens beschleunigen.

    Batterien können dagegen nur kurzzeitig hohe Energie abgeben, sie sind deshalb vor allem für die Mobilität im Nahbereich etwa in Metropolen (Urban Mobility) und auf kurzen Strecken im Massenverkehr geeignet. Die Kapazität bei der Speicherung von Energie bezogen auf das Gewicht liegt bei einer Batterie um den Faktor 25 niedriger als bei Kerosin.

    Zwar entwickelt sich die Batterietechnik rasant weiter. Doch in der Luftfahrt braucht man Reserveenergie für den Notfall, die aber in der Regel nicht abgerufen werden kann. Diese in Form von Batterien vorzuhalten sorgt für zusätzliches Gewicht. Hier könnte ein kleiner Verbrenner aushelfen, wie überhaupt hybride Ansätze – also eine Kombination von elektrischem Antrieb und Verbrenner – eine Möglichkeit sind, die Emissionen schnell zu reduzieren.

    Will man allerdings viele Menschen über eine große Distanz rein elektrisch befördern, sind Wasserstoff und die Brennstoffzelle nach aktuellem Wissensstand die Technologien mit dem größten Potenzial. Doch der Hoffnungsträger hat so seine Tücken.

    Wasserstoff ist hochreaktiv, die Sicherheitsanforderungen sind also entsprechend groß. Langstreckenjets bräuchten zudem viel Wasserstoff, was dazu führt, dass dieser nicht als Gas, sondern nur in verflüssigter Form transportiert werden kann. Dazu muss er aber auf minus 252 Grad Celsius heruntergekühlt werden, was in einem Flugzeug nicht trivial ist.

    Grafik

    „Die Wasserstofftanks sind eine gewaltige Herausforderung. Können sie wie bisher in die Flügel eingebaut werden, wie müssen die dann aussehen, wie halten wir den Wasserstoff unter Kryobedingungen, und wie gestaltet sich das Kraftstoff-Management-System?“, nennt Henke vom DLR nur einige der zentralen Fragen. Unter Kryobedingungen versteht man Tieftemperaturtechnologien.

    Die Kühlung ist zudem nicht nur bei der Speicherung, sondern auch beim eigentlichen Reaktionsprozess ein Problem. Die dabei entstehende Wärme kann nicht wie bei einer Gasturbine weitgehend über einen Abgasstrahl abgegeben werden.

    All das bedeutet, dass auch die Konstruktion eines Flugzeugs grundsätzlich neue Wege beschreiten muss. Die Bauteile eines Jets werden künftig ganz neue Funktionen bekommen, etwa für die Kühlung von Systemen oder auch die Verteilung der Energie. Bisher haben sich für Wasserstoff zum Beispiel Kugeltanks als geeignet erwiesen. Zur aerodynamischen Form eines Flugzeugs will das aber nicht so recht passen.

    Zu den großen Technologiethemen gesellen sich jede Menge Detailfragen. „Wasserstoff besteht aus fiesen kleinen Molekülen, wenn man morgens tankt, ist der Tank abends leer, weil der Wasserstoff verdampft ist“, erläutert Henke vom DLR. Wie können die Jets den Wasserstoff in Zukunft tanken? Gibt es Kartuschen, die man einbaut? Oder tankt man mit einem Schlauch wie etwa beim Pkw?

    Überhaupt ist auch Wasserstoff unter Klimaaspekten nicht gänzlich frei von Problemen. „Das Damoklesschwert ist der Wasserdampf, der bei der Nutzung von Wasserstoff entsteht“, sagt Henke: „Er ist das stärkste Klimagas, trägt nach unseren Erkenntnissen in großen Höhen zur Erderwärmung bei. Auch hierfür brauchen wie Lösungen.“

    Infrastruktur am Boden muss angepasst werden

    Und natürlich kommt für einen emissionsfreien Flug nur Wasserstoff infrage, der aus regenerativen Quellen stammt. Der muss aber erst mal in der notwendigen Menge produziert werden. Ein Flughafen wie das große Drehkreuz in Frankfurt bräuchte allein vier Millionen Kilogramm an Wasserstoff pro Tag.

    Ein Lkw fasst aber nur 4000 Kilogramm, allein über die Straße wird der Transport also kaum gelingen. Die Lösung könnte eine Pipeline sein, dazu müssten die Hersteller aber zumindest in der Nähe von Flughäfen sitzen. Alternativ halten Experten eine Fertigung direkt vor Ort an der „Tankstelle“ für grundsätzlich denkbar – etwa durch Elektrolyse.

    Alle neuen Ideen müssen zudem zertifiziert werden. „Wir brauchen für dieses Megaprojekt die Digitalisierung. Es geht um völlig neue Ideen und Technologie“, sagt Henke: „Die müssen zugelassen werden, was in der Luftfahrt ein enormer Aufwand ist. Deshalb brauchen wir zum Beispiel so etwas wie die virtuelle Zulassung.“

    Dennoch halten Hersteller wie Airbus die Wasserstofftechnologie für zukunftsfähig. Der europäische Konzern will bis 2035 einen Wasserstoff-Jet auf den Markt bringen. Airbus verfolgt dazu zunächst drei Konzepte. Bei einem Turbofan-Jet und einer Turbo-Prop-Maschine werden zum einen die Turbinen direkt mit Wasserstoff beschickt. Zum anderen liefert eine Brennstoffzelle Energie für zusätzlich verbaute Elektromotoren.

    Der dritte Ansatz ist ein Nurflügler, eine Form, die viele Experten als Zukunft beim Bau von Passagierjets ansehen. Dieser wird von einem Wasserstofftriebwerk angetrieben. Sein Vorteil: Die Wasserstofftechnologie, vor allem die Tanks, ließen sich bei dieser Bauweise gut integrieren.

    Brückentechnologien bis zur Marktreife von Wasserstoff

    „Es geschieht politisch viel, gerade beim Thema Wasserstoff. Das muss man anerkennen, auch wenn natürlich immer noch mehr geht“, sagt Henke vom DLR. Klar ist aber auch: Bis Wasserstoff marktreif ist, müssen andere Ansätze als Brückentechnologie her – etwa die Weiterentwicklung der Verbrenner-Technologie und synthetische Kraftstoffe.

    Darauf weisen die Experten des DLR und des Bundesverbandes der Deutschen Luft- und Raumfahrtindustrie (BDLI) in einem gemeinsamen Grundsatzpapier ausdrücklich hin. „Das White Paper beschreibt die Situation, wie sie jetzt ist und wie wir sie in den kommenden zehn Jahren überblicken können. Wobei wir natürlich das Ziel ,Zero Emission Aviation' im Jahr 2050 vor Augen haben“, sagt Henke: „In den nächsten zehn Jahren werden wir viel gelernt haben und müssen unsere Roadmap sicher anpassen. Aber genau darum geht es: gemeinsam die möglichen Wege zu erkunden.“

    Am Ende kann die Aufgabe eines emissionsfreien Luftverkehrs allerdings nur global gelöst werden. Dafür gibt es zum Beispiel das International Forum for Aviation Research IFAR, bei dem das DLR und die Nasa Mitglied sind und das das Thema weltweit treibt.

    Dennoch sollten Deutschland und Europa laut Henke hier vorpreschen. „Wir brauchen eine große Roadmap und die enge Zusammenarbeit von Forschung, Unternehmen und Politik“, fordert der DLR-Vorstand. Das hätten alle Beteiligten auch erkannt, wie der jüngste runde Tisch der Luftfahrt im Wirtschaftsministerium gezeigt habe: „Wir haben das Potenzial. Deutschland und Europa können da auch ein wenig stolz auf das DLR sein. Das Know-how, was es hier gibt, findet sich in Europa nirgendwo.“

    Und noch einen Wunsch hat Henke: „Es ist wichtig, dass der Bau von Technologie-Demonstratoren beauftragt wird, wie das etwa die Nasa macht. Wir brauchen auch in der Forschungsförderung neue Wege.“

    Mehr: Lufthansa muss ihre Kosten noch stärker drücken als bisher geplant.

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