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Luftfahrtforschung

Emissionsfreies Fliegen: Der (Wasser-)Stoff, aus dem Träume sind

Es ist die Frage in der Luftfahrtindustrie: Wie lässt sich angesichts der Folgen des Klimawandels der weltweite Flugverkehr zukünftig emissionsfrei gestalten? Wasserstoff ist eine Lösung. Doch es gibt noch zwei zentrale Fragen zu klären.

Alle Bilder: ZAL DReinhardt

Die Antwort ist, wie so oft, nicht eindeutig und erst recht nicht einfach. Denn während sich in Branchen wie der Automobilindustrie mittlerweile abzeichnet, dass sich wohl das batterieelektrische Fahren im Massenmarkt durchsetzen wird (siehe Tesla oder Volkswagen), wird es in der Luftfahrt eher auf einen Lösungs-Mix herauslaufen.

Eines Tages emissionsfrei fliegen

Den Weg des Autos wird die Luftfahrt auf absehbare Zeit nur im absoluten Kurzstreckenbereich folgen können, zu schwer und ineffizient sind Batterien für einen großflächigen Einsatz in der dritten Dimension. Das Flugtaxi von Volocopter ist für so einen Anwendungsfall aber ein gutes Beispiel. Eine weitere Maßnahme ist der großflächige Einsatz von Sustainable Aviation Fuels, abgekürzt SAF.

Insbesondere die Weltluftverkehrsorganisation IATA verspricht sich von dieser Technologie, bei der Jetfuel beispielsweise aus Wasserstoff und Kohlenstoff synthetisch hergestellt wird, einen großen Mehrwert für die Dekarbonisierung des Luftverkehrs in den nächsten 30 Jahren. SAF mag ein wichtiger Anfang sein, führt uns aber noch nicht ganz zum Ziel, völlig emissionsfrei zu fliegen. Zudem sind auch für diese Technologie die Produktionskapazitäten derzeit noch absolut marginal und auch der Primärenergiebedarf aus «grünen» Quellen ist auf Dauer viel zu hoch.

Die Vorteile von Wasserstoff

Es bleibt ein weiterer großer Hoffnungsträger, der insbesondere in Europa – und damit sind sowohl die EU als auch Großbritannien gemeint – derzeit besonders stark im Vordergrund steht: Wasserstoff! In der Tat besitzt Wasserstoff einige für die Luftfahrt entscheidende Vorteile: H2 zeichnet sich durch eine vergleichsweise hohe Energiedichte aus, ist – im Gegensatz zu Batterien jeglicher Art – extrem leicht und lässt sich, ähnlich wie Kerosin, auch über längere Distanzen gut transportieren und lagern.

Wasserstoff als Antriebsstoff in der Luftfahrt ist zudem alles andere als neu: Schon in den 1930er Jahren flogen wasserstoffgefüllte Zeppeline über den Atlantik. In den Endjahren des Sowjet-Flugzeugbaus wurde bei Tupolev noch eine Tu-154 auf Wasserstoffantrieb umgerüstet, die dann als Tu-155 zahlreiche Flugtests erfolgreich absolvierte. In der EU wurde in den 1990ern in einem Konsortium mit Airbus zum «Cryoplane» geforscht. Auch bei uns im ZAL TechCenter, das Anfang 2016 eröffnet wurde, war Wasserstoff von Anfang an als ein Schwerpunktthema verankert. In unserem Fuel Cell Lab bilden wir seitdem die komplette Prozesskette von Beratung und Machbarkeitsstudien bis zum maßgeschneiderten Prototypen ab.

Der Klimawandel und die politische Debatte werden die Luftfahrt verändern

Wasserstoff war somit schon seit langer Zeit ein Forschungsliebling der Luftfahrtindustrie. Seitdem sich der Klimawandel und ein ernstes Hinterfragen von Emissionen auch in der gesellschaftlichen und politischen Debatte verankert haben, hat das Thema jedoch noch eine völlig neue Stufe der Wahrnehmung erklommen. Die Wasserstoffforschung wurde sozusagen «geboostert».

Was hält uns mit diesem Rückenwind noch davon ab, morgen schon in ein Wasserstoff-betriebenes Verkehrsflugzeug einzusteigen? Neben den oben schon erwähnten Vorteilen bringt das Element noch zwei entscheidende Fragestellungen mit:

1. Wie bauen und betreiben wir ein Flüssigwasserstoff-Verkehrsflugzeug?

Wasserstoff mag einen großen Gewichtsvorteil haben, der Haken ist jedoch sein sehr großes Volumen. Als gasförmiger Treibstoff ist er damit für den Flugbetrieb ineffizient, zu groß wäre der Platz, der für die Tanks im Flugzeug benötigt würde. Flüssiger Wasserstoff wäre als Treibstoff optimal, allerdings liegt der Siedepunkt des Elements bei -253°C. Es müssen also zahlreiche neue technologische «Bricks» entwickelt werden, um mit flüssigem Wasserstoff zu fliegen. Dazu zählen nicht nur entsprechende Tanks, sondern auch sämtliche Komponenten rund um das Wärmemanagement, damit sichergestellt wird, dass die Mindesttemperatur von -253°C unter allen Bedingungen eingehalten wird.

Entscheidend ist zudem die Frage nach dem Antriebsmodul: Naheliegend wäre die Umrüstung einer entsprechenden Gasturbine, wie sie heute schon existiert. Ein weiterer Entwicklungsschritt, der jedoch auch eine Weiterentwicklung des Flugzeugdesigns mit sich brächte, wäre der Einsatz von Brennstoffzellen mit nachgeschalteten Elektromotoren, wie sie unter anderem vom Stuttgarter Unternehmen H2FLY mit Prof. Kallo erforscht werden und wo bereits ein fliegender Demonstrator existiert. In Großbritannien ist das Startup ZeroAvia derzeit prominentester Akteur in diesem Bereich und rüstet unter anderem eine Dornier 228 für seine Zwecke um. Airbus konzentriert sich mit der «ZeroE»-Strategie seit 2020 ebenfalls vollständig auf den Wasserstoffantrieb, lässt sich aber durch die Bandbreite an präsentierten Konzepten – vom Turboprop bis zum Blended-Wing-Body – derzeit noch alle Türen für die technologische Ausgestaltung offen.

Ein Vorteil der Brennstoffzelle in der Theorie: Durch ihren Einsatz würde sich die Bildung von Kondensstreifen und damit auch deren Klimawirkung verringern. Im Gegensatz zum Strahltriebwerk ließe sich die Abwärme jedoch bei der Brennstoffzelle nicht einfach über Verbrennungsgase ausstoßen. Hier bedürfte es also beispielsweise der Entwicklung neuartiger Wärmetauscher, die wiederum das Gewicht des Flugzeugs nicht über die Maßen beanspruchen dürften.

2. Wie schaffen wir eine nachhaltige Wertschöpfungskette für nachhaltigen Wasserstoff?

Der heutige genormte Treibstoff hat einen großen Vorteil: Er ist an fast jedem Airport dieser Welt verfügbar und mit genormten Stutzen tankbar. Für Wasserstoff hingegen müsste diese Infrastruktur hingegen erst neu geschaffen werden. Während in der EU schon konkret überlegt wird, welche existierenden Erdgaspipelines sich künftig hierfür nutzen ließen, versucht es Paul Eremenko, ex-CTO von Airbus und United Technologies, mit seinem kalifornischen Startup Universal Hydrogen mit einem «Hack»: Ähnlich den Nespresso-Kapseln möchte das Unternehmen ein Retrofit-System für H2-gefüllte Kartuschen anbieten, die am Boden einfach ins Flugzeug geladen und bei jedem Stopp getauscht werden können.

Viel entscheidender ist jedoch – ähnlich wie bei SAF – die Frage, wie sich Wasserstoff überhaupt in der für die Luftfahrt benötigten Menge produzieren ließe. Denn nur «grüner», also vollständig aus erneuerbaren Energien wie Sonne und Wind produzierter Wasserstoff, käme hierfür überhaupt in Frage. Dieser grüne Wasserstoff wird zumindest in der Anfangszeit für alle Nutzer sehr kostbar sein, womit die Luftfahrt eine besondere Motivation hätte, möglichst wenig davon zu verbrauchen. Aufwändige Technologien und neue Materialien zur Reduzierung des Verbrauchs, wie aktive Laminarisierung, dürften in diesem Zuge noch einmal an Relevanz gewinnen.

Die nächsten Jahre werden viele Erkenntnisse bringen

Die zu bewältigenden Herausforderungen für einen Wasserstoff-getriebenen Luftverkehr bleiben also hoch. Doch davon sollten wir uns nicht entmutigen lassen. In den nächsten Jahren werden sich viele Türen öffnen für diejenigen, die zu diesem Thema frische Ideen und Visionen haben, sowohl für Forschende aus dem Hochschulumfeld als auch für Gründer*innen, die mit eigenen Unternehmen Teil der neuen Supply Chain werden können. Neben einem deutlichen Ausbau an staatlichen Fördermitteln steht auch zunehmend Venture Capital zur Verfügung.

Wasserstoff ist für unsere Branche die «new frontier», mit der wir nach vielen Jahrzehnten der Evolution noch einmal technologisch mit einem Satz nach vorne springen könnten. Die nächsten zehn Jahre werden hierfür entscheidend sein.

Mit dem Sustainable Aero Lab fördern wir dabei den «Early-Stage»-Bereich seit Anfang 2021 sehr effizient. Als ZAL sind wir dann in späteren Stufen sehr schlagkräftig, wenn es um die Anwendung und die Integration ins Flugzeug geht. Um es vielleicht etwas kryptisch zu sagen: Das ZAL wird das Wasserstoff-Flugzeug nicht erfinden, aber im ZAL werden die Komponenten und Partner dafür sicherlich zusammengebracht werden, damit es später abheben kann.

Roland Gerhards ist freier Kolumnist von aeroTELEGRAPH. Er ist Geschäftsführers des Zentrum für Angewandte Luftfahrtforschung (ZAL) in Hamburg. Die Meinung der freien Kolumnisten muss nicht mit der der Redaktion übereinstimmen.



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