ALTERNATIVE ENERGIETRÄGER

Der batterieelektrische Flug
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Flugzeuge sind rund um den Faktor 10 gewichtssensibler als Autos. Auch wenn sich der batterieelektrische Antrieb für den Straßenverkehr als die zukünftige Lösung abzeichnet, so ist dies für die wesentlich gewichtssensiblen Flugzeuge ungleich schwieriger.

Die nachfolgende physikalische Energiebetrachtung soll zeigen, welche Leistungen für den Reiseflug mit batteriebetriebenen Flugzeugen derzeit erreichbar sind.

z.B. nutzbare Batteriekapazität  (ca. 140 kg)      20 kWh

Verluste (Motor, Inverter, Kabel, ...)                       -10%

Zur Verfügung stehende Antriebsenergie            18 kWh

Beschleunigung bis Erreich.d. Reiseflughöhe  -1,2 kWh

gesetzl. Min-Reserve 30  Min. (20 kW / 27 PS)  - 10 kWh

verbleib. Energie für den geplanten Reiseflug  6,8 kWh

Welche Flugzeit ist mit 6,8 kWh an Energie erreichbar?

                                                Standard       Minimum

angenomm. Reiseleistung  50kW/70PS   30kW/41PS

legal planbare Flugzeit      8,2 Minuten  13,6 Minuten

Bei dieser Betrachtung ist noch kein Stromverbrauch für das Flugzeug selbst, für die Avionik, elektrische Landeklappen, Einziehfahrwerk oder gar einer Heizung oder Druckkabine berücksichtigt !

Elon Musk sieht für die nächsten Jahre eine Steigerung der Energiedichten bei Batterien von bis zu 40 %. Selbst wenn sich die Energiedichte der Batterien in den nächsten 10 Jahren sogar verdoppeln lassen würde, so würde die planbare Reichweite für den Reiseflug bei weitem nicht den Vorstellungen der Piloten entsprechen.

Daher ist davon auszugehen, dass rein batterieelektrisches Fliegen im Wesentlichen auf den flugplatznahen Betrieb eingeschränkt bleiben wird, z.B. für die Ausbildung und das Schleppen von Segelflugzeugen.

Wasserstoff als Energieträger

Wasserstoff kommt in der Natur nicht in direkt verwendbarer Form vor. Wasserstoff muss technisch erzeugt werden, um ihn nutzbar zu machen. Wasserstoff ist immer farblos, allerdings haben sich mehrere Bezeichnungen eingebürgert, um ihn hinsichtlich der Herstellverfahren zu unterscheiden.

Der sogenannte grüne Wasserstoff wird mittels Elektrolyse hergestellt. Hierbei wird die sogenannte erneuerbare Energie aus Wasser-, Sonnen- und Windkraft für die Aufspaltung von Wasser (H2O) in Wasserstoff und Sauerstoff gewonnen. Dieses Verfahren ist mit einem Wirkungsgrad von nur rund 80 % möglich. D.h. 20 % der wertvollen erneuerbaren Energie geht bereits im ersten Schritt verloren.

Wir werden die wertvollen regenerativen Energien dringend für die batterieelektrischen Fahrzeuge im Straßenverkehr sowie vielen anderen Anwendungen benötigen, für die die elektrische Energie kaum zu ersetzen ist. Der Umstieg von Gas-Heizungen auf Wärmepumpen sowie die Energiewende in der Industrie benötigen zusätzlich enorme Mengen an regenerativer Energie. Es kann daher nicht davon ausgegangen werden, dass in gemäßigten Klimazonen jemals so viel Sonnen- und Windenergie gewonnen kann, dass man vor Ort auch noch grünen Wasserstoff für die Mobilität produzieren kann. 

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Wasserstoff müsste demnach zum allergrößten Teil in sonnen- und windreichen Regionen auf der ganzen Welt hergestellt werden. Allerdings ist Wasserstoff nicht so einfach mittels großen Tankschiffen über die Ozeane transportierbar. Hierfür sind Tanker mit sehr gut isolierten Druckbehältern erforderlich, die den Wasserstoff in verflüssigter Form, also auf minus 253 heruntergekühlt, transportieren können.

Das jüngste und größte Modell eines Wasserstoff-Tankers wurde vom niederländischen Energieunternehmen LH2 Europe entwickelt. Es wird erst 2027 in Betrieb gehen. Der 142 Meter lange Flüssigwasserstoff-Tanker fasst 37.500 m³. Allerdings ist auch verflüssigter Wasserstoff mit nur 71 kg/m³ sehr leicht, wodurch dieser größte Drucktank-Tanker nur 2.660 Tonnen an verflüssigtem Wasserstoff transportieren kann. Auch davon geht ein Anteil von rund 15 - 20% durch Boil-off während der Fahrt verloren.

Somit kommen nur rund 2.260 Tonnen Wasserstoff am Zielhafen an, was einer Energie von rund 75 Millionen kWh entspricht.

Im Vergleich dazu fasst ein mittlerer Öltanker, mit dem auch eFuels transportiert werden können, rund 250.000 Tonnen, was einer Energie von 3 Mrd. kWh entspricht. 

40 Wasserstofftanker können also gleich viel Energie transportieren, wie ein Tanker für eFuels !

Hinzu kommt, dass Öl-, Diesel- und Kerosintanker durch die Energiewende nach und nach frei werden und für den Transport von eFuels eingesetzt werden können. Wasserstoff-Tanker gibt es zurzeit nicht und müssten von Grund auf neu entwickelt, produziert und in den Einsatz gebracht werden. Hier für würden riesige Investitionen erforderlich werden.

Andere Herstellungsverfahren, wie z.B. grauer Wasserstoff verwenden Erdgas, also Methan als Basis. Bei der Umwandlung von Methan in Wasserstoff, so wie der größte Teil des heute hergestellten Wasserstoffs produziert wird, werden pro kg Wasserstoff rund 10 kg CO2 frei, weshalb dies umweltschutztechnisch sehr bedenklich ist.

Wasserstoff als Energieträger ist mit schwierig zu lösenden Herausforderungen in der Allgemeinen Luftfahrt verbunden:

Infrastruktur

  • der größte Teil an Flugzeugen der Allgemeinen Luftfahrt wird an kleinen Flugplätzen, sehr oft im Vereinsbetrieb, geflogen. Es ist unwahrscheinlich, dass Flugplätze und Vereine ca. 1 Mio.€ pro Wasserstofftankstelle investieren würden, wenn sie dafür 3 - 6 nagelneue Flugzeuge anschaffen können. Zudem stellt sich die Frage, ob sich die Investition in eine Wasserstofftankstelle jemals rechnet.

Technik

  • enormes Gewicht und umfangreiche Technik der Komponenten (Tanks, Brennstoffzelle, Leitungen, Technik, usw.)

  • großes Volumen der Wasserstofftanks

  • Ein Umbau von bestehenden Flugzeugen gestaltet sich sehr schwierig. D.h. es müssten neue Flugzeuge für den Wasserstoffantrieb entwickelt, produziert und angeschafft werden.

 

Es ist davon auszugehen, dass es daher Jahrzehnte dauern würde, bis vom Umstieg auf wasserstoffbetriebene Flugzeuge hinsichtlich dem dringend voranzutreibenden Umweltschutz etwas zu spüren wäre.

 
Synthetische Kraftstoffe - eFuels
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Synthetische Kraftstoffe werden aus CO2 aus der Luft, Wasser und Sonnen- oder Windenergie hergestellt. Dabei wird bei der Produktion exakt so viel CO2 aus der Luft aufgenommen, wie später bei der Verbrennung wieder freigesetzt wird. Daher ist mit synthetischen Kraftstoffen, sogenannten eFuels, ein CO2-neutraler Betrieb von Flugzeugen möglich.

Der Wirkungsgrad bei der Herstellung von eFuels ist geringer als bei der Herstellung von Wasserstoff, da der Wasserstoff die Ausgangsbasis für die Herstellung von eFuels ist. Allerdings haben Flüssig-Kraftstoffe den Vorteil, dass der Transport wesentlich einfacher und günstiger als der von Wasserstoff ist und die dafür erforderliche Infrastruktur für den Transport bis zur Betankung am Flughafen bereits vorhanden ist. Somit ist der Transport von eFuels über große Strecken kostengünstig und wesentlich energiesparender möglich.

Synthetische Kraftstoffe können daher dort hergestellt werden, wo regenerative Energie im Überfluss vorhanden ist, also in sonnen- und windreichen Regionen auf der ganzen Welt. Die Installation einer Solaranlage in Wüstengegenden produziert bei gleichem Investment die rund dreifache Menge an grüner Energie im Vergleich zu Anlagen z.B. in Mitteleuropa. Dies gleicht den nicht optimalen Wirkungsgrad bei der Herstellung von eFuels mehr als aus. Auch Transportschiffe können mit eFuels CO2-neutral betrieben werden.

FAZIT

Die Entwicklung neuer Flugzeuge für batterieelektrische oder wasserstoffbasierte Antriebe würde viele Jahrzehnte in Anspruch nehmen. Bis dann die neuen Flugzeuge tatsächlich in Betrieb sind und erste spürbare Effekte hinsichtlich eines CO2-mindernden Betriebs erkennbar wären, würde es nochmals Jahrzehnte brauchen. Ganz unabhängig davon betrachtet stellt sich die Frage, ob mit diesen Technologien jemals die geforderten Reichweiten und Anforderungen der Luftfahrt erreicht werden können.

eFuels machen keinen Sinn, wo batterieelektrische Lösungen anwendbar sind. Mit eFuels kann aber der Flug- und Schiffsverkehr in absehbarer Zeit auf einen CO2-neutralen Betrieb umgestellt werden. Dies ist mit den bestehenden Schiffs- und Flugzeugflotten möglich. Auch das gesamte Infrastrukturnetz ist hierfür vorhanden. Dadurch lassen sich in einer wesentlich kürzeren Zeitspanne entsprechende Maßnahmen hinsichtlich des dringend erforderlichen Umweltschutzes setzen.

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