Das Konzept des emissionsfreies Fliegens

 

Die Ursachen

2014 bezifferte sich die Beförderungsleistung in Deutschland auf 1167 Mrd Personen km1, während der Anteil der Luftfahrt dabei 58 Mrd Personen km und somit 4,9% betrug.

Verglichen mit anderen Beförderungsmitteln, leistet die Luftfahrt somit die geringste Beförderungsleistung, produziert jedoch mit durchschnittlich 211g2 CO23 pro Personenkilometer den größten Anteil an den Schadstoff Emissionen im Verkehr.

(c) H2Fly

Summiert ergeben sich dadurch 12,2 Millionen Tonnen  CO22 die alleine durch den Luftverkehr in Deutschland 2014 entstanden sind.

Ferner ist in der folgenden Abbildung  deutlich zu erkennen, dass der Anstieg des produzierten CO23 in der Luftfahrt zwischen 1995 und 2014 mit 78% am größten von allen Beförderungsmittel ausfiel, Tendenz weiter steigend.

(c) H2Fly

In der Europäischen Union wurde auf diese Entwicklung reagiert, so dass bis zum Jahr 2020 die Schadstoffmengen um bis zu 40 % reduziert werden müssen. Außerdem sollen sich Fluggesellschaften an dem Emissionshandel mit CO2-Zertifikaten beteiligen, was eine wirtschaftliche Motivation für die Absenkung der Schadstoffemissionen mit sich bringt. Hier spiegelt die Einführung emissionsabhängiger Landeentgelte den politischen Wunsch und die Notwendigkeit der Minimierung der Schadstoff- und Lärmemissionen an Flughäfen wieder.

Das Konzept

Um die Emissionen die von der Luftfahrt produziert werden massiv zu senken, können alternative elektrische Antriebe für mittlere Strecken sowie für den Betrieb am Boden genutzt werden. Grundsätzlich lassen sich emissionsfreie Elektroantriebe aus dem terrestrischen Einsatz für den Einsatz in einem Flugzeug anpassen. Regenerative Energie wird gespeichert, welche wiederum in einem Elektromotor in Bewegungsenergie umgewandelt wird und für den Antrieb des Flugzeugs sorgt. Die zentrale Frage bleibt jedoch, wie die Energie für den antreibenden Elektromotor bereitgestellt werden soll.

Das Problem

Der Hype um Batterie getriebenen Luftfahrzeugen stieg in der Vergangenheit sprunghaft an und wird durch Politik und Medien weiter verstärkt. Ein reiner Batteriespeicher bringt jedoch einige Nachteile für die Anwendung in der Luftfahrt mit sich. Die stark eingeschränkte Reichweite sowie der Abbau seltener Erden in Schwellenländer zur Herstellung der vielen nötigen Batteriezellen (150-200 kg CO2/kWh4) sind  Nachteile, die mit den heutigen Standards der Mobilität sowie Umweltzielen nicht vereinbar sind. Möchte man z.B. einen konventionellen 19 Sitzer (977kg für Speicher und Antrieb = 2 t für Passagiere oder Fracht) mit einem reinen Batterieantrieb ausstatten, so überschreitet man selbst bei 400 Wh/kg (Gravimetrische Energiedichte des Bat. Systems) das maximal zulässige Abfluggewicht um ca. 1,2 Tonnen und hätte dabei 0 Passagiere befördert. Ein Vorteil ist jedoch die hohe Leistungsdichte der Batterie für den Start. Mit Wasserstoff (hohe Energiedichte) ließe sich die Batteriezahl deutlich reduzieren und ein Nutzlast von 615 kg für Passagiere realisieren. Ein vollständig emissionfreier Antrieb ohne Kompromisse ist somit möglich.

Die Lösung

Eine Möglichkeit Reichweite und Funktionalität zu erhöhen ist also das Nutzen von Wasserstoff Brennstoffzellen. Anders als bei Batterien lassen sich bei Brennstoffzellen Leistung und Kapazität entkoppeln und ermöglichen dadurch eine signifikante Erhöhung der Reichweite bei geringfügigem Gewichtsanstieg. Auch die geringe Betankungszeit am Boden ist ein  weiterer Vorteil dieser Schlüsseltechnologie, wodurch die Umschlagszeiten den heutigen Standards entsprechen. Der Batteriepuffer für die hohen Leistungsanforderungen kann sehr viel kleiner dimensioniert werden was Gewicht und ressourcen spart. Die Nachladezeiten werden einfach in die Luft verlegt, da die Brennstoffzelle während des Betriebes übershcüssige Energie zurück in die Batterie speisen kann.

Das Wirkprinzip

Für die Nutzung von Wasserstoff ist ein zusätzlicher Wandlungsschritt notwendig, der erste im faszinierenden Kreislauf der Wasserstoffnutzung. Durch die Wasserelektrolyse, also die Spaltung von Wasser, kann regenerative elektrische Energie in den chemischen Energieträger Wasserstoff und das lebenswichtigen Element Sauerstoff umgewandelt werden. Der so erzeugte Wasserstoff wird in Drucktanks gespeichert und als regenerativer Treibstoff der Hy4 zur Verfügung gestellt. Im Grunde wird in einer Brennstoffzelle nun die Elektrolyse umgekehrt. Sie wandelt Wasserstoff wieder mit Hilfe von Sauerstoff aus der Luft in Wasser und elektrischen Strom um, der den elektrischen Motor antriebt und der Kreislauf schließt sich.

Kreislauf

Quellen:
1: Statistisches Bunddesamt, Fachserie 8 Reihe 1.2,2014
2: Umweltbundesamt, Bezugsjahr 2014
3: CO2 Äquivalent, beinhaltet CO2, CH4 und N2O
4: Study C243, The Life Cycle Energy Consumption and Greenhouse Gas Emissions from Lithium-Ion Batteries