Wasserstoff-Brennstoffzellenflugzeuge – wozu und wann?

Angesichts steigender Treibstoffpreise und des Klimawandels muss sich die Luftfahrtindustrie mit dem Leben nach den fossilen Brennstoffen auseinandersetzen und steht dabei vor einer besonders großen Herausforderung: Passagierflugzeuge müssen leicht und sehr sicher sein, und wie sieht es mit längeren Strecken aus? Wir haben Luftfahrt-Insider gefragt, wo Wasserstoff eine Rolle spielt.

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Wir sprachen mit Andy Reynolds, Leiter von ZEROe, dem Wasserstoffprogramm bei Airbus, und Experten von ZeroAvia auf der Reuters Hydrogen Konferenz in Amsterdam sowie mit Start-ups, die an neuen Lösungen arbeiten und diese auf der größten deutschen Luftfahrtmesse ILA in Berlin vorgestellt haben.

Obwohl sich die Experten einig sind, dass Wasserstoff der Schlüssel zu allen emissionsarmen Lösungen ist, die über kurze, lokale Flüge hinausgehen, sind alle diese Optionen nur für bestimmte Bereiche der Branche optimal. Noch dazu stehen alle vor großen Herausforderungen, bevor sie kommerziell nutzbar werden. Das Gesamtbild ist also etwas kompliziert.

Kurz gesagt, es gibt keine einheitliche Lösung für die Luftfahrt ohne fossile Brennstoffe. Um zu verstehen, welchen Platz die Wasserstoff-Brennstoffzellentechnologie einnimmt, ist es ratsam, einen kurzen und umfassenden Überblick über die nicht-fossilen Brennstoffoptionen zu geben:

Batterie-elektrische Flugzeuge sind bereits im Einsatz. Aufgrund der erforderlichen Energiedichte, um ein Flugzeug in die Luft zu bringen, werden diese nur für kleinere, lokale Flugzeuge als praktikabel erachtet.

Synthetische und Biokraftstoffe – Sustainable Aviation Fuel (SAF) genannt – können theoretisch auch Regionalflugzeuge antreiben, aber hier ist noch mehr Entwicklungsarbeit erforderlich, um Flugzeuge zu 100 Prozent mit SAF zu betreiben und die verbleibenden CO2- und Schadstoffemissionen zu vermeiden. Wasserstoff spielt hier eine Rolle: Während Bio-SAF aus Ölresten wie z. B. Speisefett hergestellt wird, kann Wasserstoff als Rohstoff für synthetisches SAF verwendet werden, der bereits dem Kerosin beigemischt und z. B. von KLM in den Niederlanden genutzt wird. Dennoch werden diese Kraftstoffarten im Allgemeinen nicht als in dem Umfang realisierbar angesehen, wie es zur Deckung der derzeitigen Nachfrage erforderlich wäre.

Die einzige emissionsfreie Lösung für größere regionale Passagierflugzeuge sind derzeit elektrische Wasserstoff-Brennstoffzellen-Antriebssysteme. Diese verwenden Wasserstoff in gasförmiger Form, aber eine viel höhere Energiedichte kann mit flüssigem Wasserstoff erreicht werden, was kryogene Tanks erfordert, um den Wasserstoff bei extrem niedrigen Temperaturen, mindestens bei -253 Grad Celsius, zu speichern. Wir werden später noch darauf zurückkommen.

Sowohl SAF als auch Wasserstoff-Brennstoffzellen sind für Regionalflüge geeignet, aber manche Flugzeuge müssen noch weiter fliegen. Von Europa nach Australien, zum Beispiel. Bislang ist die einzige brauchbare nicht-fossile Brennstoffoption für Interkontinentalflüge der Wasserstoffverbrennungsmotor, den die NASA seit Jahren verwendet, um Raketen ins All zu schicken. Dies ist nicht völlig emissionsfrei und bringt seine eigenen Herausforderungen mit sich.

Wasserstoff ist der Schlüssel zu allen emissionsarmen Lösungen

Nach der Reihe von Podiumsdiskussionen über die Zukunft der Luftfahrt auf der ILA zog deren Pressestelle am Ende der Messe ein Fazit: „Alle Teilnehmer der Podiumsdiskussion zum Thema Wasserstoff im ILA Future Lab waren sich einig: Wasserstoff hat das Zeug dazu, die Luftfahrt klimaneutral zu machen. Einig war man sich aber auch, dass die damit verbundenen Herausforderungen groß sind und weltweit gemeinsame Anstrengungen erfordern.“

Andy Reynolds von Airbus bestätigte diese Aussage im Gespräch mit uns auf der Reuters-Wasserstoffkonferenz in Amsterdam. Der Leiter der Airbus ZEROe-Einheit befasst sich nicht nur mit Wasserstoff-Brennstoffzellenflugzeugen, sondern arbeitet seit 30 Jahren an der Treibstoffeffizienz in der Luftfahrt. Während Reynolds die unmittelbare Option für die Dekarbonisierung der Luftfahrt in SAF sieht, sagt er: „Wir glauben, dass es (SAF) potenziell noch nicht genug ist.“ Vor allem, wenn man die Menge betrachtet, die erforderlich ist, um die derzeitige Nachfrage zu decken.

David Morgan, Leiter des Flugbetriebs bei EasyJet, stimmt dem zu: „Ja, die Verfügbarkeit von SAF ist ein Problem.“ EasyJet und andere Fluggesellschaften wie KLM mischen bereits heute kleine Anteile von SAF in ihren Kraftstoff.

Wasserstoff kann auf verschiedene Weise hergestellt werden, ist aber nur dann emissionsfrei, wenn er durch Elektrolyse aus erneuerbarer Energie gewonnen wird, so genannter grüner Wasserstoff. „Die Verfügbarkeit billiger Energie zur Erzeugung von Wasserstoff, der möglicherweise zur Herstellung von SAF oder zur direkten Nutzung verwendet werden kann, wird der Schlüssel sein. Es geht also um Orte auf der Welt, an denen wir relativ billige Energie bekommen und dann (Wasserstoff) produzieren können. Das wird der Schlüssel für den Start sein“, erklärt Reynolds.

Airbus hat damit begonnen, sich darauf vorzubereiten. Im Juni dieses Jahres unterzeichnete das Industriegasunternehmen Linde eine Absichtserklärung mit Airbus, um an der Entwicklung einer Wasserstoffinfrastruktur an Flughäfen weltweit zu arbeiten.

Im April dieses Jahres kündigte das Brennstoffzellen-Start-up ZeroAvia eine neue Partnerschaft mit ZEV Station an, um eine grüne Wasserstoffbetankungsinfrastruktur an Flughäfen zu entwickeln.

Wie in anderen Industriezweigen auch, ist es aufgrund der höheren Kosten für den Transport von Wasserstoff die günstigste und praktikabelste Option für die Wasserstoffinfrastruktur, ihn vor Ort oder so nah wie möglich zu produzieren. Im September vergangenen Jahres kündigten Airbus und Air New Zealand eine gemeinsame Initiative an, um zu erforschen, wie wasserstoffbetriebene Flugzeuge die Fluggesellschaft bei der Erreichung ihres Ziels unterstützen könnten, bis 2050 keine Emissionen mehr zu verursachen.

Wann können wir mit emissionsfreien Regionalflugzeugen rechnen?

Größere emissionsfreie Regionalflugzeuge werden voraussichtlich nicht vor Mitte der 2030er Jahre im kommerziellen Einsatz sein. Hier haben Airbus und ZeroAvia klare Ziele. Reynolds: „Airbus hat sehr, sehr ernsthaft begonnen. Wir arbeiten an Flugzeugen für hundert Personen und tausend nautische Meilen, wahrscheinlich Mitte der 2030er Jahre. Das ist eine große Herausforderung, aber wir glauben, dass wir es schaffen können.“

Für ZeroAvia ist der Weg dorthin ein anderer Prozess. ZeroAvia ist kein Flugzeughersteller und befindet sich noch immer in einem frühen Stadium des Unternehmens, das etwa viereinhalb Jahre alt ist. Katy Akulincheva, CFO von ZeroAvia, sagt: „Wir sind ein Antriebsunternehmen. Wir bauen kein neues Flugzeug. Wir bauen ein neues Antriebssystem, bei dem grüner Wasserstoff zunächst in gasförmiger, mit der Zeit aber auch in flüssiger Form verwendet wird und das dann mit Hilfe von Brennstoffzellen wieder in Strom umgewandelt wird. Wir haben uns von Anfang an für dieses System entschieden, weil es der beste Weg ist, um den Nullpunkt zu erreichen und auch einige der Nicht-CO2-Effekte zu berücksichtigen.“ Damit meint sie die giftigen Gase, die sowohl bei der Verbrennung von SAF als auch von Wasserstoff entstehen und an deren Beseitigung Ingenieure und Wissenschaftler noch arbeiten müssen.

Sie erklärt: „Wir sehen unsere Aufgabe darin, diese spezielle Lösung in großem Maßstab zu entwickeln, angefangen bei kleinen Flugzeugen, wo die Technologie bereits vorhanden ist und wo sie benötigt wird, um sie in naher Zukunft einzusetzen. Unser erstes Produkt wird 2024 auf den Markt kommen und kann Flugzeuge mit bis zu 20 Sitzen versorgen.“ Darüber hinaus sagt sie: „Mit der Zeit glauben wir, dass sich diese Technologie auf größere Flugzeuge im Regionalbereich und hoffentlich darüber hinaus ausweiten lässt.“

Im Juni hat ZeroAvia eine Zusammenarbeit mit Otto Aviation begonnen, um ein Brennstoffzellen-Antriebssystem für ein Otto-Langstreckenflugzeug zu entwickeln. Der wasserstoffelektrische ZA600-Antriebsstrang von ZeroAvia wird für das Celera-Flugzeug von Otto Aviation angepasst werden.

Obwohl Airbus neben Boeing einer der größten Flugzeughersteller der Welt ist, gibt es viel Bewunderung und Interesse für Start-ups, die sich ausschließlich auf Nullemissionen konzentrieren. „Es wird wirklich interessant sein, zu sehen, wie Leute wie ZeroAvia viel kleinere Produkte einführen. Sie werden uns in Bezug auf die Zertifizierung ein wenig den Weg ebnen“, sagt Andy Reynolds.

Nachrüstung bestehender Flugzeuge und Umstellung auf flüssigen Wasserstoff

In der Luftfahrtindustrie sind derzeit rund 26.000 Verkehrsflugzeuge in Betrieb. Die enorme Aufgabe, den Sektor zu dekarbonisieren, erfordert nicht nur völlig neue Flugzeuge oder die Verwendung neuer Kraftstoffe in alten Flugzeugen, sondern auch die Nachrüstung alter Flugzeuge mit neuen Antriebssträngen.

Dies ist das Ziel einer öffentlich-privaten Partnerschaft, die gerade in den Niederlanden unter dem Namen HAPPS (Hydrogen Aircraft Powertrain and Storage System) begonnen hat. Im Rahmen dieser großen Partnerschaft wird ein Wasserstoffsystem entwickelt, mit dem bestehende Regionalflugzeuge nachgerüstet werden können. Die Partner hoffen, dass mit Hilfe dieses Systems im Jahr 2028 kommerzielle wasserstoffbetriebene Flugzeuge mit einer Kapazität von 40-80 Sitzen abheben können. Das Unternehmen strebt bereits für 2024 ein wasserstoffbetriebenes Verkehrsflugzeug mit 10-20 Sitzplätzen an.

Das HAPPS-System sieht vor, ein klassisches Verbrennungs-Turboprop-Triebwerk durch Elektromotoren zu ersetzen, die ihre Energie aus Brennstoffzellensystemen beziehen, die in den Triebwerksschächten hinter dem Motor und den Triebwerken angeordnet sind. Flüssigwasserstofftanks werden im Heck des Flugzeugs untergebracht. Wie Airbus, ZeroAvia und andere wird auch HAPPS mit kryogenen Flüssigwasserstofftanks arbeiten müssen, um eine höhere Energiedichte zu erreichen. Dies ist ein wichtiger Schwerpunkt bei Airbus.

Im Mai eröffnete Airbus im Vereinigten Königreich ein Zero Emission Development Centre (ZEDC) für Wasserstofftechnologien. Ein Schwerpunkt des britischen ZEDC in Filton bei Bristol wird die Entwicklung eines kostengünstigen Tieftemperaturtanks sein. Reynolds erklärt: „Airbus ist sich darüber im Klaren, dass wir keine Experten für kryogenen Wasserstoff sind und dass es schwierig ist“. Er fügt jedoch hinzu: „Als Ingenieur ist es wirklich interessant, damit anzufangen. Es ist also kein Problem, Leute für das Projekt zu gewinnen. Schwieriger ist es, sie dazu zu bringen, sich auf das Projekt einzustellen und es zu verwirklichen, und das Ausmaß all der Dinge zu verstehen, die wir tun müssen.“

In Deutschland gab es kürzlich einen Durchbruch an dieser Front: Der deutsche Entwickler von Brennstoffzellenflugzeugen, H2FLY, hat nach eigenen Angaben mit den letzten Vorbereitungen für die Integration von Flüssigwasserstofftanks in das HY4-Testflugzeug begonnen. Ein intensives Programm von Bodentests soll Anfang 2023 beginnen.

Wird genug und schnell genug getan?

Es wird schnell klar, dass Wasserstoff, ob für SAF, Brennstoffzellentechnologie oder Verbrennung, die Zukunft der Luftfahrt jenseits fossiler Brennstoffe ist – aber wann wird er in großem Maßstab eingesetzt werden? In diesem Zusammenhang wies Reynolds darauf hin, dass viele Leute aus der gesamten Wasserstoffbranche davon sprechen, die Kosten für grünen Wasserstoff zu senken. „Wir sprechen hier immer über grünen Wasserstoff und dass er heute von entscheidender Bedeutung ist. Er erklärt: „Wissen Sie, beide Enden dieser Gleichung werden sich wahrscheinlich verschieben. Der Preis für Kerosin wird wahrscheinlich steigen, und wir können hoffentlich den Preis für Wasserstoff senken. Der Grund dafür, dass Airbus viel Personal, Ressourcen und Geld in die emissionsfreie Technologie investiert, ist, dass wir den Fluggesellschaften eine Option für den Tag bieten, an dem Wasserstoff offensichtlich der Kraftstoff der Wahl ist.

Wann dieser Tag kommt, ist nicht sicher. Auf die Frage, was passieren könnte, wenn der Ölpreis – und damit auch der Preis für Flugzeugtreibstoff – schneller als erwartet steigt, antwortet Reynolds: „Wir setzen die Lieferanten und uns selbst auf der Angebotsseite sehr, sehr stark unter Druck. Ist das schnell genug? Nun, die Zeit wird es zeigen.“

Original-Artikel von Carrie Hampel erschienen auf electrive.com
Übersetzung von Sebastian Schaal