Vols respectueux du climat : quelle technologie pourrait aider ?

So beschreibt Jens Friedrichs von der TU Braunschweig seine Vision für eine klimafreundliche Luftfahrt in der Mitte dieses Jahrhunderts. Der Ingenieur ist Sprecher des Exzellenzclusters „Sustain­able and Energy-Efficient Aviation“. Andere Wissenschaftler haben naturgemäß andere Vorstellungen. Die Antwort des Klima- und Verkehrsexperten Stefan Gössling von der Linné-Universität in Schweden auf die Frage, wie wir in 30 Jahren fliegen werden, lautet vor allem: weniger. „Wenn wir auch nur eine annähernd klimaneutrale Luftfahrt erreichen wollen, werden wir weniger fliegen müssen“, sagt er auf Anfrage der F.A.S.

[–>

Trotz Debatten über „Flugscham“: Die Zahl der Flüge nimmt zu

[–>

Am Himmel ist gerade ein Wettlauf von Ingenieurskunst und Klimawandel im Gange. Derzeit wächst der Einfluss der Fliegerei auf das Klima. Hierzulande gehen 3,4 Prozent der CO₂-Emissionen auf den internationalen Flugverkehr zurück. Trotz Debatten über „Flugscham“, sprechen die Zahlen eine eindeutige Sprache: Die Anzahl der Passagiere stieg in den vergangenen 20 Jahren kontinuierlich an. Nach einem Einbruch zu Beginn der Covid-Pandemie erholt sie sich nun wieder.

[–>[–>

Weltweit ist die Luftfahrt Schätzungen zufolge für bis zu fünf Prozent der menschengemachten Erderwärmung verantwortlich. Getrieben vom Bevölkerungswachstum und mehr Wohlstand, dürfte sich das Problem weiter verschärfen. Die Entwicklung der Passagierzahlen kennt derzeit nur eine Richtung. Von 2014 bis zur Pandemie stieg die Anzahl der jährlich absolvierten Flüge laut dem Dachverband der Fluggesellschaften IATA von 33 auf 38,9 Millionen an. In den kommenden 15 Jahren könnte sie Schätzungen zufolge auf weit über 50 Millionen wachsen.

[–>

Nur ein Drittel der Klimawirkung des Luftverkehrs geht auf Treibhausgase zurück

[–>

Gleichzeitig verfolgt die Internationale Zivilluftfahrtorganisation das Ziel, vom Jahr 2050 an kein CO₂ mehr auszustoßen. Bis dahin will auch die Europäische Union klimaneutral sein. Inwiefern das angesichts der steigenden Passagierzahlen ­gelingen wird, hängt davon ab, welche Kraftstoffe, Antriebe und Flugzeugtypen es in Zukunft geben wird. Das Büro für Technikfolgen-Abschätzung im Bundestag (TAB) hat vergangenen Mittwoch eine Studie dazu veröffentlich, welches Potential in den Technologien steckt.

[–>

Bei der Luftfahrt ist der Klimaschutz besonders kompliziert, denn die Maschinen stoßen nicht nur Treibhausgase aus, sondern greifen direkt in das Klimageschehen verschiedener Atmosphärenschichten ein. Es reicht daher bei Weitem nicht, den CO₂-Ausstoß zu senken. Auf ihn geht gerade mal ein Drittel der Klimawirkung des Luftverkehrs zurück.

[–>

Auch Ruß und Kondensstreifen heizen die Atmosphäre auf. Stickoxide wiederum können einerseits einen wärmenden Effekt haben, nämlich dann, wenn sie die Ozonkonzentration erhöhen. Gleichzeitig senken sie den Methangehalt in der Atmosphäre und wirken dadurch kühlend. „Die unterschiedlichen Wirkungen der Nicht­CO₂-Effekte sind nicht in Gänze verstanden“, schreiben die Studienautoren. Mit anderen Worten: Die Wissenschaft kann heute zwei Drittel des Klimaeffekts der Luftfahrt nicht eindeutig beschreiben. Das muss man bei der Analyse zukünftiger Flugzeugantriebe berücksichtigen.

[–>[–>

Kurze Strecken mit Elektromaschinen fliegen

[–>

Lediglich ein Konzept dürfte weder Treibhausgase ausstoßen noch andere Effekte haben: Flugzeuge, die mit Elektromotoren fliegen und die Energie dafür ausschließlich in Batterien speichern. Doch Akkus haben eine miserable Energiedichte. Sie sind etwa sechzigmal mal so schwer wie Kerosin mit dem gleichen Energiegehalt. Um so viel Energie mitzunehmen, wie eine A350-Langstreckenmaschine als Kerosin an Bord hat, brauchte man mehr als 6500 Tonnen an Akkus. Das maximale Startgewicht des Airbus-Jets beträgt aber nur 280 Tonnen. Derzeit wird an elektrischen Flugzeugen geforscht, 2030 könnten erste Maschinen für regionale Flüge verfügbar sein. Aber Friedrichs geht davon aus, dass solche Maschinen, wenn sie etwa 60 Passagiere transportieren sollen, höchstens 600 Kilometer weit kämen. „Danach ist Schluss, auch wenn Sie noch mal 20 Jahre Batterieentwicklung vergehen lassen“, sagt der Ingenieur.

[–>

Anders sieht es beim Wasserstoff aus. Strecken von bis zu 4000 Kilometern wären damit machbar, sagt Friedrichs. Wenn man damit eine Brennstoffzelle antreibt, die wiederum Strom für Triebwerke erzeugt, entstehen Abgase in Form von Wasserdampf. Jedoch könnte dessen Klimawirkung laut der TAB-Studie 90 Prozent geringer ausfallen als bei heutigen Flügen. Wenn man den Wasserstoff in Strahltriebwerken verbrennt, ist immerhin eine Minderung von 75 Prozent zu erwarten. Doch noch gibt es Forschungsbedarf, etwa was die aufwendigen Tanks für Wasserstoff angeht. Bei den heutigen Prototypen entfallen nur 20 Prozent des Gesamtgewichts eines gefüllten Tanks auf das darin enthaltene Gas.

[–>

Die gesamte deutsche erneuerbare Stromproduktion allein für grünen Treibstoff

[–>

Die Hoffnung für die Langstrecke sind sogenannte „Sustainable Aviation Fuels“, also Flugkraftstoffe, die ohne fossile Materialien wie Erdöl auskommen. Sie könnten nicht nur die Flugzeuge der Zukunft dekarbonisieren, sondern bereits heutige Flotten, denn bestehende Kraftstoffe lassen sich mit ihnen mischen oder gar ganz ersetzen, ohne dass man viel an den Motoren ändern müsste. „Dies ist von besonderer Bedeutung, da Flugzeuge eine Lebensdauer von bis zu 30 Jahren besitzen“, heißt es in der Studie. Mitte des Jahrhunderts werden einige der heute gebauten Maschinen noch im Dienst sein.

[–>[–>

Es gibt mehrere Varianten, die alternativen Kraftstoffe herzustellen. Bei den „E-Fuels“ verarbeitet man Wasserstoff und CO₂ zu Kohlenwasserstoffen. „Das ist aber nicht der effizienteste Weg“, sagt Stefanie Meilinger, Professorin für Nachhaltige Technologien an der Hochschule Bonn-Rhein-Sieg. Den Wasserstoff müsse man mit viel Strom aus Wasser gewinnen. Das CO₂ könnte theoretisch aus der Atmosphäre kommen, aber die Verfahren seien energieintensiv, erklärt sie. Idealerweise käme die Energie dafür aus erneuerbaren Quellen. Doch das ist derzeit kaum denkbar. Die TAB-Studie verweist auf eine Berechnung des Öko-Instituts: Um die Menge an Kerosin, die in Deutschland getankt wird, mit nachhaltig produzierten E-Fuels zu ersetzen, müsste man die gesamte deutsche erneuerbare Stromproduktion ausschließlich dafür nutzen.

[–>

Kraftstoff aus Müll – doch selbst der ist knapp

[–>

Eine andere Variante sind Biokraftstoffe, die aus Speiseöl, Abfällen oder Zucker hergestellt werden. Aber selbst organischer Müll ist knapp: „Biomasse aus Abfällen ist begrenzt verfügbar“, sagt Meilinger. Die Studie wiederum warnt davor, Pflanzen gezielt anzubauen, um Kraftstoff zu gewinnen, denn hier könnten „Konflikte mit der Ernährungssicherheit, der Landnutzung und anderen Ökosystemleistungen“ entstehen.

[–>

Meilinger meint daher, man sollte möglichst viele Wege erforschen, um synthetische Kraftstoffe herzustellen. Sie untersucht in einem Projekt mit dem Start-up Caphenia und dem Deutschen Zentrum für Luft und Raumfahrt (DLR) eine ­Methode, CO₂ aus Abfällen mittels Strom in Wasserstoff und Kohlenstoff­mon­oxid umzuwandeln, um daraus Treibstoff zu erzeugen. „Caphenia baut dafür eine Anlage, und wir begleiten das mit einer Lebenszyklusanalyse, damit man sich da nichts in die Tasche lügt“, sagt sie.

[–>[–>

Wasserdampf im Triebwerk soll Effizienz steigern

[–>

Derzeit spielen Biokraftstoffe kaum eine Rolle. Die weltweite Produktion entspricht 0,03 Prozent des gesamten Treibstoffverbrauchs. In der EU liegt ihr Anteil im Luftverkehr bei 0,05 Prozent. Der Grund: Biosprit ist teuer. Je nach Herstellungsverfahren kostet er zwei bis zehn Mal mehr als Kerosin. Die europäische Kommission geht davon aus, dass der Anteil von Biosprit an allen Kraftstoffen bis 2050 auf höchstens 2,8 Prozent steigen wird, wenn keine weiteren Fördermaßnahmen ergriffen werden.

[–>

„Wir müssen daher versuchen, den Energieverbrauch der Flugzeuge drastisch zu reduzieren“, sagt der Ingenieur Jens Friedrichs. Das beginnt bei den Triebwerken. Man könnte sie effizienter machen, indem man Wasserdampf in die Brennkammer spritzt oder mit neuartigen Getrieben die Schaufelräder außen und die Turbine im Inneren in einem günstigen Verhältnis drehen lässt. Die Hersteller experimentieren mit solchen Ideen. „Bei beiden Technologien sind Reduzierungen des Verbrauchs um zehn Prozent drin“, sagt Friedrichs.

[–>

Warum sehen sich die heutigen Jets alle so ähnlich?

[–>

Zudem müsste man das Design der Flugzeuge überdenken. Heute schon könnte man Maschinen gestalten, die 30 oder 40 Prozent weniger Treibstoff benötigen – zumindest theoretisch. Die langen, schlanken Flügel aus seiner Vision sind nicht so stabil wie die heutigen. Boeing erforscht in der Studie „X-66“ daher lange Streben, die von der Flügelmitte bis zum Rumpf verlaufen und die Tragflächen so abstützen. Doch selbst wenn die Mechanik stimmt, könnten die Flughäfen zum Problem werden. Sie sind nicht für große Spannweiten ausgelegt. Das sieht man heute schon an der Boeing 777X, die eine ungewöhnlich große Spannweite hat. Ihre Flügelspitzen lassen sich umklappen, damit es am Boden keine Probleme gibt. Friedrichs bezeichnet es als „ziemlich blöd“, diesen Mechanismus durch die Gegend zu fliegen: „Meine Gegenposition wäre: Der Flughafen muss sich nach dem Flugzeug richten, so wie sich die Bushaltestelle nach dem Bus richten muss.“

[–>[–>

Eine weitere Hürde in der echten Welt sind die Kosten. Dass Jets heute alle eine ähnliche Form haben, egal wie groß sie sind, liegt daran, dass Hersteller die konventionelle Kombination aus zylinderförmigem Rumpf mit Flügeln beinahe beliebig skalieren können, ohne jedes Teil neu entwickeln zu müssen. Dabei seien Maschinen, deren Flügel und Rumpf fließend ineinander übergehen, zwar aerodynamisch günstiger, aber: „Wenn Sie da ein großes, ein mittleres und ein kleines Modell bauen wollen, bleibt theoretisch kein einziges Bauteil außer vielleicht dem Fahrwerk gleich“, erklärt der Experte.

[–>

Wie realistisch ist es also, dass das Potential, das in neuen Entwürfen und umweltfreundlichen Kraftstoffen steckt, bis zur Mitte des Jahrhunderts abgerufen wird? Trotz aller Hürden glaubt Friedrichs daran, dass sich die Form der Flugzeuge verändern wird. „Es ist so, dass man sich nach den Anforderungen streckt, und wenn die Anforderungen höher werden, dann sieht man: Da geht noch ein bisschen was“, sagt er. Die TAB-Studie nennt etwa eine Kerosinsteuer als möglichen Hebel, verweist aber auch auf das Risiko, dass Maschinen dann eher in Gegenden ohne Steuer aufgetankt werden könnten.

[–>

Flugrouten anpassen, um Kondensstreifen zu verhindern

[–>

Deutschland bescheinigt sie ein international bedeutsames Innovationsökosystem. Jedoch verweisen die Studienautoren auch darauf, dass langfristige Investitionen in Forschung und Entwicklung nötig seien, denn wegen der Genehmigungsverfahren, Zertifizierungen und Sicherheitsauflagen dauere es in der Luftfahrt besonders lange, neue Lösungen zu etablieren. Auch die Vision von Friedrichs ist frühestens in 30 Jahren erreichbar.

[–>[–>

Doch es gibt auch kurzfristige Möglichkeiten, was gerade daran liegt, dass die zwei Drittel der Klimawirkung nicht mit dem CO₂-Ausstoß zusammenhängen. Schon heute ließen sich besonders feuchte und kalte Lufträume umfliegen, um die Entstehung von Kondensstreifen zu vermeiden. „Man vermeidet einen Hurri­cane, man umfliegt militärische Sperrgebiete oder teure Lufträume, warum nicht auch Gegenden, in denen sich erwärmende Kondensstreifen bilden würden?“, sagt Stefanie Meilinger. Entscheidend sei, dass der Umweg, der dafür nötig sei, gerechtfertigt sei. Meilinger hat dieses Konzept bereits vor über zehn Jahren erforscht. „Das, was wir damals ausgerechnet haben, zeigt: Es kann einen effektiven Beitrag zum Klimaschutz leisten“, sagt sie. Die Ergebnisse von damals wurden nie in der Praxis umgesetzt. Doch das Thema wird wieder relevanter: 2021 ließ das DLR Verkehrsflugzeuge über dem Nordwesten Deutschlands, den Beneluxländern und der Nordsee umleiten, um langlebige Kondensstreifen zu vermeiden. Das Experiment war ein Erfolg, die Kondensstreifen wurden weniger, wie unlängst in der Meteorologischen Zeitschrift zu lesen war.

[–>[–>

Die TAB-Studie kommt nach einer Abwägung des Potentials und der Hürden zu einem ernüchternden Fazit: „Eine vollständig klimaneutrale Luftfahrt lässt sich ohne eine Kompensation der Emissionen, eine Entnahme von CO₂ aus der Atmosphäre sowie eine Vermeidung von Flügen beziehungsweise eine Verlagerung von Flügen auf andere Verkehrsträger nicht erreichen.“ Lediglich eine „klimaverträgliche“ Luftfahrt ließe sich gestalten. Was das genau bedeutet, verrät die Studie nicht. Es wird wohl davon abhängen, wie viel Boden die Ingenieurskunst beim Rennen gegen den Klimawandel gutmachen kann.

[–>