Einsatz von alternativen Kraftstoffen

Schon heute verfügbare Technologien mit “besseren” Kraftstoffen nutzen? Das könnte durch alternative Kraftstoffe auf Basis von Biomasse und Strom möglich werden: Biokraftstoffe aus nachhaltigen biogenen Quellen sowie E-Fuels oder synthetische Kraftstoffe, die mit Hilfe von erneuerbarem Strom synthetisch hergestellt werden.

• Nutzung mit bestehender Infrastruktur möglich

  Alternative Kraftstoffe können als Drop-in-Kraftstoffe unmittelbar fossilen Kraftstoffen beigemischt werden und nicht allein in neuen Flugzeuggenerationen die Emissionen senken, sondern auch im Bestand sowie in konventionellen Flugzeugen, die in den kommenden Jahren in den Bestand gehen. Dies ist deshalb wichtig, da Flugzeuge in der Regel eine lange Lebensdauer von bis zu 30 Jahren besitzen. Zudem ist der Einsatz von alternativen Drop-in-Kraftstoffen auch bei Langstreckenflügen möglich, für den die alternativen Optionen wie Elektro- und Wasserstoffantrieb vorerst ungeeignet scheinen.

  Für die Luftfahrtindustrie sind beim Einsatz alternativer Kraftstoffe nur wenige Umstellungen der Infrastruktur und des Betriebes notwendig. Dennoch machen die nachhaltigen Kraftstoffe im Luftverkehr in der EU nur einen Anteil von 0,05 % aller verwendeten Treibstoffe aus. Die EU-Kommission schätzt, dass sich dieser Anteil bis 2050 nur auf maximal 2,8 % erhöhen wird, wenn keine zusätzlichen Maßnahmen zur Förderung dieser Kraftstoffe ergriffen werden. Ein wichtiger Grund hierfür: Bisher sind nachhaltige Kraftstoffe um ein Vielfaches teurer als Kerosin.

• Die Zukunft von Biokraftstoffen

  Es ist noch ungewiss, inwiefern nachhaltige Biokraftstoffe in Zukunft im Luftverkehr zum Einsatz kommen können. Theoretisch wäre es möglich, den Kraftstoffbedarf zu 100 % aus nachhaltigen Biokraftstoffen zu decken, die aus energiereichen Pflanzen, landwirtschaftlichen Reststoffen wie Stroh, Mikroalgen oder Abfällen wie Ölen und Fetten hergestellt werden. So könnten mehr als 60 % der CO₂-Emissionen aus dem Luftverkehr vermieden werden. Allerdings wären extrem hohe Investitionen nötig, um die Infrastruktur zur Erzeugung dieser Kraftstoffe aufzubauen. Auch müssten die politischen Rahmenbedingungen wie beispielsweise die Ausgestaltung der CO₂-Bepreisung dazu beitragen, dass die notwendigen Kraftstoffmengen produziert werden können.

  Sollen solche Kraftstoffe für den Luftverkehr genutzt werden, würde dies zudem die bisherige Produktion von Ethanol oder Biodiesel für den Straßenverkehr übersteigen. Gleichzeitig wären immense Wassermengen und große Flächen notwendig, um Pflanzen anzubauen, die als Energiequelle dienen. Dies steht in Konflikt mit der Nutzung dieser Flächen für andere Zwecke – so sind zusätzliche Ackerflächen unverzichtbar, um Nahrungsmittel anzubauen und eine wachsende Weltbevölkerung zu ernähren. In naher Zukunft werden Biokraftstoffe daher nur in begrenztem Umfang zum Einsatz kommen. Für nachhaltigeres Fliegen sind sie keine sinnvolle und realistische Lösung.

• Was sind E-Fuels?

  E-Fuels ähneln in ihrer chemischen Zusammensetzung fossilen Kraftstoffen wie zum Beispiel Kerosin. Im Gegensatz zu diesen stammt die Energie bei E-Fuels aber nicht aus fossilem Rohöl, sondern aus Strom. Dieser Strom wird zur Auftrennung von Wasser in dessen chemische Bestandteile Wasserstoff (H₂) und Sauerstoff (O₂) mittels Elektrolyse genutzt. Der so hergestellte Wasserstoff kann als stoffliche Grundlage für weitere Prozesse eingesetzt werden.

  In dem nachfolgenden Syntheseprozess findet die Umwandlung von Kohlendioxid und Wasserstoff in Kohlenwasserstoffe statt, die dann zum Beispiel zu Kraftstoffen weiterverarbeitet werden. Hierfür wird neben dem Wasserstoff eine Kohlenstoffquelle benötigt. Auch diese muss einen nicht fossilen Ursprung haben, damit die Kraftstoffe einen Klimavorteil mit sich bringen. Als nachhaltige Quelle kann CO₂ aus biogenen Abgasströmen genutzt werden, so beispielsweise aus der Bioethanol-und Biogasherstellung. Diese Abgasströme haben einen sehr hohen CO₂-Anteil, so dass die Abscheidung verhältnismäßig wenig Strom verbraucht (0,1 –0,6 Megajoule (MJ) je kg CO₂). Allerdings sind die Mengenpotenziale beschränkt und die Erzeugungsanlagen weit über das Land verteilt, so dass sich dieser Weg tendenziell weniger gut für die großindustrielle E-Fuel-Produktion eignet. Die Abtrennung von CO₂ aus der Luft stellt in diesem Zusammenhang eine weitere Möglichkeit dar, allerdings ist der Energieverbrauch aufgrund der geringen CO₂-Konzentration in der Luft (0,04 %) mit 0,7–1,8 MJ (Strom) und 5,4–9,0 MJ (Wärme) pro kg Kohlendioxid deutlich höher.

• Vor- und Nachteile von E-Fuels

  Während das Mengenpotenzial nachhaltiger Biokraftstoffe für den Luftverkehr als eingeschränkt gilt, wird das Potenzial von PtL langfristig als ausreichend beurteilt. Ein Referentenentwurf aus dem Umweltministerium sieht ab 2026 eine Mindestquote für erneuerbare Flugturbinenkraftstoffe nicht biogenen Ursprungs von 0,5 % vor. Bis 2028 soll die Quote auf 1 % und bis 2030 auf 2 % steigen. Zusätzlich sollten Maßnahmen ergriffen werden, um die Erzeugung dieser Kraftstoffe zu fördern.

  Wichtig ist es, frühzeitig Nachhaltigkeitskriterien festzulegen – für hierzulande hergestellte Kraftstoffe ebenso für jene, die importiert werden. Das gilt insbesondere für:

  • den Strombezug bei der Herstellung und die Integration in das Stromsystem,

  • die CO₂-Quelle für die Herstellung von Kohlenwasserstoffen sowie

  • weitere soziale und ökologische Herausforderungen.

  Der Strombezug ist für die Klimaschutzwirkung strombasierter Stoffe am relevantesten. Denn wenn der Strom mit fossilen Brennstoffen erzeugt wird, können durch die Herstellung von E-Fuels sogar mehr Emissionen verursacht werden.

  Ein Nachteil synthetischer Kraftstoffe liegt im begrenztem Treibhausgasminderungsportenzial: Zwar lassen sich (fossile) CO₂-Emissionen vermeiden, die Nicht-CO₂-Effekte der Emissionen bleiben jedoch weiter relevant. Insgesamt wird geschätzt, dass sich die Klimawirkung durch den Einsatz von E-Fuels nur um etwa 30 % bis 60 % verringern lässt.

  Darüber hinaus wäre ein massiver, zusätzlicher Ausbau der erneuerbaren Energien notwendig, um den Strombedarf für E-Fuels und Elektroflugzeuge nachhaltig decken zu können. Nach Berechnungen des Öko-Instituts müsste derzeit die gesamte deutsche erneuerbare Stromproduktion dazu eingesetzt werden, um die Menge an Kerosin, die in Deutschland getankt wird, mit nachhaltig produzierten E-Fuels zu ersetzen. Allerdings brauchen wir auch weiterhin erneuerbaren Strom für viele andere Zwecke wie z.B. Licht, Wärme oder Züge. Global gesehen ist die Situation ähnlich.

Wasserstoffflugzeuge

Eine langfristige Option könnten auch mit Wasserstoff betriebene Flugzeuge sein: Wasserstoff kann aus erneuerbarem Strom hergestellt und könnte an Bord entweder in Turbinen verbrannt oder in einer Brennstoffzelle in Strom umgewandelt werden, der die Propeller betreibt. Auch Hybridsysteme sind denkbar, die sowohl Turbinen als auch Brennstoffzellensysteme nutzen.

Schon in den 1980er Jahren wurde Wasserstoff im Luftverkehr erprobt: Der Prototyp Tupolew Tu-155 nutzte Flüssigwasserstoff in einem Strahltriebwerk. Inzwischen wird in diesem Bereich wieder verstärkt geforscht: Seit dem Jahrtausendwechsel wurden mehrere Brennstoffzellen-Kleinflugzeuge als Prototypen analysiert; Airbus hat angekündigt, bis 2035 ein Wasserstoff-Flugzeug auf den Markt zu bringen, das mittlere Strecken von bis zu 4.000 Kilometern zurücklegen kann.

• Technik, Temperatur und Tanks

  Es ist sinnvoll, Wasserstoff in flüssiger Form zu nutzen, da er so eine höhere Energiedichte hat. Er wird dabei bei -253 °C in isolierten Tanks gespeichert. Trotz Isolierung kann es jedoch zum so genannten Boil-Off kommen: dem Verdampfen von H₂ und damit zu Energieverlusten. Entsprechende Sicherheitssysteme sind notwendig, damit vom Boil-Off keine Gefahr ausgeht.

  Verflüssigter Wasserstoff hat eine auf das Volumen bezogene Energiedichte von etwa 8,5 Megajoule pro Liter (MJ/l) und liegt damit etwa drei Viertel unter Kerosin (35 MJ/l). Die Wasserstoffspeicherung nimmt deshalb deutlich mehr Raum im Flugzeug ein. Darüber hinaus haben die Tanks ein hohes Gewicht, bei heutigen Prototypen macht der Wasserstoff nur einen Anteil von 20 % am Gesamtgewicht des gefüllten Tanks aus. Zukünftig müssten die Tanks so verbessert werden, dass dieses Verhältnis auf etwa 35 bis 40 % erhöht werden kann. Doch auch dann wird erwartet, dass Wasserstoffflugzeuge deutlich schwerer sein werden als heutige Flugzeuge. Je nach Flugzeugtyp – so etwa Regional- oder Langstreckenflugzeug – und Antriebssystem könnte sich das maximale Startgewicht um 10 bis 23 % erhöhen. Dies wirkt sich wiederum negativ auf den Energieverbrauch aus: Er könnte bei einem Langstreckenflugzeug um über 40 % steigen.

• Potenzial für Emissionssenkungen

  Was bedeutet die Verwendung von Wasserstoff für den Klimaschutz? Unter Berücksichtigung der Nicht-CO₂-Effekte gehen Schätzungen davon aus, dass der Einsatz von Wasserstoff die Klimawirkung um 50 bis 75 % reduzieren kann, wenn er als Brennstoff genutzt wird. Im Falle der Nutzung in Brennstoffzellen wird sogar eine Minderung um 75 bis 90 % erwartet.

• Technisch aufwändig, Zukunft unklar

  Aus heutiger Sicht ist der Einsatz von Wasserstoff in der Luftfahrt eine technisch aufwändige Lösung, die voraussichtlich nicht vor 2035 in relevanten Anwendungen eingesetzt werden dürfte. Ausnahmen wie die bereits in der Entwicklung befindlichen Kleinstflugzeuge sind eher als Proof-of-Concept zu sehen. Weiterhin ist aus heutiger Perspektive unklar, wie groß die Potenziale für nachhaltig erzeugten grünen Wasserstoff mittelfristig überhaupt sind. Dies wird es 2050 umso wichtiger machen, einen erheblichen Anteil der Flüge zu vermeiden und diese saubere Technologie, sofern sie bis dahin marktreif ist, nur bei nicht vermeidbaren Flügen einzusetzen.

Elektroflugzeuge

Batterieelektrische Flugzeuge werden mit Elektrotriebwerke betrieben, die ihre Energie aus Akkus beziehen. Im Flugbetrieb könnte der batterieelektrische Antrieb die klimafreundlichste Option im Luftverkehr darstellen: Es entstehen keine CO₂-Emissionen, auch Nicht-CO₂-Effekte treten im Gegensatz zu alternativen Kraftstoffen und mit Wasserstoff betriebenen Flugzeugen nicht auf. Norwegen – das bei der Elektrifizierung des Pkw-Verkehrs am weitesten vorangeschrittene Land – hat 2018 verkündet, dass bis 2040 alle nationalen Kurzstreckenflüge elektrisch durchgeführt werden sollen.

Eine Technik in der Entwicklung

Die Entwicklung von batterieelektrischen Verkehrsflugzeugen und von Flugzeugen mit Hybridkonzept steht noch am Beginn. Die Internationale Energieagentur nennt für batterieelektrische Flugzeuge einen Technologie-Reifegrad von 4, bezeichnet sie also als frühen Prototyp oder unter Testbedingungen bewährten Prototyp. Dennoch kommt der elekrische Antrieb bereits zur Anwendung – so zum Beispiel in Kleinstflugzeugen wie dem Airbus E-Fan. Im Probebetrieb befinden sich zudem erste umgerüstete Passagiermaschinen mit Platz für bis zu neun Fluggäste; ein gewerblicher Einsatz einer umgebauten Cessna wird für 2021 angestrebt. Allerdings sind die mögliche Flugdauer und die Reichweite mit 30 Minuten und etwa 160 Kilometern noch sehr gering.

Der größte Nachteil batterieelektrischer Antriebe im Vergleich zu Kerosin sind die geringe Energiedichte und damit das hohe Gewicht der Lithium-Ionen-Batterien. Laut dem Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt müsste ein vollelektrischer A320 für einen 20-minütigen Flug mit einer 50 Tonnen schweren Batterie ausgestattet sein, was einem Drittel des maximalen Startgewichts des Flugzeuges entspricht. Um größere Flugzeuge elektrisch zu betreiben, ist daher eine deutlich höhere Energiedichte der Akkus erforderlich.

Um diesen Herausforderungen zu begegnen, werden neben batterieelektrischen Flugzeugen auch Hybridkonzepte erforscht. Airbus hat beispielsweise das Konzeptflugzeug E-Thrust entwickelt, das neben Elektromotoren über ein herkömmliches Jet-Triebwerk am hinteren Rumpf verfügt, um damit beim Starten zusätzlichen Schub zu erzeugen. In der Reiseflughöhe würde das Jet-Treibwerk stark gedrosselt und damit nur noch Strom erzeugt, um die Elektrotriebwerke des Verkehrsflugzeuges anzutreiben.

Aus heutiger Sicht scheint es wahrscheinlich, dass noch 20 bis 30 Jahre vergehen werden, bis Elektroantriebe in Verkehrsflugzeugen in relevantem Umfang eingesetzt werden. Und auch dann wird sich der Einsatz auf kleinere Flugzeuge und Kurzstrecken von maximal 500 bis 1.000 Kilometern beschränken. Eine Entfernung, für die sich häufig der Schienenverkehr gut eignet. Hierfür batterieelektrische Flugzeuge zu nutzen, macht deshalb nur da Sinn, wo keine Schieneninfrastruktur errichtet werden kann, beispielsweise für den Flug auf Inseln.

Ein Technologiemix für die Zukunft

Es gibt also mehrere Möglichkeiten, den nicht vermeidbaren Luftverkehr in Zukunft klimafreundlicher zu gestalten. Die Optionen haben Vor- und Nachteile. Bis sie in relevanter Größe zur Anwendung kommen wird es, je nach Option, vermutlich jedoch noch mindestens 20 bis 30 Jahre dauern, weil entweder die Technologien noch nicht ausgereift oder die verfügbaren Mengenpotenziale der Kraftstoffe kurzfristig nicht ausreichend sind.

Bis 2050 könnte der Technologiemix aus Elektro- und Wasserstoffflugzeugen für den Kurzstreckenverkehr sowie alternativen Kraftstoffe für den Fernverkehr jedoch dazu beitragen, die Treibhausgasemissionen nicht vermeidbarer Flüge zu verringern. Um diese Flüge vollständig emissionsfrei zu gestalten, könnte zudem der Betrieb des Luftverkehrs angepasst werden. So könnten etwa niedrigere Reiseflughöhen gewählt werden, um die Nicht-CO₂-Effekte ebenfalls vollständig zu vermeiden. Für Nicht-CO₂-Effekte, die auch dadurch nicht vermeidbar sind, könnte das sogenannte DACCS-Verfahren (Direct Air Carbon Capture and Storage) zum Ausgleich angewendet werden. Dabei wird CO₂ aus der Luft abgeschieden und geologisch eingelagert, um es der Atmosphäre zu entziehen.

Links zu weiterführenden Informationen

• Clean Sky 2 JU und FCH 2 JU (2020): Hydrogen-powered aviation - A fact-based study of hydrogen technology, economics, and climate impact by 2050.

• DLR (2017): Die Zukunft fliegt elektrisch! Vom Lufttaxi bis zum Regionaljet.

• EASA; EEA; EUROCONTROL (2019): European aviation environmental report 2019.

• Öko-Institut (2019): Kein Selbstläufer: Klimaschutz und Nachhaltigkeit durch PtX.

• Öko-Institut (2020): E-Fuels im Verkehrssektor.

• Infras AG; Quantis (2015): Postfossile Energieversorgungsoptionen für einen treibhausgasneutralen Verkehr im Jahr 2050: Eine verkehrsträgerübergreifende Bewertung.

• UBA (2019): Wege in eine ressourcenschonende Treibhausgasneutralität – RESCUE: Langfassung.

• UBA (2019): Umweltschonender Luftverkehr lokal – national – international.

• UBA (2019): Wohin geht die Reise? Luftverkehr der Zukunft: umwelt- und klimaschonend, treibhausgasneutral, lärmarm.