Elektrische Antriebe könnten den Luftverkehr umweltfreundlicher und leiser machen. Die technischen Herausforderungen sind allerdings noch größer als beim Ausbau der E-Mobilität auf der Straße.
Stuttgart - Das Diagramm, das Len Schumann an die Wand projiziert, sagt mehr als tausend Worte. Farbige Linien zeigen den prognostizierten Kohlendioxidausstoß des Flugverkehrs in den kommenden Jahren. Dargestellt sind unterschiedliche Szenarien. Die oberste Linie steigt etwa so steil an wie ein Jet nach dem Start. „So würden sich die CO 2 -Emissionen entwickeln, wenn nichts passiert“, sagt der Wissenschaftler am Institut für Flugzeugbau der Universität Stuttgart. Bis 2050 wäre in diesem Fall mit mehr als einer Verdopplung zu rechnen.
Um den massiven Anstieg der Treibhausgasemissionen zu verhindern, seien radikal neue Technologien nötig, sagt Schumann – und fügt hinzu: „In den nächsten zehn Jahren muss etwas passieren“. Wie der Luftverkehr klimafreundlicher werden könnte, ist Thema der Fachtagung „E² Fliegen“, zu der das Deutsche Zentraum für Luft- und Raumfahrt (DLR) und die Universität Stuttgart an diesem Donnerstag und Freitag eingeladen hatten. Hinter „E²“ verbergen sich die Begriffe elektrisch und emissionsfrei.
Die Teilnehmer sind überzeugt, dass das elektrische Fliegen der aussichtsreichste Weg ist, um das Ziel eines emissionsneutralen Wachstums der Luftfahrt von 2020 an zu erreichen. Doch bis kommerzielle Elektroflieger abheben werden, sind noch große technische Herausforderungen zu bewältigen. Prinzipiell gleichen die Probleme der E-Fliegerei zwar denen beim Elektroauto – etwa die geringe Speicherdichte von Batterien, die die Reichweite begrenzt. Allerdings sind die Anforderungen im Flugzeugbau deutlich höher, vor allem im Hinblick auf Gewicht und Platzbedarf des Antriebs. Trotz solcher Hindernisse schafft es der an der Uni Stuttgart entwickelte batteriebetriebene Versuchsflieger E-Genius bereits, die Alpen zu überfliegen.
Batterien haben ihre Grenzen
Die praktischen Einsatzmöglichkeiten für reine Batterieflugzeuge seien allerdings begrenzt, sagt Josef Kallo vom Institut für Technische Thermodynamik des DLR. Sobald es über kurze Strecken hinausgehe, sei der Hybridantrieb die Technik der Wahl. Die Propeller werden dabei ebenfalls elektrisch angetrieben, doch der Strom kommt nicht nur aus einer Batterie, sondern auch von einem Generator, den ein Verbrennungsmotor oder eine Gasturbine antreibt. An die Stelle von Motor oder Turbine kann auch eine Brennstoffzelle treten, wobei der Flieger dann Wasserstoff tanken muss.
„Mit Hybridantrieben sind Reichweiten von bis zu 2000 Kilometern möglich“, sagt Kallo. Weil Motor oder Turbine dabei immer im optimalen Bereich laufen können, geht der Spritverbrauch gegenüber einem konventionellen Antrieb deutlich zurück. Mit derzeitiger Technik seien Hybride mit 40 bis 70 Sitzplätzen machbar, meint Kallo. Sie wären damit kleiner als die meisten der heute üblichen Mittelstreckenflieger – und auch etwas langsamer. Mit so genannten Open-Rotor-Antrieben könne es aber gelingen, die Höchstgeschwindigkeit auf 500 bis 700 Stundenkilometer zu steigern, so Kallo.
Wie so ein Hybridflieger aussehen könnte, zeigt Len Schumann mit seinem Konzept für einen 19-Sitzer, der zum Beispiel eine Strecke von knapp 500 Kilometern genauso gut bewältigen könnte wie ein konventionell angetriebenes Flugzeug. Nach Schumanns Berechnungen würde der Hybrid aber nur halb soviel Kraftstoff verbrauchen wie ein konventionell angetriebenes Flugzeug – und das zu vergleichbaren Kosten. Ein Hersteller, der das Konzept in die Praxis umsetzen will, hat sich bis jetzt aber nicht gefunden. „Die Industrie will lieber weiter ihre alte Technik verkaufen“, meint ein Tagungsteilnehmer. Das könnte sich in den kommenden Jahren ändern, wenn Sprit teurer und CO2-Emissionen zunehmend zum Kostenfaktor werden.
Weniger Fluglärm
Elektrische Antriebe könnten auch helfen, Fluglärm spürbar zu reduzieren. So ließen sich der Start und die erste Phase des Steigflugs rein elektrisch bewältigen. Erst später würden Verbrennungsmotor oder Gasturbine dazukommen. Weil der Energiebedarf nach Erreichen der Reiseflughöhe sinkt, könnte mit der dann nicht benötigten Motorleistung die Batterie geladen werden. Investitionen für Ladestationen am Boden wären zunächst gar nicht nötig.
Die meisten Experten sind der Ansicht, dass für längere Strecken und große Flugzeuge auch in Zukunft flüssige Kraftstoffe gebraucht werden, in denen viel mehr Energie gespeichert ist als in einer Batterie. Um von Frankfurt nach Tokio zu fliegen „müssten – rein rechnerisch – 40 Tonnen Batteriematerial statt 400 Kilogramm Flugbenzin pro Passagier mitgeführt werden“, schreibt der Direktor des Instituts für Technische Thermodynamik des DLR, André Thess, in einem Zeitschriftenbeitrag.
Synthetischer Sprit aus Ökostrom
Auch mit flüssigen Kraftstoffen kann man klimafreundlich fliegen – nämlich dann, wenn sie nicht wie bisher aus fossilen Quellen gewonnen werden, sondern durch die Umformung von Ökostrom in chemische Energie. Dabei wird Wasser per Elektrolyse in Sauerstoff und Wasserstoff zerlegt, der dann als klimaneutraler Rohstoff für synthetisches Kerosin dient. Es handelt sich gewissermaßen um indirekte Elektromobilität. Der synthetische Treibstoff wäre allerdings deutlich teurer als konventionelles Flugbenzin. „Dann würde sich der Urlaubstrip nach Mallorca von 150 auf bis zu 450 Euro verteuern“, schreibt Thess. Auf der anderen Seite werde „die neue Primärenergiequelle“ Ökostrom immer billiger. Denkbar ist auch die direkte Nutzung des regenerativen Wasserstoffs als Treibstoff – sowohl als Gas als auch in flüssiger Form.
Die Elektrifizierung des Fliegens nützt nicht nur dem Klima, sie dürfte auch das Flugzeugdesign revolutionieren. Weil Elektromotoren viel leichter als Verbrennungsmotoren oder Turbinen sind, lassen sie sich fast überall am Flugzeug platzieren – etwa an der Flügelspitze oder am Heckleitwerk. Manche Entwürfe verfügen über sechs, acht oder zehn einzelne Propeller. Andere Entwickler arbeiten an kleinen fliegenden Elektrotaxis.