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Die Wasserstoffrevolution am Himmel
In Großbritannien ist ein rekordverdächtiges Wasserstoffflugzeug im kommerziellen Maßstab gestartet, weitere sollen bald hinzukommen. Wie weit können solche Flugzeuge gehen, um die Emissionen der Luftfahrtindustrie zu senken?
Als das Flugzeug von der Landebahn aufstieg, um einen reibungslosen und ereignislosen Flug zu gewährleisten, atmete das Team erleichtert auf. Die sechssitzige Piper M-Klasse war in einem Forschungs- und Entwicklungszentrum am britischen Flughafen Cranfield für den Betrieb mit Wasserstoff ausgestattet worden, und bei diesem Jungfernflug im Spätsommer 2020 funktionierte alles einwandfrei. Mit diesem Flug war ZeroAvia, das in Kalifornien ansässige Start-up, das das Flugzeug mit Partnern in Großbritannien und anderswo entwickelt hatte, bereit, die nächste Etappe auf dem Weg zur CO2-freien Luftfahrt zu erreichen.
Ein Schlagwort für den Übergang zu einer kohlenstoffarmen oder kohlenstoffarmen Wirtschaft ist "alles elektrifizieren" - das heißt, eine Welt schaffen, in der die meisten menschlichen Aktivitäten, von der Herstellung über den Bau bis hin zu Verkehr und Tourismus, mit Strom betrieben werden, der aus kohlenstoffarmen oder kohlenstoffarmen Quellen wie z als Wind-, Sonnen- und vielleicht Atomkraft. Aber es gibt ein Problem: Einige Sektoren scheinen kurz- und mittelfristig schwer oder gar nicht elektrifizierbar zu sein, und die Luftfahrt ist vielleicht die wichtigste unter ihnen.
Bevor die Pandemie die meisten Flüge auslöste, machte die kommerzielle Luftfahrt etwa 2,5% der weltweiten Kohlendioxidemissionen aus . Es klingt wie ein kleiner Teil des Ganzen, aber es ist mehr als das von Deutschland (2,2%), und das ist nicht die ganze Geschichte. Kohlendioxid macht etwa die Hälfte des Beitrags der Luftfahrt zum sogenannten effektiven Strahlungsantrieb aus, dh zum Gesamtbeitrag zu den Faktoren, die tatsächlich zu einem Anstieg der globalen Durchschnittstemperatur führen. Kondensstreifen - Wasserdampfspuren von Flugzeugen - sind der größte andere Faktor der Luftfahrt.
Wichtig im Zusammenhang mit dem Flug ist, dass Wasserstoff viel Energie pro Masseneinheit packt
Die gute Nachricht ist, dass die kommerzielle Luftfahrt eine hervorragende Erfolgsbilanz bei der Verbesserung der Effizienz vorweisen kann. Die Kohlendioxidemissionen pro Passagierflug sind seit 1990 dank verbesserter Triebwerke und Betriebsabläufe um mehr als 50% gesunken . Die schlechte Nachricht ist, dass diese Gewinne durch das steigende Flugverkehrsvolumen überwältigt wurden. Dies hat in den letzten fünf Jahren um mindestens ein Fünftel zugenommen und wird bis 2050 voraussichtlich 10 Milliarden Passagiere pro Jahr erreichen .
Auf den ersten Blick scheint Wasserstoff eine gute Lösung für die Herausforderung des Fliegens zu sein, ohne das Klima zu zerstören. Unabhängig davon, ob Wasserstoff zum Antrieb einer Brennstoffzelle zur Stromerzeugung verwendet oder direkt zur Antriebskraft verbrannt wird, ist sauberes Wasser das einzige Abfallprodukt. Wichtig im Zusammenhang mit dem Flug ist, dass Wasserstoff viel Energie pro Masseneinheit enthält - dreimal mehr als herkömmlicher Düsentreibstoff und mehr als hundertmal so viel wie Lithium-Ionen-Batterien .
Regierungen und Unternehmen investieren in dieses Potenzial. Der wasserstoffbetriebene Flug 2020 von ZeroAvia, bekannt als HyFlyer I, wurde von der britischen Regierung unterstützt, deren Jet Zero Council "einen Laserfokus auf britische Produktionsanlagen für nachhaltige Flugkraftstoffe und die Beschleunigung des Designs, der Herstellung und des kommerziellen Betriebs von Zero-" verspricht. Emissionsflugzeuge. "
Die britische Regierung unterstützt ZeroAvia zusammen mit privaten Investoren und Handelspartnern bei der Entwicklung eines Flugzeugs mit einem wasserstoffelektrischen (Brennstoffzellen-) Antriebsstrang, der bis zu 20 Passagiere mit einer Länge von 648 km befördern kann. Der Gründer und Geschäftsführer von ZeroAvia, Val Miftakhov, geht davon aus, dass das Unternehmen bereits 2023 kommerzielle Flüge mit einem solchen Flugzeug anbieten wird und dass es bis 2026 Flüge über eine Reichweite von 926 km in Flugzeugen mit bis zu 926 km realisieren kann bis 80 Sitzplätze. Für 2030 hat Miftakhov noch größere Pläne: "Wir werden Single-Aisle-Jets mit 100 Sitzplätzen haben", sagt er.
Auch auf dem europäischen Festland gibt es Ambitionen. Wasserstoff "ist einer der vielversprechendsten Technologievektoren, mit denen Mobilität weiterhin das Grundbedürfnis des Menschen nach Mobilität in besserer Harmonie mit unserer Umwelt erfüllen kann", sagt Grazia Vitaldini, Chief Technology Officer bei Airbus, dem weltweit größten Flugzeughersteller. Im September 2020 kündigte Airbus an, dass wasserstoffbetriebene Antriebssysteme das Herzstück einer neuen Generation emissionsfreier Verkehrsflugzeuge sein werden. Das Projekt mit dem Namen ZeroE ist ein Flaggschiff des milliardenschweren Konjunkturpakets der Europäischen Union zur Ökologisierung der Blockwirtschaft.
Airbus hat drei Konzeptflugzeuge vorgestellt, von denen behauptet wird, dass sie bis 2035 einsatzbereit sein könnten. Das erste ist ein Flugzeug mit Turboprop-Antrieb (Propeller), das rund 100 Passagiere mit einer Länge von 1.850 km befördern kann. Der zweite, ein Turbofan (Jet), könnte 200 Passagiere doppelt so weit befördern. Beide sehen bereits vorhandenen Flugzeugen ähnlich, aber das dritte Konzept von ZeroE ist ein futuristisch aussehendes Blended-Wing-Design, das eine bemerkenswerte Abkehr von den heutigen kommerziellen Modellen darstellt. Laut Airbus könnte dieses dritte Design mehr Passagiere über größere Entfernungen befördern als die beiden anderen, hat jedoch zu diesem Zeitpunkt noch keine weiteren Details veröffentlicht. Alle drei Konstruktionen sind als Wasserstoffhybride vorgesehen, was bedeutet, dass sie von Gasturbinentriebwerken angetrieben werden, die flüssigen Wasserstoff als Brennstoff verbrennen und auch Strom über Wasserstoffbrennstoffzellen erzeugen.
Die Arbeit bei ZeroAvia und Airbus hat großes Interesse geweckt, aber nicht jeder in der Luftfahrtindustrie ist davon überzeugt, dass Wasserstoff eine wichtige Rolle beim Übergang zum kohlenstoffarmen oder kohlenstofffreien Flug spielen wird.
Es stellt sich die Frage, ob Wasserstoff in großem Maßstab und zu einem wettbewerbsfähigen Preis hergestellt werden kann, ohne selbst einen großen CO2-Fußabdruck zu haben
Die Nachteile beginnen mit der Physik und Chemie. Wasserstoff hat eine höhere Massenenergie als Düsentreibstoff, aber eine geringere Volumenenergie. Diese geringere Energiedichte ist darauf zurückzuführen, dass es sich um ein Gas mit einem typischen atmosphärischen Druck und einer typischen Temperatur handelt. Das Gas muss komprimiert oder durch Abkühlen auf extrem niedrige Temperaturen (-253 ° C) in eine Flüssigkeit umgewandelt werden, wenn es in ausreichenden Mengen gelagert werden soll. "Lagertanks für das komprimierte Gas oder die komprimierte Flüssigkeit sind komplex und schwer", sagt Finlay Asher, ehemaliger Flugzeugtriebwerksdesigner bei Rolls-Royce und Gründer von Green Sky Thinking, einer Plattform zur Erforschung einer nachhaltigen Luftfahrt.
Und es gibt noch andere Herausforderungen. Die Energiedichte von flüssigem Wasserstoff beträgt nur etwa ein Viertel der von Düsentreibstoff . Dies bedeutet, dass für die gleiche Energiemenge ein viermal so großer Speichertank benötigt wird. Infolgedessen müssen Flugzeuge möglicherweise weniger Passagiere befördern, um Platz für die Lagertanks zu schaffen, oder sie werden erheblich größer. Die erste Option, die für die ersten beiden Konzeptflugzeuge von Airbus gilt, würde eine Reduzierung der Ticketeinnahmen bedeuten, wenn andere Dinge gleich sind. Die zweite Option, die im dritten Konzept von Airbus enthalten ist, erfordert eine größere Flugzeugzelle, die einem höheren Luftwiderstand ausgesetzt ist. Außerdem müsste eine völlig neue Infrastruktur eingerichtet werden, um Wasserstoff auf Flughäfen zu transportieren und zu speichern.
Darüber hinaus stellt sich die Frage, ob Wasserstoff in großem Maßstab und zu einem wettbewerbsfähigen Preis hergestellt werden kann, ohne selbst einen großen CO2-Fußabdruck zu haben. Der größte Teil des heute in der Industrie verwendeten Wasserstoffs wird aus Methan mit fossilen Brennstoffen hergestellt, wobei Kohlendioxid als Abfallprodukt freigesetzt wird. Wasserstoff kann aus Wasser durch einen als Elektrolyse bezeichneten Prozess erzeugt werden, der durch erneuerbare Energien angetrieben wird. Dieser Prozess ist jedoch derzeit teuer und erfordert große Mengen an Energie. Derzeit wird auf diese Weise nur etwa 1% Wasserstoff erzeugt .
Flüssiger Wasserstoff ist derzeit mehr als viermal so teuer wie herkömmlicher Düsentreibstoff. In den kommenden Jahrzehnten wird erwartet, dass der Preis sinkt, wenn die Infrastruktur vergrößert und effizienter wird. Aber nach dem britischen Royal Society und dem Management Consulting Group McKinsey , ist es wahrscheinlich mindestens doppelt so teuer bleiben , wie fossile Brennstoffe für die nächsten Jahrzehnte.
Diese und andere Faktoren geben einigen wichtigen Akteuren in der Luftfahrt eine Pause. Sean Newsum, Direktor für Umweltstrategie bei Boeing Commercial, dem Hauptkonkurrenten von Airbus, sagte kürzlich gegenüber der Financial Times : "Wir glauben, dass es eine Weile dauern wird, bis alle Technologien und Elemente des Wasserstoffantriebs ausgearbeitet sind, bevor wir ... Kommerzielle Benutzung." Auch ein wichtiges Beratungsgremium der britischen Regierung hat Zweifel. "Die Umstellung auf direkten Wasserstoff verlängert den Übergang um Jahrzehnte", sagt David Joffe vom Climate Change Committee, einem Beratungsgremium der britischen Regierung.
Was sind also die Alternativen? Im September 2020 veröffentlichte die Air Transport Action Group, eine in Genf ansässige Organisation, die im Namen der globalen Luftfahrtindustrie spricht, eine Reihe von Szenarien, die darauf hindeuten, dass die globale Luftfahrt auch mit zunehmendem Luftverkehrsvolumen möglich sein wird Kohlendioxidemissionen von Null zu erreichen - aber erst etwa ein Jahrzehnt später als 2050. Nach diesen Szenarien wird der direkte Einsatz von Wasserstoff nur eine marginale Rolle spielen, aber der Wegbereiter wird das sein, was als "nachhaltige Flugkraftstoffe" bezeichnet wird. oder SAFs.
Dieser Sammelbegriff umfasst eine Reihe von Produkten wie Biokraftstoffe, die zu geringen Nettoemissionen von Kohlendioxid und anderen Schadstoffen führen, die mit herkömmlichem Düsentreibstoff verbunden sind. Die Befürworter von SAFs argumentieren, dass sie eine Reihe klarer Vorteile gegenüber reinem Wasserstoff haben. Da sie chemisch mit vorhandenem Düsentreibstoff identisch sind, können sie im Prinzip ohne Verzögerung und ohne die erheblichen zusätzlichen Investitionen, die für wasserstoffbetriebene Flugzeugzellen und ihre unterstützende Infrastruktur erforderlich sind, ohne oder mit nur geringer Neugestaltung in vorhandene Systeme "eingefügt" werden. Paul Stein, Chief Technology Officer beim Motorenhersteller Rolls Royce, ist der Schlüssel zu einer nachhaltigeren Zukunft. "Wenn die SAF-Produktion gesteigert werden kann - und die Luftfahrt bis 2050 500 Millionen Tonnen pro Jahr benötigt - können wir einen großen Beitrag für unseren Planeten leisten", sagt er.
SAFs können in zwei Kategorien unterteilt werden. Die ersten sind Biokraftstoffe, die durch chemische oder thermische Behandlung von Biomasse wie landwirtschaftlichen Rückständen und anderen Abfällen hergestellt werden. Eine zweite Kategorie sind Elektrokraftstoffe oder "E-Kraftstoffe". Durch diese Kraftstoffe, die auch als "Power to Liquid" bezeichnet werden, könnte Wasserstoff schließlich eine Schlüsselrolle in der Luftfahrt spielen.
E-Kraftstoffe werden hergestellt, indem Wasserstoff mit Kohlendioxid zu "Synthesegas" umgesetzt wird. Dieses wird dann durch das sogenannte Fischer-Tropsch-Verfahren in "E-Rohöl" umgewandelt - einen Rohölersatz, der zu Düsentreibstoff und anderen Kraftstoffen raffiniert werden kann. Wenn die große Energiemenge, die in jeder Herstellungsstufe benötigt wird, aus kohlenstofffreien Quellen stammt, kann der gesamte Prozess klimaneutral sein und nach dem Flug nicht mehr Kohlendioxid in der Atmosphäre enthalten als vor der Herstellung des Kraftstoffs.
Mit direkter Luft - Capture - Technologie von der Schweizeren Firma Climeworks zu Quelle CO2 entwickelt und Wasserstoff aus Wasser mit erneuerbarer Energie erzeugt, um die Oslo ansässigen Unternehmen Norsk e-Fuel Zielen zu öffnen , was das sein kann ersten E Kraftstoff Industrieanlage Herøya, Norwegens Welt , im Jahr 2023 werden 10 Millionen Liter Kraftstoff pro Jahr für den norwegischen und europäischen Markt produziert. Der nächste Schritt im Jahr 2026 wäre eine Anlage mit einer Kapazität von 100 Millionen Litern pro Jahr. Eine Anlage in voller Größe könnte die Hälfte des Treibstoffs für die fünf am häufigsten bedienten Flugrouten in Norwegen liefern und ihre Emissionen halbieren, sagt Karl Hauptmeier, Geschäftsführer von Norsk e-Fuel.
Eines bleibt vorerst fast sicher: Wasserstoff- und E-Kraftstoffe dürften auch in den kommenden Jahren oder Jahrzehnten wesentlich teurer sein als herkömmlicher Düsentreibstoff, was ihre Rolle bei der Ökologisierung der Luftfahrt einschränkt - es sei denn, die anderen Kosten der Luftfahrt werden abgewogen anders. Aktivisten wie Leo Murray von der Kampagnengruppe Possible argumentieren, dass die konventionell betriebene Luftfahrt einen Preis haben muss, der die Kosten des Schadens widerspiegelt, den sie für das Klima verursacht. Dies könnte höhere Ticketpreise bedeuten, aber es könnte uns auch eine Luftfahrt ermöglichen, die die Erde nicht kostet.
https://www.bbc.com/future/article/...rcial-hydrogen-plane?ocid=twfut |
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