Auf der Suche nach dem Kerosin der Zukunft

Zwei Konzepte für eine emissionsarme oder sogar emissionsfreie Luftfahrt: Der E-Fan X wurde gemeinsam von Airbus, Rolls-Royce und Siemens entwickelt und verfügt über ein elektrisches Triebwerk. (Foto: Siemens)
Zwei Konzepte für eine emissionsarme oder sogar emissionsfreie Luftfahrt: Der E-Fan X wurde gemeinsam von Airbus, Rolls-Royce und Siemens entwickelt und verfügt über ein elektrisches Triebwerk. (Foto: Siemens)

Auf dem Prüfstand der Lufthansa Technik in Hamburg bot sich für Markus Köhler ein faszinierender Anblick: Von der Decke hängt ein CFM56-Triebwerk, das unter anderem in Mittelstreckenflugzeugen von Airbus und Boeing zum Einsatz kommt – etwa 2,5 m lang, rund 2 t schwer. Die Szenerie diente einem Großversuch. Köhler arbeitet für das Institut für Verbrennungstechnik am Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) und leitet dort die chemische Analytik. Gemeinsam mit seinem Team hat er hier im vergangenen Jahr besonders vielversprechende Biotreibstoffe untersucht. „Unser Kernanliegen ist es, die technische Machbarkeit zu prüfen“, sagt Köhler. „Wir wollen die Einflüsse und Auswirkungen systematisch verstehen.“

Biotreibstoffe haben das Potenzial, den Luftverkehr klimafreundlicher zu machen, ist Köhler überzeugt. Denn mit ihnen ist eine bessere CO2-Bilanz möglich, außerdem stoßen sie weniger Schadstoffe aus. Hinzu kommt, dass mit den Biotreibstoffen die Abhängigkeit von fossilen Rohstoffen sinkt. Für ihre Herstellung kommen nämlich Ölpflanzen, Getreide, Algen oder Holz zum Einsatz.

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Der Ce-Liner könnte komplett elektrisch betrieben werden und dank Ökostrom auch emissionsfrei fliegen. (Foto: Bauhaus Luftfracht)
Der Ce-Liner könnte komplett elektrisch betrieben werden und dank Ökostrom auch emissionsfrei fliegen. (Foto: Bauhaus Luftfracht)

Mix als Etappe auf Entwicklungspfad

Ein wichtiger Zwischenschritt sind sogenannte Blends, ein Gemisch aus Kerosin und Biotreibstoff. Zwar sei der Betrieb mit reinen Bioprodukten technisch schon machbar. Was aber noch fehle, sei Rohmaterial in der Menge mit entsprechender Lagerkapazität und gewerblichen Produktionsanlagen, sagt Patrick Le Clercq, der wie Köhler am DLR forscht. „Der Weg sieht derzeit so aus, dass der Bioanteil in den Treibstoffen schrittweise erhöht wird.“ Ein neues Bio-Blend zuzulassen, sei aber langwierig. „In der Luftfahrt hat die Sicherheit oberste Priorität“, sagt Le Clercq. „Neue Blends müssen sich einem aufwendigen Zertifizierungsverfahren unterziehen.“ Das Verfahren vom Klassenprimus der Blends, Sasol, dauerte laut DLR rund zehn Jahre.

Für die Unternehmen könnte sich der Rückgriff auf die klimafreundlichen Alternativen dennoch schon bald rentieren. „Wir beobachten, dass das Interesse an der Entwicklung von Biotreibstoffen größer wird, sobald der Rohölpreis steigt“, sagt Le Clercq. Zwischen 80 und 100 USD pro Barrel sei da die Schwelle. „Das zeigt durchaus die Wirtschaftlichkeit.“ Allerdings, fügt Köhler hinzu, sei Rohöl derzeit immer günstiger als die Herstellung eines Biofuels. „Erst wenn andere Kriterien der Nachhaltigkeit oder Umweltbelastung gelten und sich auch auf den Kerosinpreis niederschlagen, lohnt sich ein Wechsel.“

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Konzept für emissionsfreies Flugzeug

Erst einmal weniger Wirtschaftlichkeit, dafür noch mehr Umwelt: Das steht bei der Entwicklungsarbeit von Jochen Kaiser im Vordergrund. Kaiser ist Leiter Visionäre Flugzeugkonzepte beim Bauhaus Luftfahrt, einer gemeinsamen Forschungseinrichtung von Airbus, Liebherr und anderen Unternehmen. Dort startete im Jahr 2012 ein Projekt, das ein potenziell emissionsfreies Flugzeug für die Zukunft aufzeigen sollte – zumindest auf dem Papier. Heraus kam dabei der Ce-Liner, ein kompaktes Großraumflugzeug, das vollständig elektrisch betrieben wird. Dafür sorgen zwei hochtemperatur-supraleitende Elektromotoren, kurz HTS, am Heck. Die Energie dafür soll allein aus Lithium-Ionen-Batterien stammen, die in speziell angepassten Frachtcontainern untergebracht sind.

Batterien sind noch zu schwach

Das Modell sollte den Anforderungen im Jahr 2035 entsprechen. Doch schon heute, knapp sechs Jahre später, holt die Realität die Visionen von damals ein. „Die Annahmen, die wir beim Start des Projekts getroffen haben, waren sehr optimistisch“, sagt Kaiser. „Insbesondere bei den Batterien ist die Entwicklung heute noch lange nicht da, wo wir sie uns damals erhofft haben.“ Die Ingenieure rechneten bei den Batterien mit einer notwendigen Energiedichte von 2.000 Wattstunden pro Kilogramm. Das entspricht etwa dem Achtfachen der heutigen Technik. Mit dem Batteriebetrieb könnte der Ce-Liner theoretisch emissionsfrei fliegen. Allerdings, weiß auch Kaiser, bedeute eine Elektrifizierung nicht zwangsläufig eine Verbesserung beim CO2-Ausstoß. Das hängt unter anderem davon ab, wie der Strom der Zukunft produziert wird.

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Sollte der Ce-Liner Realität werden, könnte er eine Strecke von 1.600 km schaffen, eine Geschwindigkeit von über 800 km/h erreichen und damit die klassische Mittelstrecke bedienen. Ein Kurzstreckenflugzeug unter der Größe eines A320 habe aber durchaus Potenzial, bereits in zehn bis fünfzehn Jahren marktreif zu sein, ist Kaiser überzeugt. Und auch die Elektrifizierung der Langstrecke sei denkbar.

Bis die Elektrorevolution kommt, wird es also noch dauern. Und ob in naher Zukunft allein Biotreibstoffe den weltweiten Treibstoffbedarf abdecken können, ist umstritten. Das Bauhaus Luftfahrt rechnet vor, dass für den Anbau von benötigten Rohstoffen rund 20 Mio. ha Fläche benötigt würden, um fossile Brennstoffe vollständig abzulösen. Das entspricht immerhin rund 8 Prozent der gesamten europäischen Anbauflächen. „Da habe ich die Konkurrenz mit der Nahrungsmittelherstellung“, sagt Kaiser.

Sonnenlicht verflüssigen

Für den Übergang hält Kaiser eine andere Technologie für vielversprechend: Sun-to-Liquid. Dabei wird aus Wasser, Kohlendioxid und konzentrierter Solarenergie, also Sonnenlicht, ein synthetischer Treibstoff produziert. In einem chemischen Prozess entsteht zuerst ein Synthesegas, das in einem weiteren Schritt verflüssigt wird. Dieser synthetische Treibstoff stößt bei der Verbrennung weniger Schadstoffe aus als fossile Brennstoffe, bei der Herstellung wird außerdem CO2 gebunden. Sun-to-Liquid ist somit CO2-neutral. „Für die Airlines ist dieser Ansatz charmant, weil in der Flughafeninfrastruktur alles auf flüssige Treibstoffe ausgelegt ist“, sagt Kaiser. Teure Umrüstungen wären also erst einmal nicht notwendig.

Doch bis auch diese Technologie sich durchsetzt, wird Zeit vergehen. Zum ersten Mal wurde das synthetische Kerosin 2014 produziert, damals mit Hilfe eines Solarreaktors in einem Laborexperiment. Vor zwei Jahren haben Wissenschaftseinrichtungen wie das DLR und die ETH Zürich gemeinsam unter der Federführung des Bauhaus Luftfahrt eine erste Produktionsanlage nahe Madrid errichtet.

Vielleicht doch Hybride

Die nahe Zukunft könnte stattdessen in Hybrid-Konzepten liegen, darauf setzen zumindest Airbus, Rolls-Royce und Siemens. Bis 2025 soll ein hybrid-elektrischer Antrieb serienreif werden. E-Fan X nennen sie ihr Projekt, das auf einer BAe 146 basiert, einer Kurzstreckenmaschine des ehemaligen Herstellers British Aerospace. Die Idee: Eines der vier herkömmlichen Triebwerke, die mit Treibstoff laufen, ersetzen die Entwickler durch ein elektrisch betriebenes Triebwerk. Die Energie dafür stammt aus einer Gasturbine, die mit Hilfe eines Generators im Heck des Flugzeugs Strom erzeugt. Beim Start und im Steigflug helfen zusätzlich Lithium-Ionen-Batterien, den höheren Strombedarf für das Elektrotriebwerk abzudecken. Die drei entwickelnden Konzerne scheinen jedenfalls überzeugt: Der E-Fan X sei ein wichtiger nächster Schritt, sagte Airbus-CTO Paul Eremenko zur Vorstellung des Projekts im November vergangenen Jahres. Einen ersten Testflug soll das Flugzeug schon 2020 absolvieren.

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