Klimaneutrales Fliegen: Diese Technologien sind die Zukunft

Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR) arbeiten seit 2020 an Konzepten für klimaneutrale Verkehrsflugzeuge. In der Bewertung zeichnet sich bisher zwischen den Technologieoptionen auf Basis von Wasserstoff und SAF ein Kopf-an-Kopf-Rennen ab. Die Modelle können insbesondere KMUs dazu dienen, zukünftige Zulieferkomponenten zu identifizieren und bereits in die Vorentwicklung einzusteigen.

Im Projekt Exact (Exploration of Electric Aircraft Concepts and Technologies) erarbeiten die Forschenden des DLR ein Flotten-Konzept bestehend aus Regional-, Kurz- und Mittelstreckenflugzeugen mit einer großen Breite von Antriebskonzepten. Übergeordnetes Ziel des Projekts ist es, neue Flugzeugkonfigurationen zu entwerfen, die mit mindestens 70 Sitzen und einer Reichweite von 2.000 Kilometern bis zum Jahr 2035 einsatzbereit sein können.

Die innovativen Flugzeugentwürfe sollen dabei mittels neuer Technologien keine CO₂-Emissionen mehr freisetzen. Hierfür hat das Projektteam im ersten Schritt konventionelle Antriebe untersucht, um diese bis ins Detail zu verstehen. Aus diesen Erkenntnissen konnte das Team unterschiedliche Antriebskonzepte und mögliche Flugzeugkonfigurationen entwickeln sowie deren Zusammenwirken in einer ganzen Flotte verschiedener Flugzeuggrößen bewerten.

Machen Wasserstoff und nachhaltige Luftfahrt-Kraftstoffe das Rennen?

Darunter sind Regionalflugzeuge mit verteilten elektrischen Antrieben sowie Kurz- und Mittelstreckenflugzeuge mit Turboprop- und Turbofan-Antrieben. Diese können sowohl hybrid-elektrisch mittels Wasserstoff-Brennstoffzelle als auch per Direktverbrennung von Wasserstoff oder nachhaltigen Luftfahrt-Kraftstoffen (SAF, Sustainable Aviation Fuel) betrieben werden.

Sowohl der vollständige Lebenszyklus der Flugzeuge als auch der Prozess der Gewinnung, des Transports und der Bereitstellung regenerativer Treibstoffe wurde umfassend in der Analyse der Klimaverträglichkeit der neuen Konfigurationen berücksichtigt. „Gerade zwischen den Technologieoptionen auf Basis von Wasserstoff und SAF zeichnet sich ein Kopf-an-Kopf-Rennen ab“, erklärt Projektleiter Dr. Johannes Hartmann vom DLR-Institut für Systemarchitekturen in der Luftfahrt in Hamburg.

In naher Zukunft könnte SAF die Klimawirkung bereits vermindern. Langfristig bieten diese ebenso wie die Wasserstoffdirektverbrennung das Potenzial, die Klimawirkung um bis zu 90 Prozent zu senken. Für Flugzeuge mit Wasserstoffantrieb sind allerdings komplett andere Technologien nötig. Zudem müssen Flughafeninfrastrukturen und Wartungsbetriebe angepasst sowie das Luftfahrtpersonal neu ausgebildet werden.

Nutzen für die Industrie: Zulieferer können frühzeitig planen

Die Zusammenarbeit von 20 DLR-Instituten mit ihrer jeweiligen Expertise und gemeinsamen Systemkompetenz ermöglicht es, dabei den ganzen Lebenszyklus eines Flugzeuges mitzudenken und zu betrachten – von der Produktion über den Betrieb bis hin zur Außerdienststellung mit anschließendem Recycling. Hierfür hat das Projektteam im Detail alle Komponenten des jeweiligen Flugzeugs entworfen und geprüft, wie diese zusammenwirken.

„Die erarbeiteten Flugzeugkonzepte und Energieszenarien möchten wir nun zusammen mit Partnern aus Industrie und Wissenschaft voranbringen und in gemeinsamen Kooperationsprojekten für die klimaneutrale Luftfahrt vertiefen“, so Hartmann „Insbesondere mittelständische Unternehmen können unsere Flugzeugkonzepte nutzen, um die Vorentwicklung ihrer Zulieferteile für größere Industriebetriebe frühzeitig zu planen.“

Klimaneutralität wird über gesamten Lebenszyklus analysiert

Ein besonderer Fokus liegt auch auf der Betrachtung des Lebenszyklus – nicht nur der Flugzeuge, sondern auch der einzelnen Energieträger. Die Ingenieurinnen und Wissenschaftler untersuchen die Umweltwirkung der einzelnen Flugzeugtypen vom Entwurf bis zur Außerdienststellung.

Unter der Umweltwirkung verstehen die Forschenden nicht nur den Ausstoß von CO₂ und Treibhausgasen, sondern beispielsweise auch den Wasserverbrauch oder die Belastung von Böden durch Schadstoffe. Das heißt, sie betrachten auch die Auswirkungen auf die Umwelt und das Klima, bevor eine Flugzeugkomponente produziert ist und was nach dem Recycling mit den Materialien geschieht.

Woher kommen die grünen Energieträger?

Um genügend grünen Wasserstoff zu produzieren, sind Ökostrom und Wasser nötig. In speziellen Industrieprozessen wird der Wasserstoff zu SAF weiterverarbeitet. Das Projekt Exact untersucht Szenarien, die Energieträger zu den Orten, an denen Luftfahrt stattfindet, möglichst nachhaltig zu transportieren.

„Die direkte Kopplung solcher Themen mit dem Flugzeugentwurf und der Technologieentwicklung ist in unserem Projekt völlig neu“, erläutert Hartmann. Erdöl wurde seit jeher aus der Erde gewonnen und in Raffinerien zu Kerosin weiterverarbeitet. Nachhaltige Kraftstoffe zu produzieren, sei wesentlich komplexer. Solarstrom könne zum Beispiel in der Wüste gewonnen werden, Wasser gibt es an Küsten.

„In Exact erforschen wir, wie diese Energieträger möglichst effizient zu transportieren und weiterzuverarbeiten sind, um sie letztlich im Flugzeug zu nutzen“, so der Projektleiter. Dabei berücksichtigen die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler die Kraftstoffherstellung in Szenarien zur nachhaltigen Energiegewinnung mit anschließender Produktion von Wasserstoff und SAF bereits bei der Planung neuartiger Flugzeugtypen. Sie setzen dies mit der entsprechend notwendigen Infrastruktur in Verbindung, sodass ein neues Luftfahrtsystem von Anfang an nachhaltig und wirtschaftlich betreibbar geplant wird.

In der zweiten Projekthälfte sollen nun ganzheitliche Lösungen gefunden werden, in denen die Technologiebausteine optimal ineinandergreifen. Erst dann ist eine zuverlässige Bewertung der verschiedenen Technologien und Energieträger hinsichtlich ihrer Klimawirkung abschließend möglich.

Quelle: DLR