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23rd of January 2018

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Elektroflugzeuge: Wird Fliegen jemals öko sein?

Das Image der Luftfahrt hat ein Facelifting dringend nötig. Flugzeuge richten bisher noch einen wesentlich größeren Umweltschaden an als alle anderen Verkehrsmittel. Pro Passagierkilometer ist der Beitrag zum Klimawandel höher als beim Auto, selbst wenn Letzteres nur mit einer Person unterwegs ist. Im Zug verursachen die Fahrgäste pro Kilometer weniger als ein Drittel, im Reisebus sogar nur ein Siebtel des Treibhauseffekts eines Flugreisenden. Auf dem Gleis, auf der Straße und sogar in der Schifffahrt spielen elektrische Antriebe eine immer wichtigere Rolle. Nur die Luftfahrt hinkt hinterher.

Zwar werben die großen Namen der Industrie – von Airbus über Boeing, Rolls Royce und Siemens bis hin zur Nasa – derzeit mit futuristischen Entwürfen und animierten Filmchen für das Flugzeug der Zukunft. Wesentlich sparsamer und leiser soll es fliegen, angetrieben von hocheffizienten Elektromotoren. Es klingt fast so, als könnten wir bald ohne schlechtes Gewissen in den Urlaub düsen.

Doch anders als die Reklame vermuten lässt, wird sich auch mit der Elektrifizierung so schnell nichts daran ändern, dass ausschließlich spritfressende Donnervögel auf den Luftwegen unterwegs sind. Das hat mehrere Gründe. Flugzeuge sind im Durchschnitt rund 30 Jahre im Einsatz, die Erneuerung der Flotte ist also eine Generationenaufgabe. Die hat aber noch gar nicht begonnen. Bisher gibt es Elektroflugzeuge nur für Forschungszwecke. Selbst mit Elektromotoren wird kein Flugzeug flüsterleise abheben. Und ohne flüssigen Treibstoff geht es weiterhin nicht. Schließlich gibt es auf Reiseflughöhe keine Oberleitungen oder Ladestationen.

Batterien sind viel zu schwer, um genug Power für den enormen Bedarf eines Passagierflugzeugs mitzunehmen. Pro Kilo können sie nur drei Prozent der Energie speichern, die in einem Kilo Kerosin steckt. Eine Boeing 747 verbrennt rund zehn Tonnen Treibstoff in der Stunde. Der Strom aus einem gleich schweren Akkupack würde den Jumbojet keine zwei Minuten in der Luft halten.

Hybridflugzeuge Design

Design und grundlegende Technik der Passagierflugzeuge haben sich in den vergangenen 50 Jahren kaum verändert. Trotzdem konnten die CO2-Emissionen pro Passagierkilometer um 70 Prozent, der Stickoxidausstoß um 90 Prozent und der Fluglärm um 75 Prozent reduziert werden. Dahinter standen viele kleine Verbesserungen: Der Flugzeugrumpf ist mit neuen Materialien aerodynamischer und leichter geworden, die Triebwerke wurden effizienter, die Wege auf der Rollbahn und die Wartezeiten vor Start und Landung kürzer.

CO2-Ausstoß

Bis 2050 soll der CO2-Ausstoß um weitere 75 Prozent und der Lärm um 60 Prozent abnehmen, darauf hat sich die Luftfahrtbranche verpflichtet. Ein Technikwechsel zum Hybridflugzeug soll das ermöglichen. Für den Vortrieb sorgen dann nicht mehr laute Düsentriebwerke, sondern leise Elektromotoren. Der Strom für ihren Betrieb wird mit flüssigem Treibstoff in Gasturbinen erzeugt, die stets mit optimaler Drehzahl und deshalb sparsamer und leiser laufen. Ihre Spitzenleistung kann deutlich kleiner bleiben als bei bisherigen Triebwerken, da bei Start und Landung zusätzlicher Strom aus Batterien genutzt wird. Während des Reiseflugs und nach der Landung werden die Batterien dann wieder aufgeladen.

Effizienz

Am effizientesten arbeiten Elektromotoren bei niedrigeren Fluggeschwindigkeiten um 600 Kilometern pro Stunde mit Propellerantrieb. Die Elektromotoren sind deutlich kleiner und leichter als Düsentriebwerke. Das ermöglicht ein aerodynamischeres Design. Die Tragflächen werden entlastet, denn die Gasturbinen für die Stromerzeugung lassen sich im Rumpf unterbringen. Neben Kerosin könnten sie auch mit synthetischen Kraftstoffen aus Biomasse betrieben werden. Oder der Strom wird ganz ohne Verbrennung mit Wasserstoff in Brennstoffzellen erzeugt. Die dafür nötige Technik steht allerdings noch am Anfang.

Elektrische Flugzeuge müssen ihren Strom deshalb zu großen Teilen an Bord selber erzeugen. Das sollen Gasturbinen erledigen, die heutigen Flugzeugturbinen technisch recht ähnlich sind und ebenfalls Kerosin verbrennen. Das ist praktisch: Der Sprit ist auf allen Flughäfen reichlich vorhanden, andere Treibstoffe müssten erst mühsam herangeschafft werden. Experten sprechen dann aber nicht von Elektro-, sondern von Hybridflugzeugen (siehe Kasten). Neben Tanks, Turbinen und Elektromotoren für den Vortrieb brauchen sie noch Batterien, um den an Bord erzeugten sowie geladenen Strom zu speichern. Die Folgen: Die Maschinen sind schwerer und im komplexen Zusammenspiel von Verbrennungsmotor und Elektrik kommt es zu Umwandlungsverlusten. Dagegen steht ein wesentlich besserer Gesamtwirkungsgrad dieses Systems.

"Langfristig könnten Hybridflugzeuge 20 bis 40 Prozent weniger Treibstoff verbrauchen als heute üblich", sagt der Luftfahrtingenieur Len Schumann. Am Institut für Flugzeugbau der Universität Stuttgart erforscht er das elektrische Fliegen nicht nur theoretisch. E-Genius heißt das kleine Forschungsflugzeug, mit dem die Stuttgarter Wissenschaftler seit sechs Jahren auch praktische Erfahrungen sammeln. Zunächst wurde der einmotorige Motorsegler nur mit Batteriestrom gespeist, seit 2015 hat er einen zusätzlichen Verbrennungsmotor an Bord und damit eine Reichweite von über tausend Kilometern. Passagiere kann der E-Genius allerdings nicht transportieren, er hat nur Platz für die beiden Piloten.

Aerodynamischeres Design

Immerhin zwölf Plätze soll der Hybrid-Regionaljet bieten, den Boeing zusammen mit dem amerikanischen Start-up Zunum ab 2022 auf den Markt bringen will. Wesentlich größer denkt Airbus. In Kooperation mit Rolls-Royce und Siemens will der europäische Flugzeugkonzern bereits 2020 ein Mittelstreckenflugzeug mit Platz für hundert Passagiere abheben lassen. Allerdings soll von seinen vier Düsentriebwerken zunächst nur eines durch einen Elektromotor ersetzt werden. "Dabei geht es uns noch nicht um eine Effizienzsteigerung", sagt Mark Cousin, Chef der zuständigen Airbus-Abteilung. "Wir wollen das Gesamtsystem testen und einen maximalen Lerneffekt erzielen." Außerdem soll das Projekt auch die Grundlagen für eine künftige Sicherheitszertifizierung des elektrischen Antriebs liefern.

Langfristig plant Airbus zusammen mit Siemens den Bau von Kurzstrecken-Hybridflugzeugen für über 20 Passagiere, rund 500 Millionen Euro haben die beiden Konzerne dafür bereits investiert. "Es ist eine Wette auf die Technologie der Zukunft", sagt Frank Anton, Leiter der Siemens-Abteilung für elektrisches Fliegen. Deutlich über zehn Prozent Treibstoffeinsparung hält er für möglich, "exakt quantifizieren kann man das heute aber noch nicht". Für die Fluggesellschaften dürfte das als Argument für den Wechsel von einer seit über 50 Jahren erprobten auf eine völlig neue Technik sowieso nicht ausreichen. Schließlich verursacht Kerosin nur 20 Prozent ihrer Gesamtkosten.

Den Ausschlag könnte dagegen die geringere Lärmentwicklung von Hybridflugzeugen geben, darin sind sich alle Experten einig. Wie laut sie auf Reiseflughöhe sind, ist dabei egal, in zehn Kilometern Höhe stören sie niemanden. Entscheidend ist der Krach, wenn sie starten und landen. Er führt zu hohen Kosten für Lärmschutzmaßnahmen bei Flughafenanrainern, zu Nachtflugverboten und anderen Einschränkungen des Flugbetriebs. Könnten diese Auflagen umgangen werden, wäre auch ein teureres Hybridflugzeug durch die zusätzlichen Betriebsstunden für die Fluglinien schnell wirtschaftlicher.

Damit Start und Landung deutlich leiser werden, sollten Hybridflugzeuge ein neues, deutlich aerodynamischeres Design bekommen und ihre lauten Gasturbinen möglichst wenig nutzen. Heutige Batterien können ohne Unterstützung eines Generators im Zusammenspiel mit heutigen Elektromotoren aber höchstens Kleinstflugzeuge wie den E-Genius in die Luft bringen. Der macht dabei tatsächlich nur noch ein Viertel des Lärms eines gleichgroßen Motorseglers.

Immerhin stecken beide Kerntechnologien mitten in einem Entwicklungsschub. Seit 1990 haben sich die Energiedichte von Batterien und die Effizienz von Elektromotoren mehr als verdoppelt. Während die Leistungssteigerung von Batterien langsam an physikalische Grenzen stößt, ist bei den Motoren noch einiges möglich. "Im Labor haben wir die Effizienz bereits um das Fünffache gesteigert", sagt Frank Anton von Siemens, "Faktor zehn werden wir in drei Jahren knacken." Seine Prognose: "Hybridelektrische Flugzeuge werden ab 2050 den Markt dominieren."

Ob damit der Umweltschaden tatsächlich abnimmt, ist keineswegs sicher. Das zeigt ein Blick in die Vergangenheit. Auch ohne Elektrifizierung ist der Luftverkehr dank besserer Technik und höherer Auslastung der Flugzeuge in den vergangenen Jahrzehnten immer sparsamer geworden. Pro Passagier erzeugt er heute rund ein Drittel weniger Treibhausgas als im Jahr 2000. Doch gleichzeitig wird immer mehr geflogen, die Zahl der Flugkilometer hat sich im gleichen Zeitraum fast verdoppelt. Insgesamt haben die Emissionen des Luftverkehrs deshalb deutlich zugenommen – ein typischer Rebound-Effekt, der sich auch bei Hybridflugzeugen kaum vermeiden lassen wird.

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