Treibstoffprojekte

Mit der Vielfalt der Antriebskonzepte wird auch die Vielfalt der Energieträger zunehmen. Elektrische Energie, Wasserstoff und synthetischer Kraftstoff können aus regenerativer Energie in einem CO₂-neutralen Kreislauf gewonnen anschliessend verbraucht werden.

Dank PtL-Technologie entfällt der große Flächenbedarf und die einst bei Biokraftstoffen befürchtete Konkurrenz zu Nahrungsmitteln entfällt.

Dank der zunehmenden Miniaturisierung der Anlagenkomponenten sind selbst Lösungen denkbar, bei denen der Kraftstoff direkt dort produziert wird, wo er verbraucht wird, z.B. auf dem Flugplatz.

ALTERNATIVE ANTRIEBSKONZEPTE & KRAFTSTOFFE

Der Kraftstoffbedarf von Luftfahrzeugen kann durch aerodynamische und antriebstechnische Stellschrauben reduziert werden. Gewichtseinsparungen durch leichtere Materialien wie beispielsweise Verbundwerkstoffe tragen zusätzlich zur Einsparung von Kraftstoffen bei.

Kommerzielle Antriebstechnologien wurden immer weiterentwickelt und konnten bereits in der Vergangenheit den CO2-Ausstoß des Luftverkehrs senken. Sie sind in weiteren Optimierungsmaßnahmen jedoch begrenzt. Daher ist das CO2-neutrale Fliegen mit ihnen nicht möglich. Gefordert sind neue Innovationen von Antriebstechnologogien, die wiederum neue Luftfahrzeugkonzepte ermöglichen. Dabei werden verschiedene Ansätze verfolgt.

Elektroantriebe

Luftfahrzeuge mit Elektroantrieb werden durch einen oder mehrere elektrische Motoren angetrieben. Der Strom hierfür kann regenerativ gewonnen werden, z.B. mit Solaranlagen, Windparks oder Wasserkraft und sorgt somit auf den ersten Blick für ein nachhaltiges Konzept. Allerdings muss die benötigte Energie bereits an Bord in Energiespeichern zur Verfügung gestellt werden, die lange Ladevorgänge beanspruchen. Diese Energiespeicher entladen sich schnell und weisen ein verhältnismäßig hohes Gewicht auf. Die Akkusysteme bestehen heutzutage aus effizienten Lithium-Ionen-Akkus Sie sind jedoch auch sensibel für Temperaturschwankungen und können bei Fehlbehandlung wie bspw. Überladung, Kurzschluss, Tiefenentladung und Überstrom schnell arbeitsunfähig werden. Eine Möglichkeit besteht durch Lithium-Schwefel-Batterien. Stromspeicher weisen, im Vergleich zu flüssigen Kraftstoffen eine erheblich geringere Energiedichte auf. Zum Vergleich: 1 kg Batterie erbringt zurzeit 310 Wh [1] während 1 kg flüssiger Kraftstoff 12 kWh erbringt. Das Konzept ist zurzeit nicht in der Großluftfahrt einsatzfähig. Für den Schulungsbetrieb und den privaten Individualluftverkehr mit kurzen Flugzeiten eignet es sich jedoch bereits. [2] Ein Beispiel zeigt die Velis Electro oder die Alpha Electro von Pipstrel.

Wasserstoffantriebe

Wasserstoffantriebe ermöglichen diverse Antriebskonzepte als Direktantrieb oder in Kombination mit anderen Antriebsressourcen und erfordern keine Schmierung von Motorkomponenten. Zum einen kann Wasserstoff in gasförmigem Aggregatzustand in Gasturbinen oder in Hubkolbenmotoren direkt verbrannt werden. Die direkte Verbrennung von Wasserstoff in einem Hubkolbenmotor ist jedoch eine technische Herausforderung, Wasserstoff löst den Schmierfilm zwischen Zylinder und Kolben auf, so dass spezielle, schmierfreie Werkstoffe, wie Keramikzylinder verwendet werden müssen.

In Kombination mit Brennstoffzellen entstehen hybridelektrische Antriebe.

Wasserstoff zum Antrieb von Gasturbinen hat den Vorteil, dass keine Verbrennungsrückstände und nur geringe Mengen an Stickoxiden entstehen. Der Transport von Flüssigwasserstoff erfordert jedoch den Einbau eines zusätzlichen Wärmeaustauschers, um gasförmigen Wasserstoff zu generieren.

Luftfahrzeuge mit Brennstoffzellenantrieb wandeln die benötigte Energie erst an Bord um. Hierfür werden entweder gasförmiger oder flüssiger Wasserstoff verwendet, wie beispielsweise bei der Antares DLR-H2. Herausforderungen bei Wasserstoffantrieben bestehen durch den großen Platzbedarf, die schweren Tanks und der Klimawirkung des Wasserdampfs. Zudem ist die Herstellung sehr energieintensiv.[3]

Hybridantriebe

Hybridantriebe kombinieren verschiedene Techniken. Strom wird im Flug an Bord erzeugt. Der elektrische Motor wird mit Strom versorgt. Dabei gibt es entweder die Möglichkeit, einen Elektroantrieb mit einem Verbrennungsmotor (Hubkolbenmotor oder Turbine) zu koppeln oder Wasserstoff und Elektroantriebe zu nutzen. Die Wasserstofflagerung an Bord stellt jedoch weiterhin eine Herausforderung dar. Gasförmiger Wasserstoff nimmt große Volumina in Anspruch. Flüssiger Wasserstoff hingegen erfordert Kühlmittel und bei leichter Erhöhung des Umgebungsluftdrucks muss Wasserstoff entweichen. Das ist vor allem problematisch, wenn das Luftfahrzeug in einem Hangar am Flugplatz abgestellt wird.  Wasserstoff hat im Vergleich zu Benzin (12 kWh/kg) eine hohe Energiedichte von 33,33 kWh/kg. [4]

Alternative Kraftstoffe

Zur Emissionsreduktion werden auch kerosinähnliche alternative Kraftstoffe bzw. Sustainable Aviation Fuel (SAF) in der Luftfahrt produziert. Als nachhaltig werden dabei die Kraftstoffe wahrgenommen, deren Lebenszyklus einen geringen Wasserbedarf aufweist, deren Ressourcen derer des Nahrungsbedarfs nicht beeinträchtigen und für die keine zusätzliche Entwaldung notwendig ist. Zudem soll kein weiteres Rohöl oder Kohle erforderlich sein und nur nachbaubare Ressourcen verwendet werden. Der Vorteil ist, dass SAFs in herkömmlichen Luftfahrzeugen und Infrastrukturen angewendet werden und mit Kerosin gemischt werden (Drop-In-Fuels), da ihre physikalischen und chemischen Merkmale nahezu identisch sind. Grundsätzlich sind dabei zwei Arten zu unterscheiden:

• Biofuel
• Power-to-X

Biofuel sind die Kraftstoffe, die aus alternativen Ressourcen z.B. Pflanzen oder Bioabfällen hergestellt werden und eignen sich für den Betrieb in Verbrennungsmotoren. Power-to-Liquid (PtL) sind Kraftstoffe, die aus Kohlenstoffdioxid und Wasser gewonnen werden. Für das Verfahren wird der Atmosphäre die Menge an Kohlenstoffdioxid entzogen, die während der Verbrennung auch wieder abgegeben wird. Man kommt also im Idealfall zu einem CO2-neutralem Kreislauf. Ferner sind synthetische Kraftstoffe weitgehend frei von Verunreinigungen, wie z.B. Schwefel und Rußpartikel, so dass sich die klimaschädlich NON-CO2 Effekte, die besonders in großen Flughöhen auftreten, deutlich reduzieren.

 

Autorin: Cheryl Schwahn

 

[1] https://www.bves.de/wp-content/uploads/2017/01/ikt2-komp-lithium-ionen.pdf

[2] Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) (März 2019). REVOLUTIONIERT DER ELEKTROANTRIEB DIE LUFTFAHRT? Interview DLRmagazin 160: Werkzeuge für die neue Zeit: From Big to Smart, S. 20 ff., Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e. V. (DLR), Köln.

[3] https://www.dlr.de/content/de/artikel/dossier/wasserstoff/wasserstoff-forschung-im-dlr.html

[4] Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) (April 2017). Die Zukunft fliegt elektrisch! -Vom Lufttaxi bis zum Regionaljet.  Publikation, DLR.