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Bauhaus Luftfahrt

Zukunftsantriebe: Kann Wasserstoff die Zukunft sein?

Zukunftsantriebe Kann Wasserstoff die Zukunft sein?

Staatliche Förderprogramme rücken wasserstoffbetriebene Flugzeuge in den Fokus. Laut einer neuen Studie könnte ein erster Demonstrator für Kurzstreckenflüge bis 2028 entwickelt werden. Ganz neu ist die Idee nicht. Doch es gibt noch viele offene Fragen.

Und plötzlich ist das Thema Wasserstoff in der Luftfahrtforschung (wieder) oben auf der Agenda. Anfang Juni verkündete die französische Regierung, der heimischen Aerospace-Industrie im Rahmen eines Rettungspakets auch 1,5 Milliarden Euro für die Entwicklung umweltfreundlicher Technologien zur Verfügung zu stellen. Kaum zwei Wochen später stellten die europäischen Forschungsprogramme Clean Sky 2 und Fuel Cells and Hydrogen Joint Undertaking (FCH JU) eine von ihnen in Auftrag gegebene Studie von McKinsey & Company mit dem Titel "Wasserstoffbetriebene Luftfahrt" vor. Daran mitgewirkt haben 24 Unternehmen, Universitäten und Forschungseinrichtungen, darunter Airbus, der Raketenbauer ArianeGroup und das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR). Anfang Juli verabschiedete auch die EU-Kommission ihre neue Wasserstoff-Strategie.

Erreichung der ambitionierten Klimaziele

Mehr als 900 Millionen Tonnen CO2 stößt die Luftfahrt jährlich nach Angaben der McKinsey-Studie aus. Wasserstoff hätte das Potenzial, so die Autoren, einen Beitrag zur Erreichung der ambitionierten Klimaziele der Air Transport Action Group zu leisten – nämlich eine Halbierung der CO2-Emissionen bis 2050 (im Vergleich zu 2005). Doch die technologischen Herausforderungen sind groß. "Es ist ein Schlüsselmoment für die Luftfahrt", so Axel Krein, Executive Director von Clean Sky 2 bei der Vorstellung der Studie. Experten gehen davon aus, dass es mindestens 10 bis 15 Jahre dauert, um Wasserstoff-Antriebe in die kommerzielle Luftfahrt einzuführen. Eine Indienststellung 2035 erscheint zumindest theoretisch möglich. "Um die ehrgeizigen Zeitpläne und Ziele zu erreichen, muss die erforderliche Forschung jetzt angegangen werden", so Krein.

NASA Kim Shiflett
In der Raumfahrt ist Wasserstoff als Treibstoff Standard. Werden auch an Flughäfen künftig LH2-Tanks stehen?

Ende der Ölpreiskrisen

Bereits in den 1970er-Jahren erlebte die Forschung zum Thema Wasserstoff-Luftfahrtantriebe einen Höhenflug. Allerdings nicht aus Umweltgründen, sondern getrieben durch die steigenden Rohölpreise. Mit dem Ende der Ölpreiskrisen schwanden das Interesse und die nötigen Fördergelder, um die Entwicklungen voranzutreiben. Als die Sowjets 1988 mit einer auf flüssigen Wasserstoff umgerüsteten Tupolew Tu-154 Flugversuche durchführten, wurde man im Westen nervös. Die FLUG REVUE schrieb damals: "So schätzen Wissenschaftler aufgrund des Erstflugs der Tu-155 in der Sowjetunion, daß man dort einen Technologie-Vorsprung auf diesem Gebiet von rund fünf Jahren hat." Am Ende wurde auch dieses Projekt nicht weiterverfolgt.

Fliegt der A320-Nachfolger mit Wasserstoff?

Die McKinsey-Studie beschreibt am Beispiel eines Standardrumpfflugzeugs in der Größe eines Airbus A320 die technischen Hürden eines parallelen Hybrid-Antriebs aus Brennstoffzellen und Turbinentriebwerken, die Wasserstoff anstatt Kerosin verbrennen. Ein Problem ist die Lagerung von flüssigem Wasserstoff (LH2), auf den sich McKinsey fokussierte, weil er weniger Platz verbraucht als in Gasform und die Tanks leichter sind. Zwar liefert LH2 rund dreimal soviel Energie pro Gewicht wie Kerosin, beansprucht aber etwa das Vierfache an Platz. Die Wasserstofftanks müssten deshalb und zur Vermeidung von Verdampfung im hinteren Rumpf unter- gebracht werden. Eine A320 wäre dann in etwa so lang wie eine A321 und hätte ein um 14 Prozent höheres maximales Startgewicht.

Möglichst geringen Stickoxidausstoß

Auch das System zur Verteilung, Verdampfung und Einspeisung von LH2 in Brennstoffzellen und Triebwerke müsste erst noch entwickelt werden. Flüssiger Wasserstoff muss auf minus 253,15 Grad Celsius gekühlt und unter hohem Druck gelagert werden. Leitungen, Ventile und Verdichter müssten dafür ausgelegt, Leckagen und Materialversprödung vermieden werden. Zudem wären effizientere Niedertemperatur-Brennstoffzellen mit einer zwei- bis dreimal höheren Leistungsdichte als heute nötig. Sie könnten in Kombination mit Batterien die Energie für den Reiseflug zur Verfügung stellen. Für Start und Steigflug kämen Triebwerke zum Einsatz, die Wasserstoff direkt verbrennen. Sie müssten für einen möglichst geringen Stickoxidausstoß optimiert werden. Forschung und Investitionen wären auch in eine entsprechende Infrastruktur am Boden nötig.

EADS Airbus
Die Cryoplane-Studie sah ein Modell auf Basis des Airbus A310 vor.

Schadstoffausstoß sinkt, Betriebskosten steigen

Ein Hybrid-Kurzstreckenflugzeug würde im Flugbetrieb keinerlei CO2 ausstoßen. Die gesamte Klimawirkung (wenn auch Stickoxide, Ruß, Wasserdampf und Kondensstreifen berücksichtigt werden) ließe sich laut McKinsey & Company um 75 Prozent im Vergleich zu einer kerosinbetriebenen A320 verringern. Die Gesamtbetriebskosten würden um rund ein Viertel steigen (18 Euro zusätzlich pro Passagier). Laut der McKinsey- Studie sind Wasserstoff-Antriebe bis zum Segment der Mittelstreckenflugzeuge (250 Passagiere, 7000 km Reichweite) im Vergleich zum Betrieb mit synthetischem Treibstoff günstiger oder von den Kosten her vergleichbar.

Treibstoff für die Langstrecke

Wie Wasserstoff als Treibstoff künftig auch für die Langstrecke interessant werden könnte, hat ein interdisziplinäres Team am Bauhaus Luftfahrt in München untersucht. Das Konzept Hyliner 2.0 sieht ein Widebody-Flugzeug mit 400 Sitzplätzen und einer Fluggeschwindigkeit von Mach 0.7 vor. Um den Energiemehraufwand wegen des vergrößerten Rumpfquerschnitts zu minimieren, könnte ein in den Rumpf integriertes Triebwerk zum Einsatz kommen. Der tanklose Flügel und die niedrigere Fluggeschwindigkeit würden weitere neue Technologien ermöglichen, beispielsweise Laminarflügel oder Flügel mit sehr hoher Streckung. Ob die pandemiebedingte Krise der Luftfahrt wirklich zu einem radikalen Technologiewechsel führt, wird sich in den nächsten Jahren zeigen.

DLR
Das Brennstoffzellenflugzeug HY4 hob 2016 zum Erstflug ab.

Vorreiter aus dem Osten

In den 1980er-Jahren wurden in der Sowjetunion Flugtests mit alternativen Treibstoffen für zivile Jets durchgeführt. Dafür wurde eine Tupolew Tu-154 so modifiziert, dass eines ihrer drei NK-88 mit Flüssigwasserstoff (später mit Erdgas) betrieben werden konnte. Der Prototyp namens Tu-155 flog erstmals am 15. April 1988. Die als Tu-156 geplante Serienversion wurde nie verwirklicht.

Cryoplane-Projekts

Anfang der 2000er-Jahre untersuchte Airbus zusammen mit 36 weiteren Unternehmen und Forschungseinrichtungen im Rahmen des Cryoplane-Projekts die Machbarkeit von wasserstoffbetriebenen Flugzeugen, Sicherheits- und Umweltaspekte sowie Szenarien für einen reibungslosen Übergang von Kerosin zu Wasserstoff.

Prototypen kleinerer Flugzeuge

In den vergangenen 15 Jahren hat das DLR einige Prototypen kleinerer Flugzeuge mit Brennstoffzellen entwickelt und im Flug getestet, darunter die Motorsegler Antares-DLR-H2 und Antares-H3 sowie der Viersitzer HY4.