Analyse Luftverkehr Studien Technopie Umwelt Verkehrspolitik

Ankündigungen technologischen Wandels im Luftverkehr und deren reale Ausprägung (Peeters et al. 2016)

Foto: Luka Slapnicar @ Unsplash - Gemeinfrei-ähnlich freigegeben durch die Unsplash-Lizenz
Das prognostizierte Wachstum des Luftverkehrs und die damit zusammenhängenden absoluten Emissionen sollen vorrangig durch Technologie und "Nullemissionsflüge" reduziert werden. Durch den Einsatz neuer Flugzeugtypen oder anderer Energieformen wie bspw. Wasserstoff soll ein klimaneutrales Wachstum auf dem Weg zu einer emissionsfreien Zukunft im Luftverkehr erreicht werden. Dieser Artikel beleuchtet aus heutiger Perspektive die in den Jahren 1994 – 2013 am stärksten in Medien und Öffentlichkeit wahrgenommenen Technologiepfade. Es zeigt sich, dass viele technische Ankündigungen keine oder nur eine sehr begrenzte emissionsmindernde Wirkung entfalten konnten. Eine Vielzahl der Ankündigungen ist auch heute noch existent und Basis für Annahmen für das Jahr 2030 - 2050.

In den vergangenen Jahrzehnten ist der Luftverkehr stark gewachsen. Die Zahl der Fluggäste ist von rund zwei Milliarden Passagieren, die zu Beginn der 1990er Jahre jährlich abgefertigt wurden, um über 100 % auf 4,3 Milliarden Passagiere im Jahr 2018 gewachsen. In erhöhte sich die Zahl der Fluggäste (sowohl Einsteiger als auch Aussteiger) von 77 Millionen im Jahr 19911 auf 244 Millionen im Jahr 2018.2 Mit Ausnahme vereinzelter Stagnationsphasen ist der globale Luftverkehr stetig gewachsen. Gleiches gilt für die Luftfracht: Gegenüber 1991 ist die jährliche Frachtmenge in Deutschland um 243 % von 1,4 Millionen Tonnen auf 4,9 Millionen Tonnen gestiegen.1,4

Weltweites Luftverkehrswachstum der letzten 70 Jahre | Grafik: INTERNATIONAL CIVIL AVIATION ORGANIZATION (ICAO) 2017. Aviation benefits. Montreal. nach Umweltbundesamt 2019: Umweltschonender Luftverkehr lokal – national – international. UBA-Texte 130/2019. Dessau-Roßlau: Umweltbundesamt, S. 17

Die starke Zunahme des Luftverkehrs dürfte sich auch zukünftig fortsetzen. Die Internationale Zivil-Luftfahrt-Organisation ICAO geht von einem jährlichen Wachstum der Passagierkilometer (RPK – Revenue Passenger Kilometers) zwischen 3,6 % – 4,8 % aus. In dem von der ICAO als am wahrscheinlichsten angesehenen Szenario wachsen die RPK um 4,4 % pro Jahr, womit sich die Verkehrsleistung etwa alle 16 Jahre verdoppeln würde.5 Der Großteil des Wachstums wird in Asien und dem Mittleren Osten erwartet, während Europa und nur um gut 3 % p.a. wachsen sollen.6 Laut globalen Prognosemodells für den Luftverkehr unter Berücksichtigung von Flughafenkapazitäten und Flottenentwicklung des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR) ist eine Steigerung der Passagierzahlen von rund 4 Milliarden in 2016 auf über 9,4 Milliarden in 2040 zu erwarten.7 Die Zahl der Flüge wächst dabei von 35,5 Millionen auf etwa 53 Millionen im selben Zeitraum, was einer jährlichen Steigerung von 1,6 Prozent entspricht.

Weltweites Passagieraufkommen bis 2040 – Quelle: DLR | CC-BY 3.0

Das Wachstum der Verkehrsleistung spiegelt sich auch in der globalen Flugzeugflotte wieder: Die Zahl der kommerziell eingesetzten Flugzeuge hat sich von 3.700 im Jahr 1970 auf 9.100 im Jahr 1990 erhöht. Im Jahr 2010 erreichte der weltweite Flugzeugbestand 21.000 Flugzeuge und wuchs bis 2019 weiter auf 27.500 Flugzeuge.8 Das Beratungsunternehmen Oliver Wyman rechnet für das Jahr 2029 mit einem Bestand von 39.175 Flugzeugen9, Airbus mit einer globalen Flugzeugflotte von 47.600 im Jahr 2038.10 Die zwischen 2019 und 2038 ausgelieferten neuen Flugzeuge dürften laut Berechnungen des ICCT über ihre Nutzungsdauer doppelt so viel CO2 ausstoßen wie alle zwischen 1980 und 2018 in Summe emittiert haben:

Zwischen 1980 bis 2018 von Fluggesellschaften emittierte CO2-Emissionen (kumuliert) vs. CO2-Emissionen über die Nutzungsdauer (kumuliert) der zwischen 2019 und 2038 neu ausgelieferten Flugzeuge (Projektion) | RJ = Regional Jet, NB = narrow-body (Schmalrumpfflugzeug mit einem Kabinengang), WB = wide-body (Großraumflugzeug mit zwei Gängen) – Quelle: The International Council on Clean Transport

Aufgrund der Nachfrageentwicklung und der absehbaren Angebotsausweitung sind der globale und die damit verbundenen Emissionen im Luftverkehr stetig gestiegen. Es gibt starke Hinweise, dass sich diese Entwicklung fortsetzen wird und wie Treibhausgasemissionen weiter steigen werden.

Links: Kerosinverbrauch der internationalen Luftfahrt, 2005 bis 2050 | rechts: CO2-Emissionen (Annahme: 1 kg Flugzeugkraftstoff = 3,16 kg CO2) der internationalen Luftfahrt 2005 – 2050. Hinweis: Inlandsflüge sind nicht inkludiert. – Quelle: ICAO 2019: 2019 Environmental Report, S. 18 (bearbeitet)

Die Entwicklung des Energiebedarfs und der Treibhausgasemissionen steht im krassen Gegensatz zu den Zusagen der Industrie, die absoluten Emissionen aus dem Luftverkehr durch Technologie zu reduzieren. Technologische Veränderungen, wie bspw. Effizienzentwicklungen, können dieses Wachstum nur leicht dämpfen. Seit den 1960er Jahren ist der Kerosinverbrauch je pkm stark gesunken. Die Effizienzgewinne haben sich jedoch über die Zeit reduziert, sodass fraglich ist, ob für die Periode 2020 – 2050 ebenfalls mit Effizienzsteigerungen von 1,5 % pro Jahr gerechnet werden kann.11

Energieeffizienzsteigerungen und absolutes Emissionswachstum – Quelle: Peeters, P.; Higham, J.; Kutzner, D.; Cohen, S. und Gössling, S. (2016): Are technology myths stalling aviation climate policy?. Transportation Research Part D: Transport and Environment. 2016 (44), S. 32

Die Emissionsentwicklung hängt in erster Linie vom Verkehrsaufkommen ab. Seit den 1960er Jahren lag das Wachstum der Passagierkilometer mit einigen wenigen Ausnahmen über den Effizienzsteigerungen, sodass es zu einer absoluten Zunahme der Emissionen kam.

Jährliche Effizienzgewinne (Jahresreduktion des Energieverbrauchs pro pkm in %) und absolute Emissionswachstumsrate (% je Jahr). – Quelle: Peeters, P.; Higham, J.; Kutzner, D.; Cohen, S. und Gössling, S. (2016): Are technology myths stalling aviation climate policy?. Transportation Research Part D: Transport and Environment. 2016 (44), S. 33

Die Klimawirkung der erwarteten Wachstums und des aktuellen Luftverkehraufkommens soll durch neue Technologien und “Nullemissionsflüge” gemindert bzw. neutralisiert werden. Durch den Einsatz neuer Flugzeugtypen oder anderer Energieformen wie bspw. Wasserstoff soll ein klimaneutrales Wachstum auf dem Weg zu einer emissionsfreien Zukunft im Luftverkehr erreicht werden. Diese Zukunft ist folglich eng mit Technologieerwartungen verknüpft.

Peeters, Higham, Kutzner, Cohen und Gössling haben sich in der 2016 in Transportation Research Part D: Transport and Environment erschienenen Veröffentlichung “Are technology myths stalling aviation climate policy?” mit den Technikdiskursen im Bereich der Luftfahrt der Jahre 1994 – 2013 und deren medialer Wahrnehmung beschäftigt.12 Viele Innovationen werden bereits seit mehreren Jahrzehnten wiederholt angekündigt, ohne ihren Weg in die breite Anwendung zu schaffen. Sie werden nach einiger Zeit durch neue Vorschläge abgelöst. Peeters et al. bezeichnen die angekündigten Technolgiesprünge daher als “” wobei ein “Mythos” hierbei als Idee, Geschichte oder Erzählung definiert ist, die von vielen Menschen, einschließlich Entscheidungsträgern, geglaubt wird, auch wenn sie unbegründet oder falsch ist.13 Technikmythen dienen insbesondere dem Zweck, Eingriffen von außen bspw. durch Regulierung, vorzubeugen.14 Die Erwartung eines irgendwann eintretenden technischen Durchbruchs ist hierbei ausreichend, auch wenn der Eintritt als solcher unsicher ist. Gleichzeitig dienen Technikmythen der Bevölkerung, Konsummuster und Lebensstile nicht hinterfragen oder gar ändern zu müssen.

In einem ersten Schritt ließen die Wissenschaftler*innen eine Expertengruppe im Rahmen einer Delphi-Befragung vergangene und gegenwärtige technische “Lösungen” sammeln, die von Flugzeugherstellern, Fluggesellschaften und Luftfahrtunternehmen im Zeitraum 1994 – 2013 zur Adressierung des Klimawandels vorgeschlagen wurden. Am Ende dieses Prozesses standen elf Innovationsansätze, die in drei Kategorien einteilbar sind:

KategorieTechnologie
FlugzeugstrukturLaminare Strömung (laminare Flugzeugflügel)
Blended Wing Body
AntriebSolarflug
Elektrischer Flug
Propfan / Open Rotor
Alternative KraftstoffeJatropha
Wasserstoff
Algen
Leindotter (Camelina)

In einem zweiten Schritt wurden die einzelnen Begriffe einer Medienanalyse mithilfe der Mediendatenbank Factiva unterzogen. Analysebasis waren englischsprachige Medienberichte aus täglich erscheinenden Printmedien, die Suche wurde mit verschiedenen Variationen der Begriffe (z.B. electric airplane / aircraft statt electric flight) und Kombinationen mit Luftverkehrsbegriffen wie bspw. “aviation” oder “aircraft” durchgeführt. Insgesamt wurden 1532 Artikel näher analysiert. Aufgrund der geringen Anzahl von Medienberichten von nur ein bis zwei pro Jahr wurden die Themen “Propfan / Open Rotor” und alternative Kraftstoffe aus Leindotter (Camelina) von der weiteren Analyse ausgeschlossen.

Medienrezeption und Entwicklung der Innovation laminare Strömung (laminare Flugzeugflügel)

Medienberichte pro Jahr zum Thema “laminar flow” mit einem geringen allgemeinen Interesse bei steigender Tendenz – Quelle: Peeters, P.; Higham, J.; Kutzner, D.; Cohen, S. und Gössling, S. (2016): Are technology myths stalling aviation climate policy?. Transportation Research Part D: Transport and Environment. 2016 (44), S. 35

Eine laminare Strömung ist eine gleichmäßige Strömung. Bei einer turbulenten Strömung – dem Gegensatz zur laminaren Strömung – entstehen Verwirbelungen, die Oberflächenreibung verursachen. Der höhere Widerstand erhöht den Kraftstoffverbrauch. Turbulente Strömungen entstehen bspw. durch Lücken, Rauigkeiten oder Befestigungselementköpfe. Die Herausforderung ist es, Rumpfelemente und Flügel zu konstruieren, die vom Rumpf bis zur Spitze eine laminare Strömung bei gleichzeitig hoher Belastbarkeit und Haltbarkeit ermöglichen. Trotz anderslautender Ankündigungen sind bisher realisierte Kraftstoffeinsparungen nur marginal. Die Technologie wurde und wird in Flugzeugen der aktuellen und zukünftigen Generation eingesetzt (werden). Es fehlt jedoch aktuell noch der Beleg, dass hohe Effizienzvorteile in Breite realisiert werden. In der Medienberichterstattung wurde häufig auch auf Anwendungen für Überschall-Flüge verwiesen.15

Medienrezeption und Entwicklung der Innovation Composite-Flugzeug

Medienberichte pro Jahr zum Thema “Composite-Fluzeug” mit einem hohen allgemeinen Interesse bei steigender Tendenz – Quelle: Peeters, P.; Higham, J.; Kutzner, D.; Cohen, S. und Gössling, S. (2016): Are technology myths stalling aviation climate policy?. Transportation Research Part D: Transport and Environment. 2016 (44), S. 35

Der Einsatz von Verbundwerkstoffen im Flugzeugbau bietet die Vorteile von leichteren Strukturen und die Möglichkeit, eine bessere aerodynamische Form zu erreichen. Es handelt sich nicht um eine neue Technologie, sondern wird bereits seit den 1970er Jahren in den Handbüchern der Flugzeugkonstruktion erwähnt. Das hohe Interesse der Medien für Verbundwerkstoffe ist eng mit der Boeing 787 Dreamliner verbunden, deren Rumpf zu einem Großteil aus kohlenstofffaserverstärktem Kunststoff besteht.

Der Beitrag von Flugzeugen aus Kohlefaserverbundwerkstoffen zur Treibstoffeinsparung ist jedoch relativ gering: Im Durchschnitt ist eine Leergewichtsreduzierung von 5 % zu erwarten, wenn die Verbundwerkstoffe herkömmliche Aluminiumstrukturen ersetzen.16 Raymer et al. (2011) berechneten, dass der Ersatz einer halben Flugzeugstruktur durch Verbundwerkstoffe 1-4 % Treibstoff sparen kann, also deutlich weniger als in den Medien kommuniziert.17 Verbundwerkstoffe verbessern die Kraftstoffeffizienz von Flugzeugen graduell, jedoch in einem geringen Tempo.18

Medienrezeption und Entwicklung des Blended Wing Body

Medienberichte pro Jahr zum Thema “Blended Wing Body” mit einem mittleren allgemeinen Interesse, mittlerweile aufgegeben – Quelle: Peeters, P.; Higham, J.; Kutzner, D.; Cohen, S. und Gössling, S. (2016): Are technology myths stalling aviation climate policy?. Transportation Research Part D: Transport and Environment. 2016 (44), S. 35

Das Konzept des Blended Wing Body stammt aus den 1960er Jahren und verknüpft das Prinzip eines Nurflüglers mit konventionellen Flugzeugstrukturen. Diese Kombination bietet Vorteile im Vergleich zu klassischen Rumpf-Flügen-Strukturen.

Die BWB-Flugzeugzelle vereint effiziente Hochauftriebsflügel mit einem breiten, profilförmigen Körper, sodass das gesamte Flugzeug Auftrieb erzeugen und den Luftwiderstand minimieren kann. Diese Form trägt zu einer höheren Treibstoffeinsparung bei und schafft größere Nutzlastbereiche (Fracht oder Passagiere) im mittleren Rumpfbereich des Flugzeugs. Berichtet wird von Kraftstoffeinsparungen von rund 30 % und einer Verdopplung der Sitzplatzkapazität.

Diverse Konstruktionsversuche und Tests haben jedoch große Probleme offenbart. So ist bislang unklar, wie der Druckausgleich in derart großen Strukturen funktioniert. Ebenso bestehen Probleme bei der Kontrolle des Flugzeugs, da das Flugzeugdesign aerodynamisch instabil ist.19

Medienrezeption und Entwicklung des Solarflugs

Medienberichte pro Jahr zum Thema “Solarflug” mit einem niedrigen allgemeinen Interesse bei steigender Tendenz – Quelle: Peeters, P.; Higham, J.; Kutzner, D.; Cohen, S. und Gössling, S. (2016): Are technology myths stalling aviation climate policy?. Transportation Research Part D: Transport and Environment. 2016 (44), S. 35

Die mediale Berichterstattung über Solarflugzeuge ist eng mit dem Flugzeugprojekt Solar Impulse der Schweizer Bertrand Piccard und André Borschberg verbunden. Nach dem Erstflug am 3. Dezember 2009 gelang 2012 der erste Interkontinentalflug eines mit Solarenergie betriebenen Flugzeuges. Anschließend wurden die Vereinigten Staaten überflogen. Die anschließende Weltumrundung in den Jahren 2015 und 2016 wurde ebenfalls stark in den Medien rezipiert, wenngleich die Ereignisse nach 2013 in der Analyse von Peters et al. nicht mehr enthalten sind.

Problematisch ist, dass nach heutigen Stand der Technik die Beförderung eines Menschen oder einer Nutzlast von 150 kg bei einem Dauerflug eine große Spannweite und einen sehr leichten Flügel erfordert. Dieser erweist sich als sehr zerbrechlich und ist nicht leicht steuerbar.

André Noth schreibt in seiner 2009 eingereichten Dissertation, dass es aus seiner Sicht mehrere Gründe gibt, wieso ein Transatlanik-Solarflug mit 500 Passagieren mit großer Wahrscheinlichkeit nie geben wird. “Die Sonneneinstrahlung würde selbst bei 100 % Wirkungsgrad niemals genug Energie liefern, um nicht nur die Passagiere zu befördern, sondern auch ein Minimum an Komfort zu bieten, was viel zusätzliches Gewicht bedeutet. Damit verbunden ist, dass die kubische Tendenz des Flugzeuggewichts nicht durch die quadratische Tendenz der Solarzellenoberfläche kompensiert wird […]. Die erforderliche große Fläche der Solarzellen führt dann zu beeindruckenden Spannweiten. Außerdem [wurde] beobachtet, dass die Geschwindigkeit eines Solarflugzeugs nicht mehr als 50 km/h beträgt, sodass Reisen mehrere Tage statt Stunden wie bei einem echten Flugzeug dauern.”20 Im Rahmen der wissenschaftlichen Untersuchung kamen sie daher zu dem Schluss, dass der Solarantrieb nur für Reisen, die 24 Stunden nicht überschreiten und für ein oder zwei Personen an Bord eine Zukunft hat.21 Selbst in diesem Fall wäre eine weitaus bessere Lösung die Nutzung der Sonnenenergie in konzentrierter Form wie bspw. Wasserstoff oder synthetische Kraftstoffe. Mittels Solarzellen auf den Flügelflächen könnten aber dennoch Nebenverbraucher betrieben werden.22

Medienrezeption und Entwicklung des elektrischen Flugs

Medienberichte pro Jahr zum Thema “Solarflug” mit einem mittleren allgemeinen Interesse bei steigender Tendenz – Quelle: Peeters, P.; Higham, J.; Kutzner, D.; Cohen, S. und Gössling, S. (2016): Are technology myths stalling aviation climate policy?. Transportation Research Part D: Transport and Environment. 2016 (44), S. 35

Die Möglichkeit des elektrischen Fliegens ist eng mit der Energiebereitstellung verknüpft. Diese kann theoretisch mithilfe elektrochemischer Speicher wie Akkumulatoren oder chemische Energiespeicher wie Wasserstoff oder synthetische Kraftstoffe erfolgen.

Aktuell reicht die Energiedichte jedoch bei Weitem nicht an die Dichte von Kerosin (~43 MJ / kg) heran. Die Dichte der gespeicherten Energie im Verhältnis zur Masse ist bei aktuell serienreifer Akkutechnik etwa 40 Mal so gering wie bei Kerosin. Bei einer imaginären Airbus A320 Neo mit Lithium-Ionen-Batterien, die so schwer sind wie das Kerosin bei vollen Tanks, würde sich die mögliche Flugzeit von circa sieben Stunden mit Kerosin auf zwanzig Minuten mit Elektroantrieb verringern. An einen Steigflug ist hierbei nicht zu denken. Die physikalischen Zusammenhänge sind in diesem Video (englisch) gut erklärt:

Alternative Akkutechnologie wie bspw. Lithium-Schwefel-Akkumulatoren befinden sich aktuell in ersten Anwendungen im Luftverkehr. Mit einer Energiedichte von 500 Wh / kg sind sie für den Einsatz in kleineren Flugzeugen geeignet. Größere Fortschritte bei der Energiedichte sind in den vergangenen Jahrzehnten jedoch nicht zu verzeichnen. In welcher Form und Geschwindigkeit die schrittweise Entwicklung von kleineren zu größeren Systemen erfolgt, ist noch nicht absehbar.

Wasserstoff hat mit 33,3 kWh / kg eine weitaus höhere Energiedichte als Lithium-Ionen-Batterien mit 0,2 – 0,4 kWh / kg. Für einen elektrischen Flug wird der Wasserstoff in einer Brennstoffzelle (vorrangig Polymerelektrolytbrennstoffzellen) in Strom verwandelt. Die hierfür notwendige Leistung und insbesondere das Gewicht eines solchen Brennstoffzellensystems lässt eine Anwendung vorrangig in kleineren Propellermaschinen erwarten.23 In größeren Flugzeugen dürfte der Wasserstoff als Kerosinersatz verbrannt werden (siehe alternative Kraftstoffe – Wasserstoff).24,25

Medienrezeption und Entwicklung des alternativen Kraftstoffs Jatropha

Medienberichte pro Jahr zum Thema “Jatropha als alternativer Kraftstoff” mit einem hohen allgemeinen Interesse, mittlerweile aufgegeben – Quelle: Peeters, P.; Higham, J.; Kutzner, D.; Cohen, S. und Gössling, S. (2016): Are technology myths stalling aviation climate policy?. Transportation Research Part D: Transport and Environment. 2016 (44), S. 35

Jatropha ist eine Pflanzengattung in der Familie der Wolfsmilchgewächse (Euphorbiaceae). Die bis zu 190 immergrünen Arten sind in tropischen und subtropischen Gebieten verbreitet. Für die Gewinnung von wird insbesondere die Purgiernuss (Jatropha curcas). Ihr Samen hat einen Ölanteil von über 30 %. Das Öl der genügsamen Pflanze ist eines der effektivsten technisch nutzbaren Pflanzenöle der Welt. Da sie auch auf kargen Böden gut gedeiht, steht sie nur sehr begrenzt in Konkurrenz zur Nahrungsmittelproduktion wenngleich sie zum guten Gedeihen 500 – 700 Liter Wasser je qm benötigt.26

In den Jahren 2008 und 2009 haben mehrere Fluggesellschaften den Einsatz von Jatrophaölen als Beimischung zum Kerosin getestet. Die Tests waren erfolgreich, die breitere Anwendung im Luftverkehr lässt jedoch noch auf sich warten. Dennoch wird Jatropha regelmäßig von Seiten der Industrie und Medien als Alternative benannt.

Es bestehen jedoch weiterhin Unsicherheiten, wie stark und schnell Klimaschutz mit diesem alternativen Biokraftstoff zu betreiben ist und wie hoch die Klimaschutzwirkungen vor dem Hintergrund des zu erwartenden Wachstums sein können. So kamen die USA im Rahmen einer ICAO-Konferenz im Jahr 2009 zu folgendem Schluss: “Viele Treibstoffrohstoffe, wie Sojabohnen, Jatropha und Camelina, haben keine ausreichende Biomasseproduktion pro Flächeneinheit, um eine nennenswerte Menge an Kerosin zu ersetzen. Dies bedeutet nicht, dass sie nicht für die Produktion von Biokraftstoffen angebaut werden sollten; es zeigt nur, dass diese Rohstoffe das Erdöl als Quelle für Kerosin nicht ersetzen können.”27,28

Die Herausforderung liegt weiterhin in der Entwicklung und Kommerzialisierung der großtechnischen Produktion von Jatropha-Pflanzen, die in nachhaltiger Weise angebaut werden könnten. Die größte Einschränkung bei der Ausweitung vom lokalen Anbau hin zur Großproduktion ist, dass die Bauern in Armut leben und Jatropha nur deshalb auf ihrem Land wachsen lassen, weil es unter den lokalen ariden Bedingungen die beste unter vielen schlechten Optionen ist. In Gebieten, in denen Jatropha nicht natürlich vorkommt und einkommensschaffendere Arten anbaubar sind, dürften Landwirte nur äußerst widerwillig Jatropha anbauen. Neue Plantagen brauchen drei bis fünf Jahre bis eine kommerzielle Jatropha-Produktion möglich ist. Viele Bauern haben nicht das Kapital, um mehrere Jahre auf erste Erträge zu erwarten. Aufgrund der allgemeinen Armut der Regionen, in denen Jatropha gut wächst, gibt es nur wenige Kredite oder langfristige Lieferverträge. Jatropha könnte eine geeignete Lösung sein, Dörfer, in denen sie angebaut wird, mit Treibstoff zu versorgen. Es gibt jedoch kaum Anzeichen dafür, dass sich Jatropha über die Dorfebene hinaus ausbreiten und zu einer Energiequelle im globalen Maßstab werden wird.29

Medienrezeption und Entwicklung des alternativen Kraftstoffs Tierischer Fette

Medienberichte pro Jahr zum Thema “Tierfette als alternativer Kraftstoff” mit einem niedrigen allgemeinen Interesse, mittlerweile aufgegeben – Quelle: Peeters, P.; Higham, J.; Kutzner, D.; Cohen, S. und Gössling, S. (2016): Are technology myths stalling aviation climate policy?. Transportation Research Part D: Transport and Environment. 2016 (44), S. 36

Tierisches Fett (oder ) ist eines der beiden Hauptprodukte aus der Verwertung tierischer Nebenprodukte (TNP). ist ein potenzieller Rohstoff für die Produktion von Biokraftstoffen für die Luftfahrt, obwohl fast alle zur Verfügung stehenden Mengen dieses Materials – zumindest in der EU – bereits verwendet werden.30

Neben der Verfügbarkeit ist der hohe Gefrierpunkt nahe 0˚C des aus tierischen Fetten hergestellten Biokerosins kritisch (im Vergleich: Kerosin -40˚C).31 Daher wird es in Mischungen bis zu maximal 20 % beigemischt.32 Aus diesem Grund bieten alternative Kraftstoffe aus tierischen Fetten nur ein begrenztes Potenzial für die Reduktion der Treibhausgasemissionen der Luftfahrt.

Medienrezeption und Entwicklung des alternativen Kraftstoffs Wasserstoff

Medienberichte pro Jahr zum Thema “Wasserstoff als alternativer Kraftstoff” mit einem niedrigen allgemeinen Interesse, mittlerweile aufgegeben – Quelle: Peeters, P.; Higham, J.; Kutzner, D.; Cohen, S. und Gössling, S. (2016): Are technology myths stalling aviation climate policy?. Transportation Research Part D: Transport and Environment. 2016 (44), S. 36

Unter den diskutierten alternativen Energiequellen für die Luftfahrt gilt Wasserstoff aufgrund seiner Sauberkeit und des Überflusses als die Zukunft. Wasserstoff hat das Potenzial, ein sauberer und sicherer Kraftstoff zu sein und gleichzeitig die Leistung zu verbessern, die direkten Betriebskosten zu senken und im Vergleich zu den derzeitigen Flugkraftstoffen insgesamt günstiger zu sein.33

Während der Wasserstoff in kleineren Flugzeugen mittels Brennstoffzelle in elektrischen Strom umgewandelt wird, dürfte er in größeren Flugzeugen direkt als Brennstoff eingesetzt werden.34,35

Hierbei bietet Wasserstoff gegenüber Kerosin verschiedene Vorteile: hohe Kraftstoffeffizienz, breites Spektrum an Entflammbarkeit, hohe Verbrennungstemperatur, keine CO- und CO2-Emissionen, kein , keine unverbrannten Kohlenwasserstoffe, keine Schwefelemissionen, kein Geruch, reduziertes Motorengeräusch, kleinere Motoren, längere Lebensdauer der Motoren und geringere Wartungskosten, keine korrosiven und erosiven Verunreinigungen, höhere thermische Stabilität, usw.

Die Herausforderungen des Einsatzes von Wasserstoff in der Luftfahrt liegen primär auf operativer Seite. Dies betrifft zum einen die Produktion, Lieferung und Lagerung des Wasserstoffs, aber auch die Speicherung im Flugzeug selber. Die veränderten Anforderungen bringen umfassende Änderungen an den Flugzeugen und der Betankungsinfrastruktur mit sich.

Darstellung ausgewählter Energiedichten – Grafik: Scott Dial @ Wikimedia Commons – gemeinfrei

 

Wegen der geringen spezifischen Energie pro Volumen muss die Speicherung des Wasserstoffs in großen und unter Druck stehenden Tanks erfolgen oder erfordert kryogene Techniken (Verflüssigung durch Kühlung). Für die Anwendung in der Luft scheint sich verflüssigter Wasserstoff als einzig tragfähige Form herauszukristallisieren, da andere Formen der Speicherung aufgrund ihres übermäßigen Gewichts oder Volumens nicht geeignet scheinen.36,37

Kryogene Treibstoffe erfordern wiederum größere und schwere Treibstofftanks. Die Tankkonfigurationen können entweder nicht-integriert oder integriert ausgelegt werden. Nicht-integrierte Konfigurationen befinden sich außerhalb des Flugzeugrumpfes und beinhalten Treibstofftanks, die entweder an der Flugzeugzelle, über oder unter dem Flügel montiert sind. Nicht-integrierte Tanks müssen zusätzlich zu den Treibstoffeinschlusslasten die aerodynamischen und Trägheitslasten aufnehmen können.36 Integrierte Tanks befinden sich im Inneren des Rumpfes. Die Form und Abmessungen sind somit von der Rumpfkonstruktion abhängig. Sie müssen keine aerodynamischen Belastungen standhalten und können zur strukturellen Integrität beitragen.39 Die ideale Tankform und -isolierung sind Gegenstand von Entwicklungstätigkeit der Luftfahrtindustrie. Es ist jedoch absehbar, dass andere Flugzeugformen als heute notwendig sein werden, deren Entwicklung entsprechend Zeit in Anspruch nimmt.

Des Weiteren sind Triebwerksmodifikationen erforderlich, um den Treibstoff vor der Verbrennung zu verdampfen und zu erhitzen. Die Verbrennung von Wasserstoff in einer herkömmlichen kerosinbetriebenen Brennkammer lässt diffusive Flammen entstehen, bei denen stöchiometrische Verhältnisse um die Flamme herum auftreten. Die entstehenden Hochtemperaturflammen setzen hohe NOx-Emissionen frei.40 Sie wären daher durch neuartige Brennkammern mit Wärmetauschern auszutauschen (Lean direct injection von Marek et al.41 oder nach Dahl und Suttrop42).

Ein weiteres umweltbezogenes Problem besteht durch den starken Ausstoß von Wasserdampf. Bei der Verbrennung von Wasserstoff wird 2,5-mal mehr Wasserdampf freigesetzt als bei herkömmlichen, auf fossilen Brennstoffen basierenden Flugkraftstoffen. Die Lebensdauer des Wasserdampfes steigt mit zunehmender Höhe. Die maximale Lebensdauer von Wasserdampf beträgt bei 10 km etwa drei, bei 15 km etwa neun Monate. Dieser Dampf kann möglicherweise lang anhaltende Eiswolken erzeugen, die als Treibhausgase betrachtet werden und zu betrieblichen Problemen führen können.43

Die Umweltauswirkungen sind in Summe jedoch vergleichsweise gering und können durchaus als Vorteil genannt werden. Bis zu einer Wasserstoffnutzung bei Luftfahrtanwendungen dürfte es jedoch noch einige Zeit dauern, da diverse technische Probleme zu lösen, Flugzeuge zu entwerfen und zuzulassen sowie Infrastruktur aufzubauen ist.

Medienrezeption und Entwicklung des alternativen Kraftstoffs Algen

Medienberichte pro Jahr zum Thema “algenbasierter Kraftstoff” mit einem niedrigen allgemeinen Interesse mit anhaltender Tendenz – Quelle: Peeters, P.; Higham, J.; Kutzner, D.; Cohen, S. und Gössling, S. (2016): Are technology myths stalling aviation climate policy?. Transportation Research Part D: Transport and Environment. 2016 (44), S. 36

Algenbasierte Kraftstoffe gelten als vielversprechende Möglichkeit, biogene Kraftstoffe für die Luftfahrt zu erzeugen. In der Herstellung algenbasierter Kraftstoffe wird deutlich weniger CO2 emittiert als bei erdölbasierten Kraftstoffen. Für die gleiche Menge an Brennstoff würde das algenbasierte System etwa 13 % des Kohlendioxids produzieren, das von einem Erdölproduktionssystem freigesetzt wird. Damit könnte es den CO2-Fußabdruck der Luftfahrtindustrie um bis zu 85 % reduzieren.44

Algen bieten eine Vielzahl weiterer Vorteile: sie binden effizient CO2 aus der Amosphäre, können in Abwässern und Industrieabwässern vorhandene Nährstoffe nutzen und stehen somit in keiner Konkurrenz zu landwirtschaftlichen Flächen, der Nahrungsmittelproduktion oder der Wasserversorgung von Menschen und Tieren.45 Durch die einfache Kultivierung und ganzjährige Erntezeit ist der Anbau von Algen kostengünstig und einfach möglich.46 Die restliche Biomasse kann als Tierfutter, Dünger, Ausgangsstoff für Bio-Plastik oder Stromproduktion durch Verbrennen dienen.

Die zentrale Herausforderung ist, dass viele Algenarten einen geringen Fettgehalt aufweisen. Es gibt daher eine Vielzahl von Versuchen, Mikroalgenarten gentechnisch so zu verändern, dass die Biomasseproduktivität und der Lipidgehalt steigt.47 Des Weiteren sind die Ernte- und Trocknungsprozesse aktuell noch vergleichsweise aufwendig, ebenso wie die vorgeschalteten Prozesse zur Umwandlung von in Jet Fuel.48 Bis zu einer breiten und ökonomisch tragfähigen Anwendung bestehen verschiedene Hürden, sodass eine Übertragbarkeit aus dem Labor in nachhaltige Produktionsstrukturen mit einigen Herausforderungen verbunden ist.49 Die verschiedenen Produktionsverfahren unterscheiden sich aufgrund unterschiedlicher Energiebedarfe, Temperaturanforderungen der einzelnen Algenarten, usw. in ihrer Umweltwirkung.50 Die exakte Bestimmung der jeweiligen Vor- und Nachteile ist somit prozess-, standort- und materialabhängig.

Fazit

Eine eingehende Betrachtung der Technologieentwicklungen in der Luftfahrt zeigt zweierlei: die Geschwindigkeit und die Wirkungen technischer Innovationen wurden von Medien, Industrie und Öffentlichkeit in den vergangenen Jahrzehnten stark überschätzt. Die Aufmerksamkeitszyklen bilden sich rasch aus, sind aber nur selten nachhaltig. Häufig wird auch übersehen, dass aufkommende Technologiediskurse nicht zwingend zu einem Erfolg führen müssen, sondern auch zum Ergebnis haben können, dass ein Technologiepfad nicht belastbar ist. Mitunter fehlt auch die richtige Einordnung, z.B. die physikalische Unmöglichkeit von Solarflügen.

Die zweite Erkenntnis lautet, dass in Modellen und bei der Planung politischer Interventionen technische Effizienzgewinne und Dekarbonisierungspotentiale im Zweifel eher niedriger angesetzt werden sollten. Insbesondere bei langen Planungszyklen bestehen große Unsicherheiten bezüglich des Eintritts und der Wirkung. Technischer Fortschritt oder gar Sprunginnovationen sind nicht ausgeschlossen, sie sind aber nur bedingt vorherzusehen und somit keine geeignete Grundlage. Sollte technischer Wandel eintreten, können vorgesehene Alternativmaßnahmen wie bspw. Maßnahmen zur Reduktion des Verkehrsaufkommens, adaptiert werden. Diese Variabilität für die Zielerreichung erfordert szenarienhaftes Planen mit unterschiedlichen Pfaden, die je nach technischer und allgemeiner Entwicklung an bestimmten Entscheidungsknoten adaptiert werden können. Insbesondere im Bereich Klimaschutz ist die Zielerreichung von großer Bedeutung, sodass diese zwingend sichergestellt werden sollte. Die Pfade dorthin, können durchaus variabel gestaltet sein, solange sie konsistent sind.

Literaturverzeichnis

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  13. Peeters, P.; Higham, J.; Kutzner, D.; Cohen, S. und Gössling, S. (2016): Are technology myths stalling aviation climate policy?. Transportation Research Part D: Transport and Environment. 2016 (44), S. 31
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  15. Peeters, P.; Higham, J.; Kutzner, D.; Cohen, S. und Gössling, S. (2016): Are technology myths stalling aviation climate policy?. Transportation Research Part D: Transport and Environment. 2016 (44), S. 34
  16. Raymer, D.P. (2012): Aircraft Design: A conceptual approach, 5th ed. AIAA, Washington
  17. Raymer, D.P., Wilson, J., Perkins, H.D., Rizzi, A., Zhang, M. und Puentes, A.R. (2011): Advanced Technology Subsonic Transport Study N+ 3 Technologies and Design Concepts (No. NASA/TM—2011-217130). Glenn Research Center, Cleveland, Ohio
  18. Peeters, P.; Higham, J.; Kutzner, D.; Cohen, S. und Gössling, S. (2016): Are technology myths stalling aviation climate policy?. Transportation Research Part D: Transport and Environment. 2016 (44), S. 36
  19. Peeters, P.; Higham, J.; Kutzner, D.; Cohen, S. und Gössling, S. (2016): Are technology myths stalling aviation climate policy?. Transportation Research Part D: Transport and Environment. 2016 (44), S. 37
  20. Noth, A. (2008): Design of Solar Powered Airplanes for Continuous Flight. Dissertation an der, ETH Zürich., S. 142 (eigene Übersetzung)
  21. a.a.O., S. 143
  22. ebd.
  23. Sürer, M. G. und Hüseyin, T. A. (2018): State of art of hydrogen usage as a fuel on aviation. European Mechanical Science 2018, Vol. 2(1): 20-30, S. 21
  24. ebd.
  25. Dincer, I. und Acar, C. (2016): A review on potential use of hydrogen in aviation applications. International Journal of Sustainable Aviation, Vol. 2(1): 74-100
  26. Rosillo-Calle, F.; Thrän, D.; Seiffert, M. und Teelucksingh, S. (2012): The potential role of biofuels in commercial air transport – biojetfuel. IEA Bioenergy Task 40 Sustainable International Bioenergy Trade, London
  27. ICAO (2009): Comparison of life cycle GHG emissions from select alternative jet fuels, CAAF/09-IP/6. Paper presented at the Conference on Aviation and Alternative Fuels, Rio de Janeiro, 16-18. November 2009; eigene Übersetzung
  28. siehe auch: Stratton, R.W.; Wong, H.M. und Hileman, J.I. (2010): Life Cycle Greenhouse Gas Emissions from Alternative Jet Fuels. PARTNER Project 28 report, Version 1.2. Cambridge: Massachusetts Institute of Technology, S. 114
  29. siehe auch: Stratton, R.W.; Wong, H.M. und Hileman, J.I. (2010): Life Cycle Greenhouse Gas Emissions from Alternative Jet Fuels. PARTNER Project 28 report, Version 1.2. Cambridge: Massachusetts Institute of Technology, S. 52
  30. Prussi, M.; O’Connell, A. und Lonza, L. (2019): Analysis of current aviation biofuel technical production potential in EU28. Biomass and Bioenergy. Vol. 130, S. 5
  31. Vera-Morales, M. und Schäfer, A. (2009): Fuel-Cycle Assessment of Alternative Aviation Fuels. Manchester Metropolitan University, Manchester, S. 13
  32. Hileman, J.I.; Ortiz, D.S.; Bartis, J.T.; Min Wong, H.; Donohoo, P.E.; Weiss, M.A. und Waitz, I.A. (2009): Near-Term Feasibility of Alternative Jet Fuels. RAND, Santa Monica, CA.
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  34. Sürer, M. G. und Hüseyin, T. A. (2018): State of art of hydrogen usage as a fuel on aviation. European Mechanical Science 2018, Vol. 2(1): 20-30, S. 21
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  36. Khandelwal, B.; Karakurt, A.; Sekaran, P.R.; Sethi, S. und Singh, R. (2013): Hydrogen powered aircraft: The future of air transport. Progress in Aerospace Sciences, 60. S 45-59.
  37. Mital, S.; Gyekenyesi, J.; Arnold, S.; Sullivan, R. und Murthy, P. (2012): Review of current state of the art and key design issues with potential solutions for liquid hydrogen cryogenic storage tank structures for aircraft applications. NASA-TM-2006-214346. National Aeronautics and Space Administration.
  38. Khandelwal, B.; Karakurt, A.; Sekaran, P.R.; Sethi, S. und Singh, R. (2013): Hydrogen powered aircraft: The future of air transport. Progress in Aerospace Sciences, 60. S 45-59.
  39. ebd.
  40. Dincer, I. und Acar, C. (2016): A review on potential use of hydrogen in aviation applications. International Journal of Sustainable Aviation, Vol. 2(1). S. 74-100
  41. Marek, C. J.; Smith, T. D. und Kundu, K. (2005): Low Emission Hydrogen Combustors for Gas Turbines Using Lean Direct Injection. 41st AIAA/ASME/SAE/ASEE Joint Propulsion Conference and Exhibit. Tucson, Arizona. 41st AIAA/ASME/SAE/ASEE Joint Propulsion Conference and Exhibit AIAA–2005–3776 Tucson, Arizona
  42. Dahl, G. und Suttrop, F. (1998): Engine control and low-NOx combustion for hydrogen fuelled aircraft gas turbines. International Journal of Hydrogen Energy, 23 (1998). S. 695-704
  43. Dincer, I. und Acar, C. (2016): A review on potential use of hydrogen in aviation applications. International Journal of Sustainable Aviation, Vol. 2(1). S. 74-100
  44. Russo, D.; Dassisti, M.; Lawlor, V. und Olabi, A. (2012): State of the art of biofuels from pure plant oil. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 16 (6). S. 4056-4070
  45. Olaganathan, R.; Koh Qi Shen, F.; Lim Jun, S-: Kwa Liang, H.; Cher Kiat, G.; Tan Kok, A. und Seetho, A. (2014): Potential and technological advancement of biofuels. International Journal of Advanced Scientific and Technical Research, 4 (4). S. 12-29.
  46. Bello, B.Z. (2012): Captured CO2 to grow microalgae for bio-jet fuel production. UKCCSC Winter School University of Cambridge.
  47. Rajee, O. (2018): Algal biofuel: the future of green jet fuel in air transportation. Journal of Applied Biotechnology & Bioengineering, 5 (2). S. 133-135
  48. Bwapwa, J.K.; Anandraj, A.; Trois, C. (2017): Possibilities for conversion of microalgae oil into aviation fuel: A review. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 80, S. 1345-1354
  49. Quinn, J.C. und Davis, R. (2015): The potentials and challenges of algae based biofuels: a review of the techno-economic, life cycle, and resource assessment modelling. Bioresource Technology. 184. S. 444-452
  50. Coplin, L.G. (2012): Sustainable Development of Algal Biofuels in The United States. Washington, D.C: The National Academies Press
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Wissenschaftlicher Mitarbeiter und Doktorand am Fachgebiet Verkehrswesen und Verkehrsplanung an der Fakultät Raumplanung der Technischen Universität Dortmund.
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