Projektinfo

Fliegen mit Wasserstoff

Auf den Strassen setzen sich alternative Treibstoffe langsam immer mehr durch. Das soll jetzt bald auch im Luftverkehr der Fall sein. Flugzeugbauer planen heute bereits für das Ende des Erdölzeitalters. Und sie besinnen sich dabei auf einen Stoff aus den Anfängen der Fliegerei – mit einem explosiv schlechten Ruf: “Wasserstoff”.

Als Wasserstoffflugzeug wird ein Flugzeug bezeichnet, das mit einem Triebwerk fliegt, das durch Wasserstoff angetrieben wird. Firmen wie Boeing, Lange Aviation, EADS und die DLR erforschen den Wasserstoffantrieb für bemannte und unbemannte Flugzeuge.

Der Antrieb basiert auf der Verbrennung von Wasserstoff in der Brennstoffzelle. Bei diesem Vorgang wird Strom erzeugt. Dabei wird lediglich Wasserdampf als Reaktionsprodukt freigesetzt. Herkömmlich entsteht bei der Verbrennung von Kerosin das schädliche CO2. Jeder durch Wasserstoff ersetzte Liter Kerosin hilft damit der Umwelt. Doch noch ist die Technik nicht so weit. Dabei gibt es vielfältige Möglichkeiten für den Einsatz von Wasserstoff in der Luftfahrt.

Obwohl niemand bezweifelt, dass Wasserstoff eine echte Alternative zu Kerosin darstellt, scheut die Industrie die hohen Entwicklungskosten. Und solange Kerosin billig bleibt, wird sich das auch nicht ändern. Das grösste Problem der Umsetzung liegt momentan an einer Entwicklung sicherer Speichermöglichkeiten des Wasserstoffes. Flüssiger Wasserstoff ist zu schwer, während eine Speicherung von gasförmigem Wasserstoff viel Platz benötigt.

Vorteile von Wasserstoffflugzeugen

  • Da Wasserstoff bei gleicher Masse das 2,8-fache an Energie enthält wie Kerosin würde ein Wasserstoffflugzeug bei gleicher Reichweite erheblich weniger Treibstoff benötigen als eine heutige Maschine und würde somit den Transport höherer Nutzlasten ermöglichen.
  • Wasserstoff verbrennt ohne Emission von Kohlendioxid, Kohlenmonoxid und Kohlenwasserstoffen, daher hätten Wasserstoffflugzeuge deutlich geringere schädliche Auswirkungen auf die Umwelt.
  • Im Brandfall wird die Tatsache als Vorteil angesehen, dass Wasserstoff bei Temperaturen über −252,882 °C gasförmig und leichter als Luft ist. Die Bildung von Brandteppichen, wie sie bei auslaufendem Kerosin auftritt, wäre somit ausgeschlossen, da austretender Wasserstoff diese Schwelle schnell überschreiten und nach oben entweichen würde. Im Ergebnis könnten Rettungskräfte leichter zu einer am Boden havarierten Maschine vordringen.


Nachteile von Wasserstoffflugzeugen

  • Das Volumen von Wasserstoff ist auch im flüssigen Zustand noch viermal grösser, als es bei Kerosin der Fall ist. Das hat zur Folge, dass entweder weniger Raum für Nutzlasten verbleibt oder dass die Rümpfe von Wasserstoffflugzeugen entsprechend grösser ausgelegt werden müssten. Darüber hinaus müssen Tanks, in denen flüssiger Wasserstoff transportiert werden soll, beim heutigen Stand der Technik Kugel- oder Zylinderform haben. Damit ist eine Unterbringung der Tanks in den Tragflächen – wie es heute bei Kerosintanks der Fall ist – nur noch begrenzt möglich. Dies führt dazu, dass neue Positionen für die Unterbringung der Treibstofftanks gefunden werden müssen. Diskutiert wird derzeit z. B. über einen Einbau im Rumpf oberhalb der Passagier- bzw. Frachtkabine.
  • Der Einsatz von Wasserstoff als Treibstoff bedingt neue Konstruktionen für Tanks, Kraftstoffsysteme und Triebwerke der Maschinen, sowie eine neue Technik der Betankung an Flughäfen. Die für die Automobiltechnik entwickelten Konzepte, z. B. leichte Drucktanks, können abgewandelt auch in der Flugzeugtechnik eingesetzt werden.
  • Wasserstoff muss selber hergestellt werden, dabei können weitere Nachteile auftreten. Derzeit geschieht dies aus Erdgas unter Kohlendioxid-Freisetzung. Die Herstellung aus Biomasse, die nur begrenzt zur Verfügung steht, ist im Versuchsstadium. Eine Herstellung durch Elektrolyse aus Solarstrom ist bei Überkapazitäten wirtschaftlich.


Herausforderung Wirtschaftlichkeit

In der heutigen Marktwirtschaft besteht für jeden Teilnehmer (Unternehmen, Verbraucher) grundsätzlich der Zwang zum wirtschaftlichen Handeln, um zu bestehen. Jede Antriebstechnologie, auch der Wasserstoffantrieb, wird sich in einer Marktwirtschaft nur dann durchsetzen, wenn sie für den Verbraucher wirtschaftlich ist. Antriebe die fossile Treibstoffe nutzen (z.B. Kerosin), sind im Jahr 2011 im Gegensatz zu den Wasserstoffantrieben wegen der noch günstigen Preise für die fossilen Primärenergien unbestritten wirtschaftlich. Wasserstoff aus erneuerbaren Energien wird vom Verbraucher nur genutzt, wenn er für eine Übergangszeit durch staatliche Massnahmen wirtschaftlich gemacht wird (Förderung der erneuerbaren Energien/Besteuerung der fossilen Energien).

Erst wenn das Fördermaximum der fossilen Energieträger überschritten ist und durch die zunehmende Erschöpfung deren Preis ansteigt, kommen erneuerbare Energien und damit auch klimaneutral gewonnener Wasserstoff in den Bereich der Wirtschaftlichkeit. Als Vergleichswert dient unter anderem der Ölpreis. Der liegt im Jahr 2011 um die 100 $/Barrel.

In einer Studie der DENA, die im Auftrag des Bundesverkehrsministeriums im Jahr 2009 durchgeführt wurde, sind Preise zwischen 85 $/Barrel und 130 $/Barrel als Gewinnschwelle zur Wirtschaftlichkeit von Brennstoffzellenfahrzeugen genannt, sofern die Preise für ein Brennstoffzellenfahrzeug im Bereich eines Dieselfahrzeugs liegen. Nach der Einschätzung namhafter Automobilhersteller wird dies in den Jahren ab 2014 erreicht sein.

Visionen in der Luftfahrt

  • Lockheed Stratoliner
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Wie werden auf heute absehbaren Innovationen basierende Flugzeuge in Zukunft aussehen?

Vielleicht so wie der Superjet ZEHST, das A2-Flugzeug, der A380 Hydrogen oder der Lockheed Stratoliner. Die Konstruktionen, Formen und Visionen für Wasserstoffflugzeuge sind sehr unterschiedlich. Bei vielen Konzepten geht es nicht nur um neue Antriebsformen, sondern zugleich auch um die Erhöhung von Reisegeschwindigkeit und Reichweite.

Nach den Plänen des EADS-Konzerns sollen Reisende mit dem Superjet ZEHST (Zero Emission High Supersonic Transport) zukünftig in nur zweieinhalb Stunden von Paris nach Tokio fliegen! Der Flieger soll Spitzengeschwindigkeiten von mehr als 4’200 Stundenkilometern erreichen.

Das A2-Flugzeug von britischen Ingenieuren soll gar mit 6’400 Stundenkilometern Geschwindigkeit zwischen den Kontinenten verkehren – das wäre fünf Mal so schnell wie der Schall.

Doch bis es soweit ist, werden noch etliche Jahre vergehen. Die ersten Wasserstoffflugzeuge für den regulären Betrieb dürften wohl erst in 25-30 Jahren einsatzbereit sein.


Quellen: ZDF, Kleine Zeitung, Nachhaltig Mobil, Victor Uribe, YANKO DESIGN, DENKFABRIQ, Wikipedia