Kann die Luftfahrt überhaupt grün werden?

Die Welt erlebt gerade einen regelrechten Dekarbonisierungswettbewerb. Wer bietet mehr? Wer erreicht schneller eine CO2 Neutralität? Der Wettlauf ist richtig und wichtig für das Erreichen der Klimaziele. Allerdings ist es zunehmend schwierig, Fakten und Fiktionen auseinanderzuhalten, Ankündigungen und Taten zu trennen und valide Zahlen und Daten aus dem Dickicht herauszulösen.

Auch für die Luftfahrt ist das Thema Klimaschutz und CO₂-Neutralität wichtig, denn sie ist für einen wesentlichen Anteil des Ausstoßes verantwortlich. Doch wo steht die Branche? Wird man jemals grün fliegen können? Und wo sind die Herausforderungen?

Direkte und indirekte Klimaeffekte

CO₂ steht deshalb so im Fokus, weil das Gas, wenn es emittiert wird, direkt in die Strahlungsbilanz der Atmosphäre eingreift und im Mittel bis zu 100 Jahre in der Atmosphäre bleibt. Die Internationale Energieagentur IEA beziffert den CO₂-Ausstoß des gesamten Verkehrssektors weltweit mit acht Milliarden Tonnen. 45,1 Prozent davon verursachen Autos, Motorräder, Busse, 29,4 Prozent Lastwägen und Gütertransporte, 11,6 Prozent die Luftfahrt, 10,6 Prozent die Schifffahrt und 1 Prozent die Eisenbahnen.

Der Anteil der Luftfahrt am gesamten CO₂-Ausstoß weltweit beträgt zwei bis drei Prozent, und drei bis fünf Prozent, wenn man die anderen, die Atmosphäre beeinflussenden Wirkungen dazu rechnet, sagt das deutsche Institut für Luft- und Raumfahrt, DLR. Die anderen Effekte sind wetterabhängig: Wolken verursacht durch Kondensstreifen, Stickoxide, die in großer Höhe Ozon bilden sowie Aerosole wie Russpartikel oder Sulfattröpfchen, die ebenfalls zu Wolkenbildung führen können.

Inlandsflüge haben nur einen geringen Anteil an Emissionen

Die Inlandsflüge haben nur einen geringen Anteil an den Emissionen, sagt das deutsche Umweltbundesamt: der innerdeutsche Luftverkehr macht nur 0,28 Prozent der insgesamt rund 800 Millionen Tonnen deutscher Klima-Emissionen pro Jahr aus. Europaweit sind es laut Bundesverband der Luftverkehrswirtschaft unter einem Prozent.

Weltweit sind, so Schätzungen, waren vor dem Ausbruch der Pandemie etwa 23.000 Passagier- und 2000 Frachtflugzeuge im Einsatz. Sie haben im Jahr 2019 etwa 4,5 Milliarden Passagiere befördert. 81 Prozent der CO₂-Emissionen entfallen auf Passagierflüge, 19 Prozent auf Frachtflüge. Was tut die Luftfahrt also dafür, ihren Anteil zu verringern?

590 Millionen für Emissionshandel

Zum Einen hat sich die Branche 2016 auf Uno-Ebene auf das Corsia-Abkommen, kurz für Carbon Offsetting and Reduction Scheme for International Aviation, geeinigt. Seit Anfang 2021 ist es in Kraft. Das Ziel: die CO2-Nettoemissionen der Luftfahrt bis 2050 um 50 Prozent gegenüber 2005 zu reduzieren. In Europa ist die Luftfahrt – als einziger Verkehrssektor – seit 2012 im Emissionshandel ETS inkludiert. Laut dem Lobbyverband Airlines for Europe A4E dürften die europäischen Airlines 2019 rund 590 Millionen Euro für das ETS gezahlt haben, fast 60 Prozent mehr als 2018.

Der technische Fortschritt hält den Anteil der Luftfahrt am CO₂-Ausstoß trotz starken Wachstums seit 20 Jahren konstant. Neue Flugzeuge, sauberere Triebwerke, verbesserte An- und Abflugsrouten, Kompensationsmöglichkeiten für die Passagiere, Ticketabgaben, erste Beimengungen von Biokraftstoffen. Alleine der seit 20 Jahren geplante, aber nach wie vor nicht umgesetzte einheitliche europäische Luftraum könnte 10 Prozent Einsparung bei den CO₂ Emissionen bewirken, sagen Experten. Doch vor allem neue Antriebsarten sind es, die ein Co2-neutrales Fliegen ermöglichen könnten. Ein Überblick:

Batterie-elektrische Antriebe

Flugzeug von Wideroe, Tecnam und Rolls Royce.

Batterie-elektrische Antriebe können Flugzeuge komplett ohne Emissionen in die Luft bringen. Sie können als primäre Leistungsquelle verwendet werden und haben auch in großen Höhen kaum Leistungsverluste. Der größte Nachteil: im Vergleich zu herkömmlichen Treibstoffen haben sie eine sehr niedrige Energie- und Leistungsdichte. Kerosin hat eine Energiedichte von 12.000 Wh/kg (Wattstunde pro Kilogramm), eine gängige Lithium-Ionen-Batterie von 250 Wh/kg und damit eine relativ geringe Reichweite. Und: Batterien sind nach derzeitiger Technologiereife etwa 60 Mal schwerer als Kerosin.

Kleine Flugzeuge, mit bis zu 19 Sitzen und geringen Reichweiten bis 250 Meilen scheinen inzwischen mit Elektroantrieb machbar zu sein. Das genügt für viele regionale Strecken. Die Batterieeffizienz verbessert sich zwischen 5 und 8 Prozent jährlich. Bis 2030 könnten Batterien entwickelt sein, die 350 Wh/kg leisten können, ab 2035 sogar mit einer Dichte von 400 – 500 Wh/kg. Batterien über 400 Wh/kg benötigen allerdings neue, heute noch nicht erforschte Technologien.

Herausforderung Stromspannung

Die braucht es auch für die Stromspannung. Flugzeuge benutzen traditionell 28 Volt für die Stromleitung, modernere 270 Volt. Die ersten voll elektrifizierten Flugzeuge über 500 Volt. Die Entwickler größerer Flugzeuge sprechen von bis zu 3000 Volt. Nicht unproblematisch beim geringeren Luftdruck in Reiseflughöhe. Darüber hinaus werden hochleitende Technologien benötigt und große Kühlaggregate.

Doch reine Zukunftsmusik ist das Ganze nicht. Bis 2040 sollen zum Beispiel alle Flüge in Norwegen, die kürzer als anderthalb Stunden dauern und im Land starten, nur noch von Elektroflugzeugen durchgeführt werden. Dazu hat der staatliche Flughafenbetreiber Avinor bereits eine öffentliche Ausschreibung geplant. 

2026 der Erstflug?

Drei Partner haben begonnen, das Projekt anzugehen. Der italienische Flugzeugbauer Tecnam, der Motorenbauer Rolls-Royce und die norwegische Regionalairline Wideroe wollen ein vollelektrisches 11-plätziges Passagierflugzeug für Kurzstreckenflüge entwickeln. Schon 2026 soll es in Norwegen fliegen.

Wo sich rein elektrisches Fliegen auch durchsetzen kann, ist der Bereich der Urban Air Mobility, also den Ultrakurzstrecken auf städtischer Ebene. Das können zum Beispiel unbemannte Lufttaxis sein, die vor allem in sehr großen Städten, wie New York, Neu Delhi, Shangai oder Sao Paulo, zum Einsatz kommen und zwei bis zehn Personen transportieren können sollen. Sie starten und landen senkrecht, brauchen keine Landebahnen und umfliegen alle Staus. Einsatzmöglichkeiten sind auch Paketzustellungen in unwegsamen Gebieten oder Organtransporte.

Wasserstofftechnologie

Unter anderem Airbus forscht an einem Wasserstoffflugzeug.

Wasserstoff ist eine Möglichkeit, Energie zu speichern. Er spielt eine zentrale Rolle in der Energie-Technologie zur Erreichung der Klimaziele und der CO2-Emissionen und ist die Basis für alle synthetischen Treibstoffe. Er hat, von den uns zur Verfügung stehenden Energieträgern den höchsten Energieinhalt pro Kilogramm. Bei -253 Grad C ist er leichter als Kerosin und fast drucklos. Gewonnen wird er mit Hilfe der Elektrolyse.

Airbus will 2027 Testflüge absolvieren

Mit Elektrizität wird das Wassermolekül H2O in seine zwei Bestandteile gespalten. Als Ergebnis bleibt Wasserstoff zurück. Nachhaltig und grün wird Wasserstoff aber erst durch den Einsatz von erneuerbarer Energie im Zuge der Elektrolyse. Es werden größere Tanks benötigt, weil flüssiger Wasserstoff eine geringere Energiedichte hat als Kerosin.

Airbus plant, schon im Jahr 2027 mit einem mit Wasserstoff betriebenen Nurflügler Testflüge zu absolvieren. Beim Flugzeug der Zukunft bilden Flügel und Rumpf einen kompakten aerodynamischen Körper, denn grossvolumige Wasserstofftanks zwingen die Ingenieure, das Flugzeug von Grund auf anders zu konzipieren. Der Strom kommt aus einer Brennstoffzelle.

Brennstoffzelle

In einer Brennstoffzelle reagiert ein kontinuierlich zugeführter Brennstoff mit einem Oxidationsmittel, wie Sauerstoff aus Luft. Der Brennstoff kann Wasserstoff sein, aber auch organische Verbindungen wie beispielsweise Methan oder Methanol. Dabei entstehen Wasser, Wärme und Strom für den Antrieb der Motoren. Diese elektrochemische Reaktion wird auch als kalte Verbrennung bezeichnet und ist besonders effizient.

Hybride Antriebe

Es besteht in gewissen Rahmen die Möglichkeit, unterschiedliche Antriebsarten miteinander zu kombinieren und so von den jeweiligen Vorteilen zu profitieren. Ergänzt man beispielsweise das batteriebetriebene System mit einer Verbrennungsmaschine, kann die geringe Energiedichte von Batterien durch hybrid-elektrische Architekturen verschiedener Ausführungen kompensiert werden, zeigen Studien.

Die geringen Reichweiten von batteriebetriebenen Flugzeugen können mit Hilfe eines Range-Extenders auf Verbrennungsbasis – zum Beispiel einer Gasturbine – gelöst werden. Die Kombination elektrischer Antriebe mit alternativen Kraftstoffen ermöglicht zum Beispiel am Flughafen oder bei Start und Landung einen emissionsfreien batterie-elektrischen Betrieb, während der Reiseflug zumindest CO₂-neutral möglich wäre. Perspektivisch wären mit solch einer Kombination umweltneutrale Flugzeuge realisierbar, die Reichweiten eines Airbus A320 fliegen können.

Für mittlere Reichweite geeignet

Überlegungen zu Hybridmodellen gibt es auch im Bereich Wasserstoff. Ein Teil des Wasserstoffs könnte in einer Gasturbine verbrannt werden, ein anderer in Brennstoffzellen in Elektrizität umgewandelt werden. Während der Flugphasen, die viel Energie benötigen, wie beim Start, könnte die Turbine und der Elektromotor angetrieben werden, während des Flugs nur die Turbine.
Es benötigt aber eine höhere Energiedichte, um Volumen und Gewicht zu reduzieren, und effizientere Elektromotoren.

Während sich herauskristallisiert, dass, gemessen an heute verfügbaren Technologien, rein elektrische Antriebe mit Batterien auf kleine Flugzeuge und geringe Reichweiten beschränkt bleiben wird, scheinen Hybridlösungen für mittelgroße Flugzeuge und größere Reichweiten ein Lösungsmodell zu sein.

Nachhaltige Treibstoffe (SAF)

Will die Luftfahrt ihre Vereinbarungen und Ziele einhalten und erreichen, ja vielleicht sogar überbieten, führt an neuen Antriebsarten und alternativen Treibstoffen kein Weg vorbei. Langstreckenflugzeuge werden in den nächsten Jahrzehnten wohl nur mit alternativen Treibstoffen in eine CO₂ neutrale Zukunft fliegen können.

Sustainable Aviation Fuel oder kurz SAF bezeichnet als Oberbegriff regenerative, nicht auf fossilen Rohstoffen basierende Treibstoffe. Das können Biotreibstoffe sein oder synthetische Kraftstoffe. Sie sind in Qualität und Leistung mit fossilem Treibstoff vergleichbar. Und: Sie können herkömmlichen Treibstoffen beigemischt werden, und für Lagerung und Betankung können Airlines die bestehenden Infrastruktureinrichtungen nutzen.

Beimischungsquote noch begrenzt

Die Beimischungsquote ist technisch derzeit mit 50 Prozent begrenzt, es laufen aber Versuche von Airbus, dem Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt DLR, Rolls-Royce und dem Treibstoffhersteller Neste mit 100 Prozent nachhaltigen Treibstoffen. Das ist auch notwendig, denn der jüngste EU-Plan Fit for 55 sieht vor, dass es für Fluglinien eine verpflichtende, sukzessiv steigende Beimischungsquote geben soll: Zwei Prozent im Jahr 2025, fünf Prozent 2030, 20 Prozent 2035, 32 Prozent 2040 und 63 Prozent  2050. Über den Lebenszyklus reduzieren SAF die CO2-Emissionen um bis zu 80 Prozent.

Weltweit sind von den Fluglinien im Jahr 2020 rund 364 Milliarden Liter Kerosin verbraucht worden. Gleichzeitig sind nur 60 Millionen Gallonen SAF produziert worden. Eine regelmäßige Versorgung gibt es derzeit lediglich an fünf Airports (Bergen, Brisbane, Los Angeles, Oslo und Stockholm), die meisten Flughäfen haben noch gar keine geeigneten Betankungssysteme. In den USA laufen derzeit Bemühungen, bis 2030 zwei Milliarden Gallonen SAF produzieren zu können. Und selbst das würde nur für einen Bruchteil des Bedarfs reichen. Ob und wie sehr man die Produktionsmenge steigern kann, hängt auch von der Art des Treibstoffs ab.

Biotreibstoffe aus Abfällen

Biotreibstoffe etwa werden aus Biomasse aus pflanzlichen Abfällen hergestellt, aus gebrauchten Speiseölen, aus Energiepflanzen oder Algen. Wichtig ist, dass die Herstellung weder beim Anbau noch bei der Verwertung auf Kosten der Ernährung gehen. Biokerosin wird bereits produziert und ist auch im Einsatz, allerdings in nur sehr begrenztem Ausmaß, weil die verfügbaren Mengen zu gering sind.

Das deutsche Bundesministerium für Umweltschutz hält die verfügbaren Mengen von Biomasse zur Erzeugung von Biofuels für begrenzt, und hält wegen der Kosten nur hydrierte Pflanzenöle und Altspeisefette für verwertbar, obwohl auch diese deutlich über den konventionellen Kosten liegen. Biomass-to-liquid benötige noch Entwicklungsarbeiten und umfassende Investitionen, heißt es. Es könne nicht beurteilt werden, wieweit die Lernkurve bei der Herstellung von Biokraftstoffen bereits durchschritten sei und wie hoch das verbleibende Kostensenkungspotential sei.

Synthetische Treibstoffe als realistische Alternative

Synthetische Treibstoffe gelten als eine der realistischsten zu den herkömmlichem Kerosin.Sie stammen aus dem Labor und werden chemisch hergestellt: Aus CO₂, das der Umgebungsluft entnommen wird oder direkt bei der Produktion von zum Beispiel Stahl oder Zement am Kamin abgesaugt wird, und aus Wasser.

Mit elektrischer Energie werden die Moleküle bei der Elektrolyse aufgebrochen. Danach wird, vereinfacht gesagt, Kohlenstoff  mit Wasserstoff neu zu Kohlewasserstoffketten zusammengesetzt. Sauerstoff wird der Atmosphäre zurückgegeben. Der Nachteil: ein vielfacher Bedarf an Strom.

Bislang nur im Labor produziert

Alternativ gibt es auch das Verfahren von Caphenia. Das Unternehmen wandelt mit Hilfe des Power-and-Biogas-to-Liquid-Verfahrens CO₂ und Biogas in erneuerbare synthetische Kraftstoffe um. Es ist auf die Verarbeitung von Abfallstoffen im Hausmüll – etwa Altspeiseöle – zu Kerosin spezialisiert. Und zahlreiche Fluggesellschaften engagieren sich in Projekten zur Herstellung synthetischer Treibstoffe.

Produziert werden synthetische Treibstoffe heute, mit kleinen Ausnahmen, nur im Labor und in entsprechend kleiner Menge. Weil die Länge der chemisch-technischen Prozesse immens ist, dauert die Entwicklung bis zu einer großindustriellen Produktion mindestens zehn Jahre.

Langfristig führt an nachhaltigen Treibstoffen kein Weg vorbei, sollen die Klimavorgaben erfüllt werden. Die Herausforderungen aber sind groß. Heute gibt es mit Neste aus Finnland und World Energy in Kalifornien gerade zwei namhafte Anbieter. Die Produktion der erforderlichen Mengen weltweit benötigt aber hunderte Produktionsstätten.

Welche Szenarien sind realistisch?

Ob es für Biofuels genügend Rohmaterial geben wird, ist unsicher. Eine spannende Frage wird auch sein, welche Technologie am Ende die größte Effizienz haben wird, sagt Kay Kratky von Caphenia. Eine Produktion, sagt Kratky, kann nur im Kleinen beginnen und muss dann wegen der komplexen Prozesse Schritt für Schritt nach oben skaliert werden. Ein Prozess der Jahre dauert. Ebenso wie die Errichtung der Versorgungsnetze sowie der «Tankstellen».

Das Problem der noch fehlenden Infrastruktur ist vergleichsweise ein einfaches gegenüber der Frage, wie und wo der für die Produktion nötige Strom aus erneuerbaren Quellen produziert werden kann. Denn nur dann ist das Kerosin auch CO₂-neutral. Und die benötigten Mengen sind riesig. Europa dürfte zu wenig erneuerbaren Strom haben, ist Jürgen Rechberger überzeugt. Er sitzt im Management des auf neue Antriebe spezialisierten Unternehmens AVL in Graz.

Nicht genug Sonnenstunden

Aus diesem Grund, so Rechberger, investiere Porsche in ein Wasserstoffprojekt in Chile, wo es ausreichend Windkraft gibt und die deutsche Regierung finanziert in Afrika ein Projekt, wo Wasserstoff mit Hilfe von Sonnenenergie hergestellt werden soll.

Ins selbe Horn stößt Dirk Langhammer vom Erdöl-, Erdgas- und Petrochemiekonzern OMV: «Wir haben in Österreich im Jahr 1100 Sonnenstunden von 8760 Stunden. Das ist nicht genug, um ausreichend grünen Strom zu erzeugen», sagt er. Die Produktion von Wasserstoff werde, so Langhammer, also neben Afrika und Südamerika in Arabien und auch Australien erfolgen.

Die offenen Fragen

Neben den Fragen, welche Technologien sich durchsetzen werden und wie und wo wir ausreichend erneuerbare Energiequellen anzapfen können, gibt es noch zahlreiche weitere. Was wird der Treibstoff der Zukunft kosten? Wird es Wettbewerbsverzerrungen geben? Wird die Zeit ausreichen?

Kann die Politik Ideologien beiseiteschieben können und wird sie die richtigen Entscheidungen treffen? Werden Wirtschaft und Industrie diesen langfristig vertrauen können? Ohne dieses Vertrauen wird nämlich nicht ausreichend investiert werden in Produktion und Verteilung der alternativen Kraftstoffe.