Wie können die Länder den Wasserstoffverbrauch steigern und den Luftverkehr nachhaltig gestalten?

Auf der 77. IATA-Jahreshauptversammlung am 4. Oktober 2021 wurde von den IATA-Mitgliedsgesellschaften eine Resolution verabschiedet, in der sie sich verpflichten, bis zum Jahr 2050 keine Kohlenstoffemissionen mehr aus ihrem Betrieb zu verursachen. Mit dieser Verpflichtung geht die bedeutendste Umgestaltung der Branche in ihrer Geschichte einher, die sich auf die Konstruktion von Flugzeugen, die Treibstoffinfrastruktur, Geschäftsmodelle und die physische Infrastruktur auswirkt. Die Welt braucht den Luftverkehr, um zu gedeihen, aber der erforderliche Übergang wird anders sein als alles, was wir bisher zugelassen haben.

All diese Veränderungen ergeben sich aus der Notwendigkeit, die Art und Weise, wie die Flugzeuge selbst angetrieben werden, zu verändern. Drei sich ergänzende Ansätze zeichnen sich als plausible Lösungen für die Speicherung der benötigten Energie an Bord eines Flugzeugs ab: so genannte nachhaltige Flugkraftstoffe (SAF), elektrische Batterien und seit kurzem auch Wasserstoff. Jede Technologie hat ihre eigenen Vorteile und Herausforderungen, was bedeutet, dass kein einziger Ansatz ein Allheilmittel für die Luftfahrt ist - aber jede hat eine Schlüsselrolle bei der Dekarbonisierung verschiedener Sektoren innerhalb der Branche zu spielen.

Arup war eine von fast 50 Organisationen aus ganz Großbritannien, die von FlyZero beauftragt wurden, einen fachlichen Beitrag zu einem intensiven Forschungsprojekt zu leisten, das von der ATI geleitet und von der britischen Regierung unterstützt wurde, um den kohlenstofffreien gewerblichen Flugverkehr zu untersuchen. Der zusammenfassende Bericht von FlyZero wurde soeben veröffentlicht und besagt, dass Wasserstoff der praktikabelste kohlenstofffreie Treibstoff ist". Dieser Artikel befasst sich mit den Gründen, warum Wasserstoff so vielversprechend ist, und mit den Herausforderungen, die zu bewältigen sind, damit sein Potenzial ausgeschöpft werden kann.

Warum Wasserstoff?

Publikation

Wasserstoff in der Luftfahrt

Die Luftfahrt umfasst ein breites Spektrum an Flugzeugen, von der Beförderung einiger weniger Passagiere auf regionalen Flügen bis hin zu Interkontinentalflügen, die in einem einzigen Flug den halben Globus umspannen. Wenn die Branche über die Umstellung von herkömmlichem Kerosin nachdenkt, kommen schnell physikalische Zwänge und Fragen der Energiedichte ins Spiel.

Batteriebetriebene Flugzeuge speichern elektrische Energie mit geringem Verlust, aber das derzeitige Gewicht der Batterien schränkt ihre Anwendung für Flugzeuge mit größerer Kapazität und größerer Reichweite ein - eine ähnliche Herausforderung, vor der elektrische Lastwagen stehen, und der Grund, warum ein Unternehmen, JCB, Wasserstoff für seine schweren Werksfahrzeuge verwenden möchte.

Nachhaltige Flugkraftstoffe (Sustainable Aviation Fuels, SAF) können als "Drop-in"-Ersatz für Kerosin verwendet werden und haben den Vorteil, dass sie keine umfangreichen Änderungen an der Infrastruktur und dem Betrieb von Fluggesellschaften und Flughäfen erfordern. Einige SAF werden durch die Umwandlung von Abfallprodukten (z. B. Siedlungsabfälle oder gebrauchte Speiseöle) hergestellt. Auf diese Weise hergestellte SAF "verwerten" im Wesentlichen Kohlenstoff, der andernfalls verloren gegangen wäre, und verringern so den Kohlenstoff-Fußabdruck des Luftverkehrs, aber es bleibt ein Netto-Kohlenstoffausstoß. Die Herstellung von SAF aus Pflanzen ist zwar ein "erneuerbarer" Prozess, hat aber dennoch Auswirkungen auf die Umwelt und konkurriert mit den Ressourcen, die für die Ernährung der Welt benötigt werden. Die Erzeugung von SAF durch die direkte Abscheidung von Kohlendioxid aus der Luft kann zu einem Netto-Kohlenstoffausstoß von nahezu Null führen, erfordert jedoch eine Quelle von grünem Wasserstoff für die Synthese des Kraftstoffs, damit es sich im Wesentlichen um eine kohlenstofffreie Option handelt.

Dies führt dazu, Wasserstoff als eigenständigen Brennstoff zu betrachten. Wenn er direkt in einem Flugzeug, in einer Düsenturbine oder in einer Brennstoffzelle zur Stromerzeugung verwendet werden kann, dann ist seine Herstellung und Verwendung kohlenstoffarm, vorausgesetzt, er wird durch Elektrolyse mit erneuerbarem Strom erzeugt. Auf diese Weise erzeugt, ist Wasserstoff sowohl grün als auch nachhaltig. Pro Kilogramm enthält Wasserstoff etwa dreimal so viel Energie wie Flugzeugtreibstoff und etwa 200-mal so viel wie eine aktuelle Lithium-Ionen-Batterie. Sein Nachteil ist, dass er zwar nicht viel wiegt, aber selbst in verflüssigtem Zustand etwa viermal so viel Platz pro Energieeinheit benötigt wie Düsentreibstoff. (Trotzdem ist dies immer noch 20-mal besser als die derzeitige Batterietechnologie).

Natürlich wird mehr Platz benötigt als bei herkömmlichen Flugzeugkonstruktionen, aber die Arbeiten von Airbus und FlyZero haben Konzeptflugzeuge gezeigt, die alle derzeitigen Reichweiten von regional bis interkontinental abdecken können. Andere Unternehmen arbeiten an der Umrüstung kleinerer, vorhandener Flugzeuge für den Betrieb mit Wasserstoff als Technologiedemonstratoren. Airbus geht davon aus, dass sein neues ZEROe-Flugzeug bis 2035 in die Flotte aufgenommen werden könnte.

Also... Problem gelöst?

Die Herausforderung bei der Produktion

Die eigentliche Herausforderung besteht darin, die Produktion von Wasserstoff zu steigern und dies auf eine Weise zu tun, die mit den Umweltzielen vereinbar ist. FlyZero schätzt, dass allein für den britischen Luftverkehr bis 2050 zwischen zwei und vier Millionen Tonnen Wasserstoff pro Jahr benötigt werden. Vor kurzem belief sich die gesamte Wasserstoffproduktion des Vereinigten Königreichs auf nur 0,7 Millionen Tonnen pro Jahr (und dabei handelte es sich größtenteils um grauen Wasserstoff - der Kohlendioxid in die Atmosphäre abgibt -, der für die Ammoniak- und Düngemittelproduktion verwendet wird). Weltweit könnte die Nachfrage nach Wasserstoff in der Luftfahrt bis 2050 bis zu 70 Millionen Tonnen pro Jahr betragen - was zufälligerweise in etwa der derzeitigen jährlichen Weltproduktion von Wasserstoff entspricht.

Submarket

Wasserstoff und nachhaltige Kraftstoffe

Um den Kohlenstoff zu entfernen, muss der Wasserstoff entweder auf einem "blauen" Weg (Umwandlung von Erdgas in Wasserstoff und anschließende Abscheidung des dabei entstehenden Kohlendioxids) oder auf einem "grünen" Weg (Elektrolyse von Wasser mit kohlenstoffarmer Elektrizität - idealerweise aus erneuerbaren Ressourcen wie Solar- oder Windgeneratoren) hergestellt werden. Im Vereinigten Königreich belief sich die durch Windkraft erzeugte Elektrizität im Jahr 2020 auf 89 TWh. Um die Energie zu erzeugen, die für die Produktion von Wasserstoff allein für die britische Luftfahrt im Jahr 2050 benötigt wird, wäre etwa doppelt so viel erforderlich. Natürlich gibt es noch weitere Anforderungen an die Stromerzeugung aus erneuerbaren Energiequellen, was sich beispielsweise in den "Future Energy Scenarios" des National Grid widerspiegelt, die zwar eine Reihe unterschiedlicher Prioritäten widerspiegeln, aber alle von einem enormen Anstieg der Stromerzeugung aus Windenergie im Vereinigten Königreich ausgehen - zwischen etwa 400 TWh und mehr als 525 TWh bis 2050 (d. h. das Vier- bis Sechsfache des Niveaus von 2020). Auch wenn die Umstellung in der Luftfahrt beängstigend erscheinen mag, so muss sie doch im Zusammenhang mit einer nationalen Umstellung von weitaus größerem Ausmaß gesehen werden, die bereits im Gange ist.

Aufbau einer neuen Kraftstoffindustrie

Verkehrssysteme und Kraftstoffindustrien bzw. Stromnetze stehen in einer Art wechselseitiger Beziehung zueinander, fast wie das Huhn zum Ei. Fluggesellschaften werden nur dann neue Wasserstoffflugzeuge bestellen, wenn die Kraftstoffindustrie bereits festgestellt hat, dass Wasserstoff in einem Umfang verfügbar sein wird, der ihren Betrieb unterstützen kann - und zwar zu wettbewerbsfähigen Kosten.

So hoch diese Hürde auch erscheinen mag, es gibt Grund zum Optimismus. Andere Wirtschaftsbereiche beginnen bereits mit der Einführung wasserstoffbetriebener Lösungen - Busse, Züge, Lastwagen, Heizungen für Privathaushalte -, und die Nachfrage, die diese Nutzer erzeugen, dürfte dazu beitragen, Investitionen in die Wasserstoffindustrie anzuziehen. Arup unterstützt bereits Länder wie Australien bei der Entwicklung nationaler Strategien, um diesen Prozess zu beschleunigen.

Infrastruktur und Flughäfen

Neben der Entwicklung neuer Flugzeuge und einer unterstützenden Wasserstoffproduktion gibt es auch Auswirkungen auf die Lieferung von Wasserstoff an Flughäfen sowie die Speicherung und Verteilung dort. Bei allen anderen als kleinen Flugzeugen muss der Wasserstoff gekühlt und verflüssigt werden, um eine ausreichende Volumendichte für die Speicherung an Bord zu erreichen. Dies ist ein energieintensiver, spezieller Prozess und wird daher an Orten stattfinden, die Zugang zu erneuerbarer Elektrizität haben. Der so gewonnene verflüssigte Wasserstoff wird per Tankwagen zu den Flughäfen transportiert. Dies mag für kleinere Flughäfen ausreichen, aber wenn die Nachfrage nach Wasserstoff auf größeren Flughäfen steigt, könnte die Lieferung per Tankwagen unpraktisch werden. Die Lieferung von gasförmigem Wasserstoff über Pipelines ermöglicht also den Transport großer Energiemengen zu einem Flughafen, aber es werden Verflüssigungsanlagen vor Ort sowie ausreichende elektrische Energie benötigt.

Die Speicherung und Verteilung von verflüssigtem Wasserstoff auf einem Flughafen wird von Tankwagen und Bowsern bis hin zur Installation eines "Hydrantensystems" reichen, wie man es für Kerosin auf Großflughäfen kennt - allerdings sind die erforderliche Technik und Technologie aufgrund der besonderen Eigenschaften von flüssigem Wasserstoff sehr unterschiedlich.

Diese Themen müssen in den Masterplänen der Flughäfen berücksichtigt werden und können nicht aufgeschoben werden. Betrachten Sie einen 25-jährigen Lebens-/Planungshorizont von heute. Das bedeutet, dass wir im Jahr 2047 angekommen sind - und bis dahin könnten Wasserstoffflugzeuge bereits mehr als ein Jahrzehnt im Einsatz sein. Daher sollten die jetzt entwickelten Investitionspläne beginnen, Wasserstoff (und andere "neue" Kraftstoffe) zu berücksichtigen.

Staatliche Führung, geopolitische Fragen

Wenn man eine branchenweite Umstellung in dieser Größenordnung in Betracht zieht, müssen nationale und internationale Gremien die Entwicklung sowohl gestalten als auch fördern. Das Ziel der britischen Regierung, bis 2030 eine Wasserstoffproduktionskapazität von 5 GW zu schaffen (wie in der Wasserstoffstrategie dargelegt), ist ein guter Anfang, auch wenn dies nur ein erster Schritt ist, um die mittel- und langfristig für die Luftfahrt benötigten Kapazitäten zu schaffen, ganz abgesehen von denen, die für andere potenzielle Wasserstoffnutzer erforderlich sind.

Bei der Beschaffung von Wasserstoff gibt es zwei Faktoren, die von den politischen Entscheidungsträgern im Vereinigten Königreich berücksichtigt werden müssen. Der erste ist die Wahrscheinlichkeit, dass "blauer" Wasserstoff zumindest kurz- und mittelfristig billiger zu produzieren sein wird als "grüner" Wasserstoff. Zweitens wird die Wasserstoffproduktion in Übersee in Regionen mit reichhaltigen Ressourcen (ob erneuerbar oder nicht) ebenfalls billiger sein. Es liegt auf der Hand, dass die Marktkräfte allein nicht unbedingt zu einer Wasserstoffversorgungskette führen werden, die mit den nationalen Zielen und Interessen des Vereinigten Königreichs in Einklang steht. Es kann durchaus sein, dass für eine lokale und umweltfreundliche Wasserstoffproduktion im Gegenzug für eine größere Energiesicherheit und eine wirklich kohlenstoffarme Produktion ein Aufpreis zu zahlen ist. Bei den derzeit so hohen Kohlenwasserstoffpreisen zahlen wir diese Prämie bereits, ohne jedoch die Vorteile der Versorgungssicherheit zu erhalten.

Die Verpflichtung eingehen

Der britische Premierminister hat angekündigt, dass er eine britische Energiesicherheitsstrategie aufstellen wird, und er hat auch Wasserstoff als den kohlenstoffarmen Brennstoff mit dem "größten Potenzial von allen" bezeichnet (obwohl er sich offenbar auf "blauen" Wasserstoff bezieht). Vielleicht ist dies nur eine Zwischenlösung, aber wir sollten ehrgeizig sein und letztlich "grünen" Wasserstoff anstreben, um eine saubere und nachhaltige Zukunft für die Luftfahrt zu schaffen.

Titelbild © FlyZero 2022