Elektroflugzeuge : Wie sich die Industrie auf die Zukunft vorbereitet

In den letzten Jahren haben Pioniere an disruptiven Technologien in der Antriebstechnik gearbeitet. Die jüngsten Erfolge mit Elektroantrieben und Wasserstoff scheinen die treibende Kraft für eine moderne und nachhaltige Luftfahrt zu sein. Obwohl dieser Wandel vor zahlreichen Herausforderungen steht, gewinnen diese Pioniere an Glaubwürdigkeit. Die großen Branchenakteure reagieren auf diese Trends, indem sie groß angelegte Innovationsprojekte auf den Weg bringen - mit politischer und finanzieller Unterstützung der Regierungen, die eine Dynamik für den Wandel schaffen. Was sind das für Innovationen? Was sind die Vorteile und die Grenzen ? Was haben wir bereits erreicht ?

Seit der Einführung der Düsentriebwerke vor mehr als 80 Jahren hat die Luftfahrtindustrie spektakuläre Innovationen erlebt - doch die Grundlagen sind die gleichen geblieben. Heute muss sich die Luftfahrtindustrie neu erfinden, da sie vor kritischen Herausforderungen steht. Die Branche trägt mit 2 % zu den weltweiten CO2-Emissionen bei und muss ihre Umweltauswirkungen verringern, um auf die sich verändernden Verbraucheranforderungen und Vorschriften zu reagieren. Bisher hatte die Luftfahrt einen fragmentierten Ansatz, um diese Herausforderung zu bewältigen, und nun müssen drastischere Maßnahmen umgesetzt werden. Hier ist, was die Zukunft der Luftfahrt sein könnte.

Elektroflugzeuge mit Batterien - schon heute eine Realität

Elektroflugzeuge sind keine neue Erfindung, die schon seit den 1970er Jahren in Luftfahrtkreisen zu finden sind. Jahrzehntelang waren diese Flugzeuge experimentelle Geräte mit geringer Reichweite und fast null Zuladung. In den letzten Jahren ist die Zahl der Elektroflugzeugprojekte explodiert(Roland Berger) und dank der unten genannten Innovationen scheinen kommerzielle Elektroflüge unmittelbar bevorzustehen.

Der Hauptvorteil des batteriebetriebenen Elektroantriebs ist die minimale Belastung der Umwelt. Mit null Flugemissionen ist dies die mit Abstand sauberste Art, ein Flugzeug zu betreiben. Ganz sauber ist sie allerdings noch nicht, da die Herstellung und das Recycling der Batterien in die Gesamtbilanz einfließen müssen. Ein weiterer herausragender Vorteil des Elektroantriebs ist, dass er quasi geräuschlos ist. Dies ist ein strategischer Vorteil im Kampf gegen die Lärmbelästigung, die in den letzten Jahren zu einem legitimen Umweltthema an Flughäfen geworden ist. Diese Faktoren beginnen zu erklären, warum Hersteller und Pioniere die elektrische Luftfahrt in den Vordergrund drängen.

Seit 2016 blühen die Projekte für elektrisch angetriebene Flugzeuge auf. Ursprünglich waren diese Flugzeuge aufgrund ihres batteriebedingten Ungleichgewichts nur bedingt funktionsfähig - sie erreichten oft das maximale Gewicht mit einem Piloten und hatten eine Flugdauer von nur wenigen Minuten. In jüngster Zeit hat sich jedoch ein Wandel in der Batterietechnologie vollzogen. Dank Innovationen, die aus der Automobilindustrie übernommen wurden, hat sich die Leistung der Akkus deutlich erhöht, so dass bis zu einer Stunde Flugzeit möglich sind. Die Batteriehersteller haben das Leistungsgewicht (abgegebene Leistung geteilt durch Gewicht) und die Ladezeit verbessert und die Autonomie des Flugzeugs insgesamt erhöht.

Da konsequente Innovation zur Norm geworden ist, boomt die Zahl der Elektroflüge seit 2019. In weniger als 18 Monaten: H55 flog im Juni 2019 eine BRM Aero, die mit ihrem EPS (Electric Propulsion System) ausgestattet war. Ampaire flog im Juni 2019 eine Cessna 337 mit einem Hybridantrieb. Magnix flog eine kommerzielle Beaver von Harbour Air (Kanada) im Dezember 2019 - und dann eine Cessna Caravan im Mai 2020. Die Verschiebung lässt sich an der Größe der Flugzeuge ablesen. Im Juni 2020 erhielt der Flugzeughersteller Pipistrel die Musterzulassung der EASA (European Union Aviation Safety Agency) für das batteriebetriebene Velis Electro, das erste zertifizierte Elektroflugzeug der Welt. Auch Easyjet hat sich entschlossen, in Zusammenarbeit mit Wright Electric die Entwicklung von kommerziellen Elektroflügen auf Kurzstrecken in Angriff zu nehmen. Kommerzielle Elektroflüge scheinen nun erreichbar zu sein.

Während die jüngsten Trends in der Luftfahrtindustrie nur unregelmäßige Fortschritte zeigen, hat es eine seismische Verschiebung in der Glaubwürdigkeit von elektrischen Antrieben und Batteriestrom gegeben. Die Industrie erkennt nun die Elektrizität als eine machbare Alternative für kleine Flugzeuge und kurze kommerzielle Flüge an. Langstrecken-Elektroflugzeuge scheinen vorerst nicht realistisch. Die Leistung, die nötig wäre, um eine Boeing 787 oder einen Airbus A350 zu fliegen, würde ein enormes Gewicht an Batterien erfordern, das noch nicht realisierbar ist. Solche Projekte wurden bereits gestoppt, wie z.B. das Projekt E-Fan X(Airbus und Rolls Royce), das im April 2020 wegen der Gesundheitskrise aufgegeben wurde.

Heute sind batteriebetriebene Elektroflugzeuge nur für kleine Flugzeuge eine Realität. Wir wissen zwar, dass wir in den nächsten 20 Jahren noch keine elektrischen Langstreckenflugzeuge sehen werden, aber die jüngsten Innovationen haben das Konzept in eine neue Größenordnung gebracht und reißen jeden Monat neue Grenzen ein. Dennoch könnte eine andere Technologie den elektrischen Antrieb ohne die Einschränkungen von Batterien ermöglichen: Wasserstoff und Brennstoffzellen.

Elektroflugzeuge mit Wasserstoff (Brennstoffzellen) - zukünftige Langstreckenflugzeuge

Seit dem Gemini-Raumfahrtprogramm der NASA in den 1960er Jahren wurde Wasserstoff in der Luft- und Raumfahrt auf zwei verschiedene Arten eingesetzt: Brennstoffzellen und Verbrennung. Jetzt stellt er einen prominenten Trend beim Elektroantrieb dar, um die Umweltauswirkungen der Luftfahrtindustrie drastisch zu reduzieren.

Es ist wichtig zu beachten, dass Wasserstoff keine Alternative zu Elektromotoren bietet, sondern eine Alternative zu Batterien. Wasserstoff ersetzt den Bedarf an Batterien, da er durch Brennstoffzellen direkt in Elektrizität umgewandelt wird. Diese Elektrizität wird dann in demselben Elektromotor wie zuvor erwähnt verwendet. Diese Brennstoffzellen erzeugen null Emissionen, nur Wasser. Aus diesem Grund ist(grüner) Wasserstoff ein großer Gewinn für die saubere Luftfahrt.

Der Vorteil von Brennstoffzellen ist, dass sie das Problem der schweren Batterien umgehen. In der Tat, durch die Erzeugung von Strom direkt aus Wasserstoff sind Batterien nicht mehr notwendig - nur eine leichte Alternative für die vorübergehende Speicherung. Brennstoffzellen sind relativ leicht und verfügen über ein gutes Leistungsgewicht. Allerdings sind sie nicht ohne Makel: Sie brauchen viel Platz und die Speicherung eines Gases wie Wasserstoff ist eine Herausforderung, besonders in großen Höhen. Die Hersteller fangen gerade erst an zu verstehen, wie man mit dieser Technologie umgeht. Der weltweit erste Flug mit Brennstoffzellen fand im September 2020 mit ZeroAvia statt, die es schafften, eine modifizierte Piper Malibu zu fliegen.

Im Gegensatz zu Batterien erlaubt das Leistungsgewicht von Brennstoffzellen, dass sie für Langstreckenflüge geeignet sind. Aus diesem Grund hat Airbus beschlossen, an einem emissionsfreien, wasserstoffbetriebenen Flugzeug für das Jahr 2035 zu arbeiten. Sie stellten Hybrid-Konzepte vor, die Wasserstoff-Brennstoffzellen mit Wasserstoffverbrennung in modifizierten Gasturbinen-Triebwerken nutzen.

Wasserstoff hat auch den Vorteil, dass er in der Industrie leicht akzeptiert wird. Bestehende Infrastrukturen haben die Kapazität zum Betanken und könnten leicht für Wasserstoff umgerüstet werden - Batterien würden eine drastische Umstellung der Wertschöpfungskette in der Luftfahrtindustrie erfordern.

Wie bei jeder groß angelegten Umstellung gibt es auch hier eine politische Agenda zu berücksichtigen. Die Europäische Kommission forciert die Entwicklung von Wasserstoff, vor allem um die zunehmende Lücke in der Batterieproduktion zu kompensieren. Indem sie auf Wasserstoff setzen, positionieren sich die europäischen Länder strategisch in den zukünftigen Energiemärkten. Mit groß angelegten Investitionen von Global Playern wie Air Liquide und Engie sowie staatlicher Unterstützung (Deutschland, Frankreich, Großbritannien, Norwegen) kann die Luftfahrtindustrie mit einer starken Unterstützung für die Entwicklung dieses Sektors rechnen.

Wasserstoff ist daher sowohl als Ergänzung als auch als Alternative zu Batterien positioniert. Die Luftfahrt wird eine Koexistenz dieser Technologien benötigen, um die Umweltauswirkungen der Branche deutlich zu reduzieren.

Wie geht es weiter?

Die Luftfahrtindustrie steht vor einer noch nie dagewesenen Krise in einem rauen Umweltkontext. Während die IATA davon ausgeht, dass sich der Flugverkehr im Jahr 2024 wieder normalisieren wird, sieht es kurzfristig düster aus. Diese Situation zwingt die Hauptakteure des Sektors dazu, den Aktionären eine langfristige Perspektive zu bieten, indem sie ehrgeizige und disruptive Projekte bauen. Angesichts der ökologischen Situation, neuer Regulierungen und der Erwartungen der Verbraucher ist die neue langfristige Vision klar: Die neue Ära der Luftfahrt ist sauber und kohlenstofffrei.

Glücklicherweise fällt diese neue Ära mit der Reife vieler umweltfreundlicher technologischer Innovationen und einem starken politischen Willen zusammen. Die Luftfahrtindustrie kann sich darauf verlassen, dass die Pioniere der Branche die Barrieren durch Elektroantrieb und Brennstoffzellen weiter abbauen. Durch Innovation, politische Synergie und wirtschaftlichen Willen könnte eine nachhaltige technologische Revolution in der Luftfahrtindustrie an Dynamik gewinnen.

Bei der Stiftung Solar Impulse suchen wir nach effizienten Lösungen in allen Branchen (Wasser, Energie, Landwirtschaft, Mobilität, Bauwesen, etc). Nachfolgend sehen Sie einige der sauberen und rentablen Lösungen im Luftfahrtsektor, die das Solar Impulse Efficient Solution Label erhalten haben.