Eine Frage der Energiedichte: Wie elektrische Flugzeuge abheben

Im Juni dieses Jahres startete eine blauer Sechssitzer vom englischen Schulflughafen Cranfield und landete wenig später wieder sicher auf demselben Rollfeld. Was aussah wie ein alltäglicher Trainingsflug war in Wirklichkeit eine mittlere Sensation. Denn das Flugzeug der US-Firma ZeroAvia nutzte dafür einen Elektromotor und war das größte batteriebetriebene Flugzeug und das erste von kommerzieller Größe, das jemals in Europa abgehoben hatte.

Bisher hat die Luftfahrt versucht, ihren CO₂-Abdruck vor allem durch den Einsatz von Bio-Treibstoffen und effizienteren Maschinen zu reduzieren. Allerdings mit mäßigem Erfolg. Deshalb geht die Suche nach Alternativen weiter und der Testflug in Cranfield ist nicht das einzige vielversprechende Zwischenergebnis. Bereits im September brachte ZeroAvia dasselbe Flugzeug auf Basis der Piper M-Klasse noch einmal zum Fliegen – diesmal kam der Strom für den Elektromotoren aus einer Wasserstoff-Brennstoffzelle.

Das Gewichtsproblem der Batterien

Dass der Batteriebetrieb nur eine Übergangslösung zu Testzwecken sein würde, war von vornherein klar. Denn Batterien sind für die kommerzielle Luftfahrt keine echte Option: Eine voll beladene Boeing 747 benötigt 90 Megawatt (MW) um ihre 400 Tonnen in die Luft zu wuchten. Diese Leistung kann der größte Lithium-Ionen-Batteriespeicher der Welt, die Hornsdale Power Reserve in Australien, für gerade einmal für zwei Stunden und fünfzehn Minuten bereitstellen. Und der bedeckt etwa die Fläche eines Fußballfelds und wiegt das Vielfache eines Jumbojets.

Aber selbst für kleinere Flugzeuge mit günstigeren Bedingungen wären Batterien keine wirtschaftliche Lösung, weil Anzahl und Art der Ladezyklen die Batteriekapazität schnell reduzieren würden, während ihr Gewicht gleichbleibt. Aus ähnlichen Erwägungen gelten Batterien schon für Schwertransporte an Land nicht als die aussichtsreichste Technologie, obwohl das Gewicht hier eine weitaus kleinere Rolle spielt als in der Luft.

Auch das Wiederaufladen in der Luft ist keine echte Option. Es war zwar eine technologische Meisterleistung, dass die Solar Impulse II mithilfe von Photovoltaik-Zellen auf den Tragflächen die Welt in 17 Etappen umrundete. Aber gerade dieser Versuch zeigt das problematische Verhältnis von Gewicht und Leistung: Die Solar Impulse II hatte die Spannweite eines Airbus A340, wog aber nur so viel wie ein durchschnittliches SUV und bot Platz für genau einen Menschen – den Piloten.

Mit Wasserstoff über den Atlantik

Warum ZeroAvia seine Flugzeuge künftig mit Wasserstoff antreiben will, liegt also auf der Hand: Die Energiedichte von H₂ ist deutlich höher als bei Akkus. Sie ist sogar dreimal höher als die von herkömmlichem Flugbenzin. Das weiß man auch bei Airbus. Der europäische Flugzeugbauer will mit seinem ZEROe-Programm bis 2035 das erste emissionsfreie Passagierflugzeug auf den Markt bringen. Im September hat der Konzern drei Konzepte dafür vorgestellt, die als Hybride den Wasserstoff entweder verbrennen oder in Brennstoffzellen verstromen können. Die Flugzeuge sollen bis zu 200 Passagiere über 2000 Seemeilen weit transportieren können.

Das US-Unternehmen ZeroAvia plant in kürzeren Zeiträumen: Innerhalb von drei Jahren, heißt es dort, könne man Flugzeuge mit Brennstoffzellen für zehn oder gar 20 Passagiere mit einer Reichweite von 500 Seemeilen entwickeln. Damit könnte man von London nach München oder von Chicago nach Washington D.C. fliegen. Bis 2030 seien Wasserstoff-Flugzeuge mit bis zu 100 Plätzen machbar. Noch größere Reichweiten peilt ZeroAvia für das Jahr 2040 an: Dann sollen H₂-Flugzeuge mit mehr als 200 Passagieren 3000 Seemeilen zurücklegen können. Damit könnte man mit einem Tankstopp in Dubai von London nach Bangkok fliegen oder auch den Atlantik überqueren.

Der nächste Schritt ist ein weiterer Testflug: Ende 2020 soll eine sechssitzige Piper-M mit Brennstoffzellenantrieb 250 bis 300 Seemeilen – etwa die Strecke London-Köln – zurücklegen. Das Experiment gehört zum Projekt HyFlyer, das von der britischen Regierung gefördert wird.

Große Herausforderungen in Sicht

All das ist laut ZeroAvia ohne grundlegende technologische Durchbrüche machbar. Und doch ist die Wasserstoff-Fliegerei noch kein Selbstläufer. Airbus nennt eine Reihe Herausforderungen, die noch zu bewältigen sind – nicht die Kosten von erneuerbarem Wasserstoff. Der ist jedoch Voraussetzung dafür, dass ein Flug CO₂-neutral ist.

Allerdings wird bisher nur ein Prozent des weltweit genutzten H₂ nachhaltig gewonnen. Um also die gesamte Luftfahrt auf Wasserstoff-Betrieb umzustellen, müssten nicht nur immense Kapazitäten von Elektrolyseuren aufgebaut werden, sondern auch für die erneuerbare Stromerzeugung. Hinzu kommen etliche Fragen rund um das Betanken: Der Wasserstoff kann nur unter hohem Druck – bei Autos sind bis zu 700 bar üblich – auf ein nutzbares Volumen gebracht werden. Die Sicherheitsauflagen könnten da noch aufwendiger ausfallen, als sie es bei Kerosin schon sind. Und die erforderliche Infrastruktur müssten die Flughäfen erst einmal aufbauen.

Das alles macht deutlich: Technisch ist CO₂-neutrales Fliegen auf Basis von Wasserstoff möglich. Die gesamte Luftfahrt auf Wasserstoff umzustellen, ist jedoch eine ganz andere Frage.