Die Luftfahrtindustrie steht im Rahmen der weltweiten Bemühungen zur Bekämpfung des Klimawandels an einem entscheidenden Scheideweg. Mit der steigenden Nachfrage nach Flugreisen wächst auch der Druck, die Emissionen der Luftfahrt zu reduzieren und die Abhängigkeit des Sektors von herkömmlichem Kerosin und anderen fossilen Brennstoffen zu minimieren. Nachhaltige Flugzeuge stehen an der Spitze dieses Wandels und treiben Forschung, Investitionen und Innovationen in Richtung einer klimaneutralen Luftfahrt voran. Mit dem Ziel eines saubereren Himmels untersucht die Branche eine Vielzahl kostengünstiger und energieeffizienter Lösungen zur Dekarbonisierung der Luftfahrt, von Elektroantrieben bis hin zu kohlenstoffarmen Kraftstoffalternativen. Diese Bemühungen bieten nicht nur erhebliche Vorteile für die Umwelt, sondern gestalten auch die Zukunft der internationalen Luftfahrt neu und definieren die Arbeitsweise von Fluggesellschaften sowie die Konstruktion, den Antrieb und die Wartung von Flugzeugen neu.
Es haben sich drei vielversprechende Optionen herauskristallisiert: vollelektrische Flugzeuge, hybrid-elektrische Flugzeuge und Wasserstoff-/Elektro-Brennstoffzellen. Jede dieser Optionen kann den Verbrauch herkömmlicher Flugturbinenkraftstoffe und die CO2-Emissionen reduzieren. Allerdings bringt jede Option auch einzigartige Herausforderungen mit sich, die eine Neukonzeption der Flugzeugkonstruktion und der Betriebsstandards sowie eine umfassende Bewertung ihrer Umweltauswirkungen erfordern.
Das Accuris ESDU-Team verfügt über mehr als 80 Jahre Erfahrung im Bereich validierter technischer Konstruktionsdaten und bietet eine beispiellose Wissensbasis, die Ingenieure dabei unterstützt, fundierte und zuverlässige Konstruktionsentscheidungen zu treffen. Unsere Erkenntnisse in den Bereichen Aerodynamik, Antriebstechnik und innovatives Flugzeugdesign bilden eine wichtige Grundlage für die Bewertung nachhaltiger Luftfahrttechnologien. In diesem Artikel diskutieren wir drei nachhaltige Optionen für den zivilen Luftverkehr und die Überlegungen, die angestellt werden müssen, um sicherzustellen, dass diese neuen Technologien sowohl technisch als auch betrieblich einwandfrei sind.
Vollelektrische Flugzeuge
Aufgrund der Reichweitenbeschränkung bei batteriebetriebenen Elektroantrieben und verschiedener Herausforderungen bei wasserstoffbetriebenen Flugzeugen werden umweltfreundliche Kurzstreckenflugzeuge für Pendler wahrscheinlich die ersten nachhaltigen Zivilflugzeuge sein, die in Dienst gestellt werden. Derzeit hat die kanadische Pendlerfluggesellschaft Harbour Air über 90 Flüge mit einer elektrisch angetriebenen de Havilland Canada DHC-2 Beaver durchgeführt und wird voraussichtlich 2026-2027 von der kanadischen Regulierungsbehörde vollständig zertifiziert werden. Die Entwicklung vollelektrischer Flugzeuge befindet sich noch in einem frühen Stadium.
Es ist wahrscheinlich, dass die ersten vollständig elektrisch angetriebenen Flugzeuge Propellerflugzeuge sein werden, bei denen Elektromotoren das Triebwerk ersetzen. Verschiedene Unternehmen sind an der Entwicklung und Zertifizierung dieser Elektroflugzeuge beteiligt. Ob dies zu einer effizienten Konstruktion führt, muss hinterfragt werden. Welche Auswirkungen hat der Austausch des Triebwerks und des Treibstoffs gegen Batterien auf die Nutzlast/Reichweite? Als Ausgangspunkt wird dies die Entwicklung effizienterer Elektromotoren und Batterien vorantreiben und Einblicke in den Betrieb umweltfreundlicher Flugzeuge geben.
Hybrid-Elektroflugzeug
Für den Ersatz von Mittelstreckenflugzeugen wie dem Airbus A320 und der Boeing 737 wird wahrscheinlich zunächst der hybride Elektroantrieb zum Einsatz kommen, gefolgt von wasserstoffbetriebenen Turbotriebwerken für den Ersatz von Langstreckenflugzeugen.
Der Nachteil des hybriden Elektroantriebs besteht darin, dass Kraftstoff verbrannt werden muss, um Strom zu erzeugen, der entweder direkt den Elektromotor antreibt und/oder die Batterien auflädt. Der Wechsel von einer Energiequelle zur anderen ist in der Regel ineffizient, außerdem entsteht durch den Transport der Hilfsstromversorgungseinheit (APU) zusätzliches Gewicht. Daher würde ein Hybrid-Elektroantrieb eine verbesserte Version der APU benötigen, um den Strom für Propeller/offene Rotoren oder Lüfter zu erzeugen. Dies würde die Entwicklung der Systeme und der Architektur erfordern, die zur Filterung der Emissionen der Strom erzeugenden Turbine notwendig sind.
Ein ganzheitlicher Ansatz ist unerlässlich, um den hybriden Elektroantrieb in den Luftfahrtsektor zu integrieren, der die Technologieentwicklung, Forschung und den Einsatz nachhaltiger Lösungen umfasst.
Wasserstoff-/Elektro-Brennstoffzellen
Boeing hat Wasserstoff-/Elektro-Brennstoffzellen zum Antrieb eines zweisitzigen Dimona-Flugzeugs verwendet, das von Diamond Aircraft Industries aus Österreich gebaut wurde. Eine Brennstoffzelle ist ein elektrochemisches Gerät, das Wasserstoff direkt in Strom und Wärme umwandelt, ohne dass dabei Verbrennungsnebenprodukte wie Kohlendioxid entstehen. Abgesehen von Wärme ist Wasser das einzige Abgasprodukt einer Brennstoffzelle. Für Start und Steigflug wird eine Kombination aus Batterie und Brennstoffzelle verwendet, um den mit dem Propeller verbundenen Elektromotor anzutreiben. Sobald eine Höhe von 3000 Fuß erreicht ist, werden die Batterien abgeschaltet und der Horizontalflug wird nur noch mit Brennstoffzellen aufrechterhalten, die den Elektromotor mit Strom versorgen. Es wird davon ausgegangen, dass diese Technologie das Potenzial hat, kleine bemannte oder unbemannte Luftfahrzeuge für Überwachungszwecke anzutreiben.
Die Brennstoffzellentechnologie könnte für APUs in großen Verkehrsflugzeugen und für längere Flugstrecken eingesetzt werden. Es wird jedoch davon ausgegangen, dass Brennstoffzellen allein nicht in der Lage sein werden, große Verkehrsflugzeuge mit Primärenergie zu versorgen. Airbus hat in den letzten zehn Jahren eine Reihe vollelektrisch angetriebener Leichtbauflugzeuge entwickelt und getestet und untersucht derzeit im Rahmen des ZEROe-Projekts verschiedene Konzepte für den Wasserstoffantrieb künftiger Zivilflugzeuge.
Konstruktionsaspekte für nachhaltige Flugzeuge
Die Auswirkungen von Elektro- oder Wasserstoffflugzeugen auf die Konstruktion erfordern einen alternativen Ansatz zum aktuellen Flugzeugdesign. Neue Konstruktionen für aktuelle Zivilflugzeuge orientieren sich stark an bestehenden Flugzeugen, da radikale Veränderungen teuer sind, um die vollständigen Zertifizierungsstandards zu erfüllen. Der Einsatz von Elektro- oder Wasserstoffantrieb ist eine radikale Veränderung, und viele mögliche Konfigurationen müssen evaluiert werden, darunter auch unkonventionelle Layouts wie der Blended Wing Body (BWB). Neue Infrastruktur wird unerlässlich sein, um die Integration von Elektro- und Wasserstoffflugzeugen in bestehende Flughafenanlagen zu unterstützen.
Beispielsweise muss bei der Konstruktion von elektrisch angetriebenen Flugzeugen die Position der Batterien, des Rumpfs und der Tragflächen sowie die Sicherheitsanforderungen berücksichtigt werden. Kühlung und Überhitzung müssen in Betracht genommen werden (die Batteriebrände der Boeing 787 waren ein aktuelles Problem). Die Konstrukteure müssen entscheiden, ob das Flugzeug Ersatzakkus mitführen muss, falls ein oder zwei Akkus ausfallen sollten. Befinden sich die Akkus im Rumpf, muss bei der Konstruktion auf die Vorteile der Flügelbiegung verzichtet werden, was zu einer möglichen Gewichtszunahme führen kann. Bei aktuellen Flugzeugen wird der Treibstoff im Flügel mitgeführt, dessen Gewicht aufgrund der Flügelbiegung und des Auftriebs eine Entlastung darstellt.
Bei vollelektrischen Konstruktionen entspricht das Startgewicht dem Landegewicht, was sich von aktuellen Flugzeugkonstruktionen unterscheidet. Wie wirkt sich dies auf das Strukturgewicht aus, insbesondere wenn zusätzliche Batterien mitgeführt werden müssen?
Auch das Problem der Nutzlastreichweite erfordert einen neuen Ansatz. Derzeit wird das Gewicht des Treibstoffs gegen Nutzlast und Reichweite eingetauscht. Bei wasserstoffbetriebenen Flugzeugen wird der Schwerpunkt auf Sicherheitsfragen hinsichtlich des Transports und den Auswirkungen auf die Konstruktion liegen. Dies erfordert neue internationale Sicherheitsstandards, empfohlene Verfahren und zuverlässige Konstruktionsrichtlinien.
Aus Sicht des Flughafenbetriebs müssen die Einrichtungen angepasst werden, um neue Flugzeugtypen zu unterstützen, wobei das Laden, Lagern und Austauschen von Batterien zu berücksichtigen ist. Werden die Batterien ausgebaut und durch voll aufgeladene ersetzt? Wenn ja, wie wirkt sich dies auf die Umschlagzeit aus? Erlaubt die Konstruktion des Flugzeugs einen schnellen Austausch? Wird der Strom aus dem nationalen Netz bezogen oder lokal am Flughafen erzeugt? Wird er mit grüner Technologie erzeugt? Darüber hinaus müssen Vorkehrungen für die Speicherung und Versorgung mit Wasserstoff getroffen werden.
Schließlich muss bei der Herstellung neuer Flugzeuge auch die Auswirkung auf die Umwelt berücksichtigt werden. Auch die Umweltauswirkungen der Herstellung und Entsorgung von Batterien müssen berücksichtigt werden.
Die Zukunft der nachhaltigen Luftfahrt
Der Weg zu einer nachhaltigen Luftfahrt schreitet mit vielversprechenden Entwicklungen in den Bereichen Hybrid-Elektroflugzeuge, vollelektrischer Antriebe und Wasserstoff-Brennstoffzellentechnologie voran. Obwohl jede dieser Lösungen mit einzigartigen technischen und betrieblichen Hürden konfrontiert ist, sind sie aufgrund ihres Potenzials zur Reduzierung des Treibstoffverbrauchs und der Emissionen für die Zukunft der Luftfahrtindustrie von entscheidender Bedeutung.
Mit fortschreitender Forschung und Entwicklung versprechen diese nachhaltigen Alternativen eine Transformation der Luftfahrt, neue Leistungsniveaus und den Weg für einen saubereren Himmel. Durch kontinuierliche Innovation und Zusammenarbeit wird die Zukunft des Fliegens effizienter und nachhaltiger werden.
