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Klimaneutral fliegen – geht das?  (nd-aktuell.de)


So stellen sich die Befürworter des Wasserstoffantriebs den Flughafen der Zukunft vor.

Foto: DLR (CC BY-NC-ND 3.0)

Ungewöhnlich wenige Flugzeuge flogen in den ersten zwei Jahren der Covid-19-Pandemie durch die Lüfte, und bis heute hat sich der Flugverkehr nicht vollständig erholt. Experten gehen jedoch davon aus, dass dies bis 2025 der Fall sein wird und der internationale Flugverkehr mit zunehmendem Wohlstand von Teilen der Weltbevölkerung zunehmen wird.

Laut einer internationalen Studie aus dem Jahr 2020 unter der Leitung von Atmospheric Science Professor an der Manchester Metropolitan University, David Lee, stieg CO2 an2-Emissionen des Luftverkehrs von 1960 bis 2018 um Faktor 6,8 auf etwa 1,04 Gigatonnen pro Jahr. Hinzu kommen klimawirksame Nicht-CO2-Effekte wie die Bildung langanhaltender Kondensstreifen. Im Jahr 2011 trug der Luftverkehr schätzungsweise 3,5 Prozent zum menschengemachten Klimawandel bei. Auch die Internationale Zivilluftfahrt-Organisation (ICAO) ist sich des Problems bewusst. Auf ihrer 41. Generalversammlung Anfang dieses Monats in Montreal beschloss sie mit nur vier Gegenstimmen, den internationalen Luftverkehr bis 2050 CO zu reduzieren2– neutral zu machen.

Wissenschaftler arbeiten seit Jahren an Lösungen dafür. „Der einfachste Weg, den Beitrag der Luftfahrt zum Klimawandel zu verringern, ist, weniger zu fliegen“, sagt der Atmosphärenphysiker des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR) Robert Sausen. Auf kurzen und mittleren Strecken bietet die Bahn – wenn sie etwas zuverlässiger wäre – eine gute Alternative zu Inlandsflügen. Videokonferenzen, die sich im Zuge der Pandemie immer mehr etabliert haben, helfen dabei, Flüge überflüssig zu machen.

alternative Kraftstoffe

Doch trotz Flugscham und dem Versuch der EU, eine Kerosinsteuer durch die Hintertür einzuführen, indem sie den europäischen Luftverkehr in den Emissionshandel einbezieht, bezweifelt kaum jemand ernsthaft, dass viele Menschen, insbesondere im globalen Norden, weiterhin in den Urlaub fliegen werden die Zukunft oder reisen mit dem Flugzeug. Wahrscheinlich werden auch dringende oder verderbliche Waren auf diese Weise transportiert.

Die Naturwissenschaften forschen insbesondere an der Entwicklung von klimaneutralem Kerosin. Die Grundbausteine ​​von Kraftstoffen sind Kohlenstoff und Wasserstoff. Sie kommen auch in Kohlendioxid und Wasser vor. Aus diesen Ausgangsstoffen können daher auch höhere Kohlenwasserstoffe hergestellt werden. „Das sind allerdings Prozesse, bei denen Energie von außen zugeführt werden muss“, erklärt Sausen. Das Wasser zu bekommen ist relativ einfach, aber nicht das CO2weil es ein Spurengas ist. »Heute trennen Sie CO2 meist dort, wo es in großen Konzentrationen vorkommt, zum Beispiel in konventionellen Kraftwerken“, erklärt er. »Das geht aber mit einem Wirkungsgradverlust des Kraftwerks einher.«

Für Power-to-Liquid (PtL), die Umwandlung von Strom in flüssige Kraftstoffe, gibt es bereits eine Vielzahl von Anlagen, die jedoch noch nicht großindustriell produzieren, um die benötigten Mengen bereitzustellen. Bis zur wettbewerbsfähigen Massenproduktion zu einem akzeptablen Preis ist es noch ein weiter Weg.

Ein wichtiger Schritt in diese Richtung könnte ein neues Herstellungsverfahren sein, das niederländische, deutsche, belgische und norwegische Wissenschaftler in den vergangenen viereinhalb Jahren im Rahmen des EU-finanzierten Forschungsprojekts KEROGREEN entwickelt haben. Es basiert auf innovativer Plasmatechnologie: »Wir schicken auf relativ kleinem Raum viel Energie in einen Gasstrom aus CO2zum CO2Molekül in Kohlenmonoxid und Sauerstoff“, erklärt Peter Pfeifer vom Institut für Mikroverfahrenstechnik am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) und einer der Sprecher des Projekts. Daraus werden in weiteren Schritten schließlich Kohlenwasserstoffe hergestellt, die zu Kerosin veredelt werden – oder direkt als Energiespeicher gespeichert werden können.

Interessant ist, dass man im Gegensatz zu den auf der Wasserelektrolyse basierenden Verfahren nicht auf Edelmetalle angewiesen ist. So benötigt beispielsweise die Elektrolyse nach dem „Proton Exchange Membrane“ (PEM)-Prinzip Platin und Iridium, was den Preis in die Höhe treibt und die Frage nach deren Verfügbarkeit aufwirft: „Wenn wir unseren derzeitigen Kraftstoffverbrauch durch synthetische Kraftstoffe ersetzen wollen, ist Recycling angesagt oberste Priorität für die benötigte Anzahl an Elektrolyseeinheiten“, warnt der KIT-Wissenschaftler.

Allerdings ist das neu entwickelte Verfahren derzeit noch weniger energieeffizient als die Elektrolyse. Der nächste Schritt ist die Steigerung der Energieeffizienz, um mit dem derzeit diskutierten Herstellungsverfahren für synthetische Kraftstoffe konkurrieren zu können. Erst dann macht es Sinn, die Anlagen zu erweitern und aufzubauen. Anlagen im Gigawattbereich halten die Forscher ebenso für möglich wie kleinere, dezentrale Produktionsanlagen im Containerformat, in denen Wind- oder Sonnenenergie erzeugt wird.

Bis zur Reife des untersuchten Verfahrens könnten nach Einschätzung von Pfeifer noch gut zehn Jahre vergehen. Bis dahin könnte die Flugzeugflotte auch auf rein synthetischen Treibstoff umgestellt werden. Bisher sind nur Mischungen mit maximal 50 Prozent synthetischem Kerosin erlaubt – unter anderem, weil fossiles Kerosin im Gegensatz zu synthetischem Kerosin Aromastoffe enthält, die die Eigenschaften des Dichtungsmaterials in den derzeit verbauten Turbinen erhalten. Die Beimischungsrate liegt derzeit bei unter einem Prozent und ist damit noch weit davon entfernt, fossile Energieträger vollständig zu ersetzen.

E-Flugzeuge sind keine Option

Drängt die E-Mobilität im Straßenverkehr zunehmend auf die Agenda, ist dies in der Luftfahrt schwieriger. Es funktioniert derzeit nur im kleinen Maßstab, also in Flugzeugen mit wenigen Passagieren und geringer Reichweite. Das Batteriegewicht ist ein großes Problem.

Die Luftfahrt steckt in Sachen Wasserstofftechnologie noch in den Kinderschuhen. „Bis wasserstoffbetriebene Maschinen in nennenswertem Umfang zum Einsatz kommen, wird es sicher noch mindestens zehn Jahre dauern“, schätzt DLR-Forscher Sausen. Im Bereich der Aerodynamik sieht er den Spielraum zur Effizienzsteigerung weitgehend ausgereizt. „Wenn es uns gelingt, die Auswirkungen des Luftverkehrs auf das Erdklima um 10 bis 15 Prozent zu reduzieren, dann ist das ein enormer Fortschritt“, sagt er.

Auf der anderen Seite gibt es noch ein großes Potenzial zur Reduzierung von Nicht-CO-Emissionen2-Auswirkungen. Diese machen laut der bereits erwähnten Studie von Lee und Kollegen bis zu zwei Drittel der Klimawirkung des Luftverkehrs aus. Von besonderer Bedeutung sind die Kondensstreifen-Zirruswolken – Eiswolken, die auch natürlich vorkommen können – und Stickstoffemissionen. Demgegenüber spielen Wasserdampfemissionen in der Stratosphäre und die direkten und indirekten Aerosoleffekte – etwa durch Ruß – eine untergeordnete Rolle.

„Kondensstreifen werden dadurch verursacht, dass Flugzeuge Wasserdampf in eine ausreichend kalte Atmosphäre abgeben. Dort kondensiert (verflüssigt) der Wasserdampf, weil wir dort durch Flugzeugabgase eine hohe Wasserdampfübersättigung haben“, fasst Sausen zusammen. Wenn sie sich mit der atmosphärischen Luft vermischt, verdünnt sich die Abgasfahne. Die im Kondensstreifen entstehenden Eiskristalle gehen in den meisten Fällen direkt vom festen in den gasförmigen Zustand über. Die meisten Kondensstreifen verschwinden, wenn sie sich überhaupt bilden, sehr schnell wieder. „Nur wenn die Atmosphäre neben niedrigen Temperaturen ausreichend feucht ist, können sie länger leben, mit dem Wasser der Atmosphäre wachsen und das Klima maßgeblich beeinflussen“, erklärt der Wissenschaftler. Sie können dann mehrere Stunden in Höhen von acht bis zwölf Kilometern überdauern und eine erdwärmende Wirkung haben.

Die sogenannten eisübersättigten Regionen, in denen diese Bedingungen vorherrschen, sind ungleichmäßig verteilt und sehr lokal sehr begrenzt. »Ein Demonstrationsexperiment mit realem Flugverkehr, das wir (DLR und das Maastricht Upper Area Control Center – MUAC – the European Organization for the Safety of Aviation, EUROCONTROL – Anm. d. Red.) im Jahr 2021 durchgeführt haben, hat gezeigt, dass er grundsätzlich vorhersagbar ist diese Bereiche so gut, dass wir diese langlebigen Kondensstreifen vermeiden können und es sich lohnt, dieses Konzept weiter zu verfolgen“, berichtet Sausen.

Innerhalb der ersten zehn Monate des Jahres führte das Forschungsteam Testläufe auf insgesamt 209 Flugrouten nach 18 Uhr Ortszeit und nachts durch, wenn die wärmende Wirkung der Kondensstreifen und die daraus resultierenden Zirruswolken besonders stark sind. Eine Gruppe von Planern von MUAC und DLR interpretierte die Wettervorhersage in Bezug auf eisbedeckte Regionen und Wolken und wies die Fluglotsen an, diese Gebiete in einer vertikalen Entfernung von bis zu 600 Metern zu über- oder unterfliegen. Der CO2-Emissionen überkompensiert. „Wenn wir statt fossiler Kraftstoffe auch neue grüne Kraftstoffe oder Wasserstoff verwenden, können wir den Klimabeitrag des Luftverkehrs noch weiter reduzieren“, sagt Sausen.

Dennoch bleibt ein umfassenderes Umdenken in Politik, Wirtschaft und Gesellschaft unumgänglich. Der Klimaökonom Steffen Kallbekken vom CICERO Center for International Climate Research in Oslo und David G. Victor von der University of California, San Diego, warnen Ende September in einem Artikel im Wissenschaftsjournal „Nature“ vor einer zu engen Sichtweise : Die Vorbereitungen für die jüngste ICAO-Generalversammlung hatten gezeigt, dass der Fokus bei alternativen Treibstoffen und Ausgleichsmaßnahmen weiterhin auf Ideen liegen würde, die das Geschäft der Luftfahrtindustrie so wenig wie möglich stören.