DLR – Konzeptstudie für ökoeffizientes Fliegen

IASA e.V. - Konzeptstudie für Ökoeffizientes Fliegen

Ökoeffizientes Fliegen

  • In vier Jahren entsteht ein Konzept für die Perspektive eines nachhaltigen Luftverkehrs.
  • Antriebskonzepte für Kurzstreckenflugzeuge mit erheblich verringerten Emissionen und weniger Lärm unter Betrachtung von Batterien, Brennstoffzellen sowie Wasserstoff stehen im Fokus.
  • Auswirkungen auf das gesamte Öko- und Luftfahrtsystem, also auf Flughäfen, Airlines sowie die Flugsicherung und Atmosphäre werden untersucht.
  • Schwerpunkte: Luftfahrt, Digitalisierung, klimaschonendes Fliegen

Wie müsste Elektromobilität am Himmel beschaffen sein, um die durch den Luftverkehr verursachten Emissionen drastisch zu senken? Wie können Flugzeuge mit alternativen Antrieben ökologisch und wirtschaftlich zugleich sein? Verändern solche neuartigen Flugzeuge das Luftfahrtsystem, beispielsweise Flughäfen oder Wartungshallen? Auf diese Fragen will das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) innerhalb der nächsten vier Jahre Antworten geben.

Konzeptstudie für Ökoeffizientes Fliegen

Seit Anfang des Jahres 2020 arbeiten 45 Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler aus 20 DLR-Instituten gemeinsam im Projekt EXACT (Exploration of Electric Aircraft Concepts and Technologies) an der Entwicklung neuer Technologiebausteine für ein ökoeffizientes Verkehrsflugzeug.

Übergeordnetes Ziel ist es, bis zum Jahr 2040 die erforderlichen Technologien für ein ein solches Luftfahrzeug mit mindestens 70 Sitzen und einer Reichweite von 2.000 Kilometern zur Einsatzreife zu bringen. Hierfür sollen im ersten Schritt unterschiedliche hybrid-elektrische Antriebskonzepte und mögliche Flugzeugkonfigurationen untersucht werden. Aber auch  Wechselwirkungen mit der Flughafeninfrastruktur werden betrachtet, ebenso wie sich neuartige Antriebe auf die Atmosphäre und somit auf das Klima auswirken „Das DLR verfügt über eine weltweit einzigartige Kompetenz für die Durchführung einer solch komplexen Studie In unserem 45-köpfigen Team bündeln wir unsere Kompetenzen aus den unterschiedlichen Forschungsbereichen. So erreichen wir sowohl die nötige thematische Breite als auch die wissenschaftliche Tiefe“, sagt Dr. Johannes Hartmann vom DLR-Institut für Systemarchitekturen der Luftfahrt, der das Projekt federführend leitet.

Digitaler Entwurfsprozess

Mit Hilfe von Daten aus dem gesamten Lebenszyklus eines Flugzeugs, vom Entwurf über die Produktion bis zum Betrieb und der späteren Entsorgung, verfügen die Forscherinnen und Forscher über Informationen, aus denen sie Wissen für den Flugzeugentwurf ableiten können. Die vorgegebenen Ziele sind, dass die Emissionen des Flugzeugs das Klima nicht negativ beeinflussen und es dabei gleichzeitig wirtschaftlich zu betreiben ist. Der Entwurfsprozess wird ganzheitlich betrachtet und anhand dieser Ziele ausgerichtet. Die Planung der Produktion, des Betriebs und der Wartung fließen von Anfang an in den Entwurf mit ein. In der Vergangenheit wurden Flugzeuge primär kostengetrieben entwickelt und ihre Klimawirkung erst im Nachgang analysiert. „Wir drehen diesen Prozess erstmals um und wählen damit einen revolutionären Ansatz für unsere Arbeiten“, erklärt Hartmann.

Klimaneutrale Antriebskonzepte

Flugzeuge mit verbesserter Klimabilanz erfordern grundlegend neue Antriebstechnologien. Das Projektteam untersucht, welche Antriebskonzepte für Kurzstreckenflugzeuge erheblich verringerte Emissionen und weniger Lärm im Betrieb zur Folge hätten und mit den Interessen der Wirtschaft vereinbar sind. Durch Batterien, Brennstoffzellen oder mit Wasserstoff angetriebene Flugzeuge bieten das Potenzial, diese Anforderungen miteinander in Einklang bringen.

Das DLR-Institut für Technische Thermodynamik analysiert und bewertet bereits seit einigen Jahren die Leistungsklassen von Brennstoffzellen für die Luftfahrt. So werden unter diesem Aspekt Brennstoffzellen im Labor charakterisiert und im viersitzigen Passagierflugzeug Hy4 untersucht. Das im Projekt EXACT erarbeitete Wissen soll nun, mit Hilfe von Simulationsmodellen und Pilotanwendungen, das Zusammenspiel der hybriden Energiekonzepte in größerer Leistungsklasse bewerten und einsetzbar machen.

Luftverkehrssystem 2040

Neuartige Flugzeuge werden das gesamte derzeitige Luftfahrtsystem beeinflussen und umgekehrt. Dr. Kai Wicke vom DLR-Institut für Instandhaltung und Modifikation betrachtet im Projekt EXACT die betriebliche und ökologische Integration der neuen Flugzeugkonfigurationen: “Ob ein neuartiges Flugzeug mit Wasserstoff, Brennstoffzelle oder Batterie angetrieben wird – wir betrachten ganzheitlich, welche Auswirkungen dies auf das gesamte Öko- und Luftfahrtsystem hätte, also auf Flughäfen, Airlines sowie die Flugsicherung und Atmosphäre.“

Sein Team stellt Modelle für Klimawirkung, Lärm sowie Produkt- und Energielebenszyklen auf. Hierbei werden sowohl Umweltwirkungen als auch Investitions-, Betriebs- und Wartungskosten untersucht. Würde ein Flugzeug mit Wasserstoff betankt, wären dafür spezielle Betankungssysteme nötig. Batterien müssten geladen, gelagert und recycelt werden können. Zu klären ist, welche Anforderungen die vorhandene Infrastruktur für den Betrieb eines neuen Flugzeugs stellt.

In vier Jahren soll ein erstes ganzheitliches Konzept für den umweltkompatiblen Luftverkehr stehen. Flugzeugingenieure, Atmosphärenforscher und Elektrotechniker aus 20 verschiedenen DLR-Instituten arbeiten gemeinsam daran, valide Modelle aufzustellen und Lösungen zu erarbeiten.

Ein ausführlicher Artikel zum Projekt findet sich auch in der aktuellen Ausgabe des DLR-Magazins.

Quelle: DLR

siehe auch: https://iasaev.org/de/dlr-emissionsfreier-antrieb-fuer-die-luftfahrt/


 

Flugscham? Fliegen ist in!

IASA: Nachhaltige Luftfahrt - Sustainable Aviation

Alle reden vom Klima. Und fliegen weiter. Bis 2040 wird sich die Zahl der Flugpassagiere mehr als verdoppeln. Die neue Herausforderung heißt: Schadensbegrenzung.

Klimawandel. CO2-Einsparung. Greta im Zug. Und dann das: In den nächsten 20 Jahren wird sich die Zahl der Flugzeugpassagiere mehr als verdoppeln, von rund vier Milliarden im Jahr 2016 auf über 9,4 Milliarden 2040. Gleichsam wird die Zahl der Flüge von 35,5 auf etwa 53 Millionen ansteigen. Das zumindest prognostiziert das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) in einem weltweit erstmaligen globalen Prognosemodell.

Für das Modell haben die Forscher die Entwicklung von Passagierzahlen, Flotten und Flugbewegungen analysiert sowie Prognosen zum Bevölkerungs- und Wirtschaftswachstum herangezogen. Das Neue an ihrem Ansatz: “Wir berücksichtigen die verfügbaren Flughafenkapazitäten, wie sie heute sind und sich möglicherweise in Zukunft entwickeln.”, so Hauptautor Marc Gelhausen. “Das hat Rückwirkungen auf die Passagiernachfrage, auf die Flotten- und Flugbewegungsentwicklung.”

Infografik weltweites Passagieraufkommen

Sechs der zehn am stärksten betroffenen Flughäfen in Asien

Treffen ihre Vorhersagen zu, wird es aufgrund der erhöhten Nachfrage an Flughäfen bald zu massiven Kapazitätsengpässen kommen. Einerseits in europäischen und amerikanischen Hubs wie London Heathrow und Atlanta, aufgrund steigender Wirtschaftskraft und Bevölkerungszahlen maßgeblich aber auch in asiatischen Ballungszonen China, Indonesien und Indien. Das steigende Passagiervolumen könne in Zukunft nur durch eine Anpassung der Flugzeuggröße bewältigt werden. Für 2040 prognostizieren die Autoren eine Kapazitätserhöhung von 111 auf 179 Passagieren pro Maschine.

Was bedeutet das in Zeiten der sogenannten Flugscham? “Wenn mehr Menschen in ein- und demselben Flugzeug sitzen, ist das grundsätzlich erst mal effizienter bezüglich der Pro-Kopf-Emissionen”, sagt Ralf Berghof, stellvertretender Institutsleiter und Abteilungsleiter Luftverkehr, “aber es erhöht sich auf der anderen Seite auch das Gewicht des Flugzeugs und damit auch der Verbrauch.” Dem Optimum zwischen Auslastung und CO2-Ausstoß wollen die Forscher in einer nun initiierten weiteren Studie auf den Grund gehen.

Immanentes Wachstum

“Es ist nicht Neues, dass der Luftverkehr wächst.”, meint Rudolf Dörpinghaus, Präsident der International Asscociation for sustainable Aviation (IASA). “Der Luftverkehr ist eigentlich seit der Entwicklung des kommerziellen Luftverkehrs eine Wachstumsindustrie gewesen. Wachstum ist ein Kernelement des modernen Luftverkehrs.” Die neue Herausforderung bestünde vielmehr darin, den Luftverkehr klimafreundlich beziehungsweise perspektivisch klimaneutral zu gestalten.

Handlungsbedarf und -möglichkeiten gäbe es entlang der gesamten Transportkette, also während des Fluges, aber auch davor und danach auf dem Boden. An erster Stelle komme es darauf an, dem Luftverkehr die Möglichkeit zu geben, in neue Technologie zu investieren: “Mit jeder Flugzeug-Generation, die wir haben, sinkt der Kraftstoffverbrauch in der Größenordnung zehn bis fünfzehn Prozent pro Passagier-Kilometer.” Viele Airlines seien jedoch nicht in der Lage, immer wieder das neueste Fluggerät zu besitzen.

Synthetisches Kerosin als Hoffnungsträger

Enormes Potential sieht Dörpinghaus in der Substitution des fossilen Kerosins durch synthetische Kraftstoffe: “Die Technik ist da, man muss sie wirklich nur umsetzen.” Gemeint ist Power-to-Liquid (PtL), die Herstellung von Kerosin aus erneuerbarem Strom und CO2. Dies allerdings erfordere eine globale Zusammenarbeit, da fossiles Kerosin derzeit viel preiswerter sei als PtL-Sprit, ein Todesurteil im weltweiten Wettbewerb. Gäbe man dem Verfahren eine Chance und führte beispielsweise eine verbindliche Quote ein, wäre PtL in fünf bis zehn Jahren marktfähig, so Dörpinghaus’ Prognose.

Notwendig, da sind sich die Akteure einig, ist eine internationale Gesetzgebung. Eine solche versucht die UN-Luftfahrtsorganisation ICAO mit ihrem Konzept “CORSIA” (“Carbon Offsetting and Reduction Scheme for International Aviation”). In diesem haben sich Fluggesellschaften, Flughäfen, Hersteller und Flugsicherungen darauf geeinigt, dass das Wachstum der internationalen Luftfahrt ab 2020 CO2-neutral erfolgen soll. Erreicht werden soll dies durch Investitionen in CO2-senkende Klimaschutzprojekte. Der Bund für Umwelt und Naturschutz Deutschland (BUND), die Bundesvereinigung gegen Fluglärm (BVF), der ökologische Verkehrsclub (VCD), Germanwatch, der Naturschutzbund Nabu und der Dachverband Deutscher Naturschutzring (DNR) kritisieren “Corsia” jedoch als “reine Augenwischerei und völlig unzureichend.”

Quelle: Deutsche Welle, Autorin: Anna Carthaus