Der Himmel beginnt sich für Wasserstoff aufzuklären

Das 19-sitzige Propellerflugzeug Dornier 228, das in den kalten blauen Januarhimmel startete, sah auf den ersten Blick gewöhnlich aus. Der linke Propeller wurde jedoch von einem 2-Megawatt-Elektromotor angetrieben, der von zwei Wasserstoff-Brennstoffzellen angetrieben wurde – die rechte Seite wurde von einem Standard-Kerosinmotor angetrieben – was es zum bislang größten mit Wasserstoff geflogenen Flugzeug machte. Val Miftakhov, Gründer und CEO von ZeroAvia, dem kalifornischen Startup hinter dem 10-minütigen Testflug in Gloucestershire, England, nannte es einen „historischen Tag für nachhaltige Luftfahrt“.

Universal Hydrogen mit Sitz in Los Angeles plant, bis Ende Februar ein wasserstoffbetriebenes Flugzeug mit 50 Sitzplätzen zu testen. Beide Unternehmen versprechen kommerzielle Flüge mit nachgerüsteten Turboprop-Flugzeugen bis 2025. Der französische Luftfahrtgigant Airbus geht mit einem für 2026 geplanten Demonstrationsflug seines legendären Passagierflugzeugs A380 noch einen Schritt weiter, das mit Wasserstoff-Brennstoffzellen und der direkten Verbrennung von Wasserstoff in einem Triebwerk fliegen wird. Und Rolls Royce macht Fortschritte bei Flugzeugtriebwerken, die reinen Wasserstoff verbrennen.

Die Luftfahrtindustrie, die für rund 2,5 Prozent der weltweiten CO2-Emissionen verantwortlich ist, hat sich verpflichtet, bis 2050 Netto-Null-Emissionen zu erreichen. Um dorthin zu gelangen, sind mehrere Routen erforderlich, darunter nachhaltige Treibstoffe, Hybrid-Elektromotoren und batterieelektrische Flugzeuge.

Wasserstoff ist ein weiterer möglicher Weg. Unabhängig davon, ob es zur Stromerzeugung in Brennstoffzellen oder bei der Verbrennung in einem Motor verwendet wird, verbindet es sich mit Sauerstoff und gibt Wasserdampf ab. Wenn sich grüner Wasserstoff für Lastkraftwagen und Schiffe durchsetzt, könnte er ein kostengünstiger Kraftstoff ohne die Umweltprobleme von Batterien sein.

Das Fliegen mit Wasserstoff bringt Herausforderungen bei der Speicherung und Flugzeugzertifizierung mit sich, aber Luftfahrtunternehmen bereiten jetzt den Weg für den Wasserstoffflug bis 2035. „Wasserstoff ist auf dem Weg in den Himmel, und wir werden ihn dorthin bringen“, sagt Amanda Simpson, Vize Präsident für Forschung und Technologie bei Airbus Americas.

Wasserstoff ist das am häufigsten vorkommende Element und gleichzeitig auch das leichteste – ein Schlüsselfaktor für eine Industrie, die gegen die Schwerkraft ankämpft –, da es dreimal so viel Energie wie Kerosin enthält, gemessen am Gewicht. Das Problem bei Wasserstoff ist sein Volumen. Für den Transport muss es entweder als komprimiertes Hochdruckgas oder als kryogene Flüssigkeit in schweren Tanks gelagert werden.

ZeroAvia verwendet komprimiertes Wasserstoffgas, da es bereits für den Straßentransport zugelassen ist. Das Testflugzeug hatte zwei Wasserstoff-Brennstoffzellen und Tanks in der Kabine, aber das Team denkt jetzt kreativ über ein kompaktes System mit minimalen Änderungen am Flugzeugdesign nach, um die Zertifizierung in den Vereinigten Staaten und Europa zu beschleunigen. Das zusätzliche Gewicht der Brennstoffzellen könnte die Flugreichweite verringern, aber „das ist kein Problem, denn Flugzeuge sind dafür ausgelegt, viel weiter zu fliegen, als sie genutzt werden“, sagt James McMicking, Vizepräsident für Strategie.

Das Unternehmen wird von Investoren unterstützt, zu denen Bill Gates und Jeff Bezos gehören; Partnerschaften mit British Airways und United Airlines; und 1.500 Vorbestellungen für sein wasserstoffelektrisches Antriebssystem, die Hälfte davon für kleinere 9- bis 19-Sitzer mit einer Reichweite von 400 Kilometern.

Bis 2027 plant ZeroAvia den Umbau größerer, in Europa weit verbreiteter Turboprop-Flugzeuge mit 70 Sitzplätzen und doppelter Reichweite. Das Unternehmen entwickelt dafür 5-MW-Elektromotoren und plant die Umstellung auf flüssigen Wasserstoff mit höherer Energiedichte, um Platz und Gewicht zu sparen. Der Treibstoff sei für die Luftfahrtindustrie neu und könnte einen längeren behördlichen Genehmigungsprozess erfordern, sagt McMicking.

Als nächstes kommt ein 10-MW-Antriebsstrang für Flugzeuge mit 100 bis 150 Sitzplätzen, „die Arbeitspferde der Branche“, sagt er. Diese Flugzeuge – man denke an die Boeing 737 – sind für 60 Prozent der Luftverkehrsemissionen verantwortlich. Um den Wasserstoffverbrauch einzudämmen, sind weitaus effizientere Brennstoffzellen erforderlich. Laut McMicking arbeitet ZeroAvia dafür an proprietären Hochtemperatur-Brennstoffzellen mit der Möglichkeit, die großen Mengen an erzeugter Abwärme wiederzuverwenden. „Wir haben Designs und eine Technologie-Roadmap, die uns in das Leistungsspektrum von Strahltriebwerken führt“, sagt er.

Universeller Wasserstoff

Universal Hydrogen, zu dessen strategischen Investoren Airbus, GE Aviation und American Airlines zählen, setzt auf flüssigen Wasserstoff. Das Startup, „im Kern ein Wasserstoffversorgungs- und Logistikunternehmen“, möchte ein nahtloses Liefernetzwerk für die Wasserstoffluftfahrt sicherstellen, während diese an Fahrt gewinnt, sagt Gründer und CEO Paul Eremenko. Das Unternehmen beschafft grünen Wasserstoff, wandelt ihn in Flüssigkeit um und füllt ihn in relativ einfache, isolierte Aluminiumtanks, die es per Straße, Schiene oder Schiff liefert. „Wir wollen, dass sie von der Federal Aviation Administration für 2025 zertifiziert werden, was bedeutet, dass es sich nicht um ein wissenschaftliches Projekt handeln kann“, sagt er.

Bis 2025 sollen die Kosten für grünen Wasserstoff auf dem Niveau von Kerosin liegen, sagt Eremenko. Aber „es gibt niemanden da draußen, der eine unglaubliche Wasserstoff-Flugzeuglösung hat.“ Es ist ein Henne-Ei-Problem.“

Um es zu knacken, hat sich Universal Hydrogen mit dem führenden Brennstoffzellenhersteller Plug Power zusammengetan, um einige tausend Umrüstsätze für regionale Turboprop-Flugzeuge zu entwickeln. Bei den Bausätzen wird der Motor in seinem stromlinienförmigen Gehäuse (auch Gondel genannt) gegen einen Brennstoffzellenstapel, Leistungselektronik und einen 2-MW-Elektromotor ausgetauscht. Während die Konkurrenten des Unternehmens während des Starts Batterien als Puffer verwenden, verwendet Universal laut Eremenko intelligente Algorithmen, um Brennstoffzellen zu verwalten, damit sie hochfahren und schnell reagieren können. „Wir sind die Nespresso des Wasserstoffs“, sagt er. „Wir kaufen den Kaffee anderer Leute, füllen ihn in Kapseln und liefern ihn an die Kunden. Aber wir müssen die erste Kaffeemaschine bauen. Wir sind das einzige Unternehmen, das Huhn und Ei gleichzeitig ausbrütet.“

Diese Darstellung eines Airbus A380-Demonstrationsflugs (derzeit für 2026 geplant) zeigt aktuelle Entwürfe eines Flugzeugs, das mit Brennstoffzellen und durch die direkte Verbrennung von Wasserstoff im Triebwerk fliegen soll. Airbus

Brennstoffzellen haben gegenüber einem großen Zentralmotor einige Vorteile. Sie ermöglichen es Herstellern, kleinere Antriebsmotoren über ein Flugzeug zu verteilen, was ihnen mehr Gestaltungsfreiheit gibt. Und da keine beweglichen Teile vorhanden sind, die hohe Temperaturen erreichen, können die Wartungskosten geringer sein. Für Langstreckenflugzeuge machen Wasserstoffverbrennungsmotoren jedoch aufgrund des Gewichts und der Komplexität leistungsstarker Brennstoffzellen attraktiv.

Airbus erwägt sowohl Brennstoffzellen- als auch Verbrennungsantriebe für sein Wasserstoffflugzeugsystem ZEROe. Das Unternehmen hat eine Partnerschaft mit dem deutschen Brennstoffzellenhersteller Elring Klinger und für Direktverbrennungsmotoren mit CFM International, einem Joint Venture zwischen GE Aviation und Safran, geschlossen. Die Verbrennung von flüssigem Wasserstoff in heutigen Motoren erfordert voraussichtlich noch geringfügige Modifikationen, etwa eine kürzere Brennkammer und bessere Dichtungen.

Airbus evaluiert außerdem Hybridantriebskonzepte mit einer von einem Wasserstoffmotor angetriebenen Turbine und einem von einer Wasserstoff-Brennstoffzelle angetriebenen Motor auf derselben Welle, sagt Simpson von Airbus Americas. „Dann kann man es so optimieren, dass man beide Antriebssysteme für Start und Steigflug nutzt und dann eines für den Reiseflug abschaltet.“

Das Unternehmen beschränkt sich nicht nur auf die einfache Neugestaltung von Flugzeugen. Wasserstofftanks könnten in einer Kuppel oben auf dem Flugzeug, in Kapseln unter den Flügeln oder in einem großen Tank hinten gelagert werden, sagt Simpson. Ohne flüssigen Treibstoff in den Flügeln, wie bei herkömmlichen Flugzeugen, sagt sie: „Man kann die Flügel hinsichtlich der Aerodynamik optimieren, sie dünner oder länger machen.“ Oder vielleicht ein Blended-Wing-Körper, der ganz anders sein könnte. Dies eröffnet die Möglichkeit, Flugzeuge hinsichtlich ihrer Effizienz zu optimieren.“ Die Zertifizierung solcher neuen Flugzeuge könnte Jahre dauern, und Airbus rechnet erst 2035 mit kommerziellen Flügen.

Konventionelle Flugzeuge, die heute hergestellt werden, werden angesichts ihrer Lebensdauer von 25 bis 30 Jahren auch im Jahr 2050 verfügbar sein, sagt Robin Riedel, Analyst bei McKinsey & Co. Nachhaltige Treibstoffe sind dafür die einzige umweltfreundliche Option. Er sagt, dass Wasserstoff dort eine Rolle spielen könnte, und zwar durch „Power-to-Liquid-Technologie, bei der man Wasserstoff und abgeschiedenes Kohlendioxid mischen kann, um Flugtreibstoff herzustellen.“

Selbst dann glaubt Riedel, dass Wasserstoff bis 2050 wahrscheinlich nur ein kleiner Teil der Nachhaltigkeitslösung der Luftfahrt sein wird. „Bis 2070 wird Wasserstoff eine viel größere Rolle spielen“, sagt er. „Aber wir müssen jetzt mit Wasserstoff durchstarten.“ Das Geld, das Airbus und Boeing in Wasserstoff stecken, sei nur ein kleiner Bruchteil der Luft- und Raumfahrt, sagt er, aber große Fluggesellschaften, die in Wasserstoffunternehmen investieren oder Antriebsstrangbestellungen aufgeben, „zeigen, dass es einen Wunsch gibt.“

Die Luftfahrtindustrie müsse aufräumen, wenn sie wachsen wolle, sagt Simpson. Biokraftstoffe sind ein Sprungbrett, denn sie reduzieren nur den CO2-Ausstoß und nicht andere schädliche Emissionen. „Wenn wir zu einer sauberen Luftfahrt übergehen wollen, müssen wir alles von Grund auf überdenken, und genau das macht ZEROe“, sagt sie. „Dies ist eine Gelegenheit, keinen evolutionären, sondern einen wirklich revolutionären Wandel herbeizuführen.“

Dieser Artikel erscheint in der Printausgabe vom April 2023 mit dem Titel „Wasserstoffbetriebener Flug zum Start freigegeben“.