Klimaneutrales Fliegen in weiter Ferne

Wasserstoff-Flugzeuge und E-Fuels könnten den Flugverkehr klimafreundlicher machen. Sie würden aber gigantische Mengen Strom benötigen.


Luftaufnahme vom Flughafen Berlin Brandenburg, zahlreiche Flugzeuge stehen aufgereiht neben der großen Halle.
Neue Flughäfen – hier der Berliner BER – werden nicht zu langsam fertig, sondern zu schnell. Denn klimaneutral wird der Flugverkehr wohl nur durch Schrumpfen. (Foto: Mario Hagen/​Pixabay)

Fliegen gehört zu den klimaschädlichsten Formen der Fortbewegung. Nachdem die Branche das Problem lange Zeit entweder ignoriert hat oder maximal kleine, symbolische Maßnahmen dagegen ergriff, gab es zuletzt einige Ankündigungen, die aufhorchen ließen. Airbus möchte bis 2035 wasserstoffbasierte Flugzeuge auf den Markt bringen und das Bundeswirtschaftsministerium initiierte kürzlich einen runden Tisch für emissionsfreies Fliegen.

Als Treibstoff für Flugzeuge wird heute fast ausschließlich fossiles Kerosin genutzt. Der Flugverkehr ist damit für etwa 2,5 Prozent der weltweiten Kohlendioxid-Emissionen verantwortlich. Doch nur auf die CO2-Emissionen zu schauen ist irreführend. Denn Flugzeuge tragen auf verschiedene Arten zur Beschleunigung der Klimakrise bei. 

Neben dem reinen Kohlendioxid-Ausstoß sorgen auch von Flugzeugen ausgestoßener Ruß, Lachgas und Wasserdampf für einen Erwärmungseffekt. Und nicht alle diese Emissionen würden bei Alternativtechnologien verschwinden, einige würden sogar ansteigen.

Unsicherheit über Klimaschäden

Dabei gibt es große Unsicherheiten, wie hoch die Gesamt-Klimabilanz des Flugverkehrs überhaupt ist. In einer Studie des EU-Forschungsprojekts Clean Sky ist davon die Rede, dass der weltweite Flugverkehr zwischen drei und sieben Prozent des weltweiten Treibhausgas-Ausstoßes zu verantworten hat.

Besonders viel Unsicherheit gibt es bei der Wirkung von Kondensstreifen, die durch den ausgestoßenen Wasserdampf entstehen.

Bei der Erforschung alternativer Antriebe ist daher auch ein besseres wissenschaftliches Verständnis der Klimaauswirkungen von Wasserdampf und Kondensstreifen wichtig. Neben einer besseren Abschätzung der Auswirkungen des Flugverkehrs könnte das dabei helfen, durch Optimierung von Flugrouten die Klimaauswirkungen von Flügen zu reduzieren.

Zu den denkbaren Varianten, den Flugverkehr weniger klimaschädlich zu gestalten, gehören batteriebetriebene Flugzeuge, wasserstoffbasierte Flugzeuge, die wiederum entweder mit Brennstoffzellen oder Wasserstoff-Turbinen angetrieben werden, sowie alternative Kraftstoffe, die auch in herkömmlichen Flugzeugen genutzt werden können. Für Letzteres kommen entweder Kraftstoffe aus Biomasse infrage oder E-Fuels, die mithilfe von Strom erzeugt werden.

Daneben besteht natürlich die Möglichkeit, Alternativen zum Flugverkehr zu entwickeln. Auf kürzeren Strecken können Hochgeschwindigkeitszüge eine Alternative sein und es besteht die Hoffnung, dass die Verbreitung von Digitaltools und Videokonferenzen manchen Flug überflüssig machen kann.

Batterieflugzeuge nur auf Kurzstrecken

Es mag zunächst attraktiv erscheinen, Flugzeuge rein elektrisch mit einer Batterie zu betreiben. Das Flugzeug selbst würde überhaupt keine Emissionen ausstoßen und wenn der Strom aus erneuerbaren Energien kommt, wären solche Flugzeuge im Betrieb fast klimaneutral. Zudem entstehen bei der Speicherung von Strom in Batterien, anders als etwa bei Wasserstoff, nur geringe Umwandlungsverluste.

Jedoch sind Batterien verhältnismäßig schwer pro enthaltener Energieeinheit. Das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) geht in einem Whitepaper davon aus, dass batterieelektrische Antriebe höchstens für Flüge unter 300 Kilometer infrage kommen. Andere Abschätzungen sind etwas optimistischer.

Ambitionierte Pläne für den elektrischen Flugverkehr hat man in Norwegen. Das Land hat angekündigt, spätestens 2040 sämtliche Inlandsflüge elektrisch abzuwickeln. Vor allem im Norden von Norwegen spielen kleine Kurzstrecken-Flugzeuge eine wichtige Rolle für den Inlandsverkehr.

Laut einem kürzlich von der norwegischen Luftfahrtbehörde Luftfartstilsynet und der nationalen Fluggesellschaft Avinor veröffentlichten Bericht geht man dort davon aus, dass in einem ersten Schritt bis 2030 Flugzeuge mit 350 bis 400 Kilometern Reichweite in Betrieb gehen könnten.

Allerdings sollen das lediglich kleine Maschinen mit Platz für 19 Passagiere sein. Für längere Flüge sieht man die Notwendigkeit, eine höhere Reichweite beispielsweise durch wasserstoffbetriebene Brennstoffzellen zu erreichen.

Die Reichweite batteriebetriebener Flugzeuge wird also voraussichtlich sehr begrenzt sein – zumindest solange es keine großen und bisher nicht erwarteten Durchbrüche bei der Batterieentwicklung gibt.

In vielen Fällen ist es bei diesen Distanzen vermutlich leichter, die Flüge durch Alternativen wie etwa ein gut ausgebautes Netz von Hochgeschwindigkeits- und Nachtzügen zu ersetzen. Die zeitlichen Vorteile des Fliegens sind auf diesen Distanzen gering und strombetriebene Züge sind effizienter.

Mit Wasserstoff über den Atlantik

Für etwas höhere Reichweiten wird viel Hoffnung in Wasserstoff als Flugtreibstoff der Zukunft gesetzt. Der Flugzeugbauer Airbus hatte zuletzt Pläne angekündigt, bis 2035 wasserstoffbetriebene Flugzeuge auf den Markt zu bringen. Airbus hat hierfür drei Varianten vorgestellt, allerdings gibt es zu den Konzepten bisher nur spärliche Informationen.

Grundsätzlich werden zwei Möglichkeiten diskutiert, wie man Wasserstoff in Flugzeugen nutzen kann. Eine Möglichkeit ist, mit dem Wasserstoff direkt eine Turbine anzutreiben. Das ist technisch näher an existierenden Flugzeug-Antrieben und daher möglicherweise leichter realisierbar.

Alternativ kann man in elektrisch betriebenen Flugzeugen den Strom mit einer Brennstoffzelle erzeugen. Kombinationen aus beiden Varianten sind ebenfalls denkbar.

Bei gleichem Energiegehalt ist Wasserstoff leichter als Kerosin. Allerdings braucht der Wasserstoff mehr Platz. Prinzipiell kann er gasförmig gespeichert werden, was besonders viel Platz benötigt, oder verflüssigt in Hochdrucktanks. In beiden Fällen ist aber klar: Der Platz dafür muss im Flugzeug geschaffen werden.

Außerdem wird auch bei Wasserstoff-Flugzeugen die Reichweite wohl begrenzt bleiben. Die größte Variante der geplanten Airbus-Flieger soll eine Distanz von 3.700 Kilometern schaffen. Für den Flugverkehr innerhalb Europas oder innerhalb der Vereinigten Staaten würde das in den meisten Fällen ausreichen, Transatlantikflüge sind damit aber nicht drin.

Ein Forschungsprojekt der EU geht in einem Szenario von optimistischeren Reichweiten aus. Demnach könnten Flüge von bis zu 10.000 Kilometern mit Wasserstoff betrieben werden. Damit wäre immerhin ein Flug von Deutschland an die US-Ostküste denkbar.

Weitere Strecken, etwa von Deutschland an die US-Westküste oder nach China, sind aber wahrscheinlich mit Wasserstoff einfach nicht zu realisieren.

CO2-frei, aber nicht klimaneutral

Mit Wasserstoff betriebene Flugzeuge würden beim Fliegen kein Kohlendioxid ausstoßen. Wenn zudem Wasserstoff in einer Elektrolyseanlage mit erneuerbaren Energien hergestellt wird, entsteht auch bei der Produktion fast kein Kohlendioxid.

Das allein ist aber eine große Herausforderung, bisher spielt dieser sogenannte grüne Wasserstoff kaum eine Rolle. Wasserstoff wird heute üblicherweise mit einem Verfahren namens Dampfreformierung aus Erdgas gewonnen – mit hohen CO2-Emissionen.

Emissionen von Ruß würden bei wassertoffbasierten Flugzeugen vollständig vermieden werden. Die Lachgas-Emissionen wären bei Turbinen geringer als bei vergleichbaren Kerosinflugzeugen, bei Brennstoffzellen entsteht überhaupt kein Lachgas.

Der Ausstoß von Wasserdampf würde nach Schätzungen des Clean-Sky-Projekts etwa das Zweieinhalbfache eines vergleichbaren mit Kerosin betriebenen Flugzeuges betragen.

Wie erwähnt, gibt es bei den Auswirkungen des Wasserdampfs auf Wolkenbildung und Kondensstreifen besonders viele Unsicherheiten.

Wenn Wasserstoffflugzeuge tatsächlich realisiert werden, ist es daher besonders wichtig, hier mehr Klarheit zu schaffen und die Forschung voranzutreiben. Zumindest theoretisch bestünde auch die Möglichkeit, den Wasserdampf aufzufangen, zu kühlen und anschließend als reines Wasser mitzutransportieren.

Bislang existieren Wasserstoffflugzeuge abgesehen von einigen sehr kleinen Modellen nur als Konzept. Um sie in die Luft zu bringen, sind viele Herausforderungen zu bewältigen, nicht nur in der Konstruktion selbst, sondern auch in der entsprechenden Infrastruktur.

Grüner Wasserstoff müsste in großen Mengen produziert und an die Flughäfen transportiert werden. Alternativ könnte er auch direkt vor Ort produziert werden, dafür werden dann aber große Mengen Strom benötigt.

Eine große Herausforderung für alle komplett neuen Antriebe sind auch die Zulassung und die entsprechenden Sicherheitszertifikate. Parallel zur Entwicklung entsprechender Flugzeuge müssten auch staatliche Regulierungsbehörden entsprechende Zulassungsprozesse entwickeln, da diese bisher auf die völlig neuen Technologien nicht eingestellt sind.

Agrokraftstoffe sind zu Recht in Verruf geraten

All diese Varianten haben gemeinsam, dass sie noch sehr weit von einer Realisierung entfernt sind. Neben den Ansätzen mit komplett neuen Antrieben gibt es auch die Möglichkeit, Kerosin durch vergleichbare ökologisch produzierte Treibstoffe zu ersetzen.

Der Vorteil: Solche Treibstoffe unterscheiden sich chemisch kaum von Kerosin und können bereits jetzt in heute verfügbaren Flugzeugen genutzt werden. In geringem Maße geschieht das bereits.

Eine Möglichkeit hierfür sind Biokraftstoffe, die aber aus gutem Grund in den letzten Jahren stark in Verruf geraten sind. Theoretisch können Biokraftstoffe CO2-neutral sein. Pflanzen nehmen während ihres Wachstums so viel Kohlendioxid auf wie beim Verbrennen wieder freigegeben wird.

Doch das funktioniert nur, wenn die Anbaubedingungen der Pflanzen entsprechend ökologisch verträglich sind. Wenn, wie es in der Vergangenheit häufig geschehen ist, Regenwälder für die Produktion von Palmöl abgeholzt werden, wird die Klimabilanz sehr schnell katastrophal.

Relativ unproblematisch ist es, Biomasse zu nutzen, die anderswo als Abfallprodukt entsteht, etwa bei der Lebensmittelproduktion.

Klar ist aber: Die Menge an Biomasse, die ökologisch verantwortbar genutzt werden kann, wird sehr gering bleiben, und in vielen anderen Branchen kommt Biomasse ebenfalls als Alternative zu fossilen Brennstoffen infrage. Den gesamten Flugverkehr damit zu betreiben ist daher völlig unrealistisch.

Für das Fliegen den Weltstromverbrauch verdoppeln?

Eine weitere mögliche Alternative sind elektrisch erzeugte synthetische Kraftstoffe, häufig auch E-Fuels genannt. Dabei wird mithilfe von Strom zunächst Wasserstoff erzeugt und daraus zusammen mit Kohlendioxid Kohlenwasserstoffe.

Das Kohlendioxid kann dabei entweder aus Industrieanlagen oder Kraftwerken kommen oder direkt aus der Luft gefiltert werden. Langfristig kommt in einer klimaneutralen Wirtschaft nur Letzteres infrage.

Der große Nachteil der E-Fuels: Die Herstellung ist sehr ineffizient und damit energieaufwändig. Betont wird das häufig in der Diskussion um E-Fuels im Autoverkehr, doch natürlich gilt das im Flugverkehr genauso. Die Strommengen, die man bräuchte, wären schwindelerregend hoch.

Das Clean-Sky-Forschungsprojekt hat Modellrechnungen für zwei Szenarien angestellt, die davon ausgehen, dass der zukünftige Flugverkehr auf Strecken bis 10.000 Kilometer Wasserstoff nutzt und für längere Strecken E-Fuels.

Bei einem Szenario mit einem extrem schnellen Umstieg auf Wasserstoffflugzeuge würden 2050 insgesamt 21 Petawattstunden Strom pro Jahr benötigt, bei einem weniger ambitionierten Szenario mit einem höheren E-Fuels-Anteil 28 Petawattstunden.

Der jeweils größte Teil davon entfällt auf die energieintensive Produktion der E-Fuels. Wenn man ausschließlich auf E-Fuels setzt, bräuchte man sogar 32 Petawattstunden.

Zum Vergleich: Die weltweite Stromproduktion betrugt 2018 etwa 26 Petawattstunden. Sprich: Um den Flugverkehr zu betreiben, gehen diese Szenarien davon aus, dass allein dafür 2050 fast so viel klimafreundlich erzeugter Strom bereitsteht, wie heute insgesamt weltweit an Strom aus allen Quellen zusammen erzeugt wird. Ob das realistisch ist, daran kann man wohl Zweifel haben.

Muss der Flugverkehr immer weiter wachsen?

In den Szenarien des Clean-Sky-Projekts wird davon ausgegangen, dass der Flugverkehr weiter dauerhaft anwächst – um vier Prozent pro Jahr. Das ist geringer als das Wachstum in den vergangenen Jahren vor der Corona-Krise. Insgesamt würde das aber bedeuten, dass 2050 mehr als dreimal so viel Flugverkehr wie 2019 stattfindet.

Varianten, bei denen der Flugverkehr nicht wächst oder sogar reduziert wird, wurden vom Clean-Sky-Projekt nicht betrachtet.

Auf Nachfrage teilte das Clean-Sky-Projekt mit, dass die Wachstumsraten aus den Szenarien der internationalen Zivilluftfahrt-Organisation ICAO zugrunde gelegt wurden. "Es gibt keine allgemein akzeptierten Projektionen, die ein Nullwachstum oder ein langfristiges Negativwachstum für den Sektor annehmen", schrieb Clean Sky dazu.

Ob bei einer Umstellung auf alternative Antriebe ein dauerhaft so hohes Wachstum des Flugverkehrs realistisch ist, erscheint fragwürdig.

Insbesondere bei E-Fuels muss man wohl davon ausgehen, dass diese auch langfristig relativ teuer sein werden. Bei einer ernstzunehmenden Klimapolitik könnte das Wachstum des Flugverkehrs durch die höheren Preise automatisch begrenzt werden.

Eine Schrumpfung des Flugverkehrs wird von einigen Umweltgruppen gefordert, etwa von dem internationalen Netzwerk Stay Grounded, das dazu kürzlich einen Bericht herausgegeben hat.

Doch es sind nicht nur Umweltorganisationen, die sich eine Reduktion des Flugverkehrs zumindest vorstellen können.

Ambitioniertes IEA-Szenario geht von sinkendem Flugverkehr aus

Von einer eher unerwarteten Seite wurde kürzlich eine deutliche Reduktion des Flugverkehrs ins Gespräch gebracht. Die Internationale Energieagentur IEA hat in ihrem jüngsten Jahresbericht, dem World Energy Outlook, ein Energie-Szenario berechnet, bei dem Treibhausgase vergleichsweise schnell reduziert werden.

Es ist das einzige von der IEA betrachtete Szenario, das mit dem Pariser Klimaschutzabkommen zumindest ansatzweise vereinbar wäre.

In diesem Szenario geht die Energieagentur davon aus, dass ein großer Teil der Emissionsreduktion durch Verhaltensänderungen erreicht wird. Eine wichtige Rolle spielt dabei der Flugverkehr. Die IEA rechnet damit, dass Kurzstreckenflüge unter einer Stunde komplett durch Alternativen ersetzt und die Zahl der Langstreckenflüge drastisch reduziert wird.

Wie die IEA betont, tragen Langstreckenflüge überdurchschnittlich viel zum Klimawandel bei, da sie das zusätzliche Gewicht für den Treibstoff mittragen müssen. 

"Obwohl weniger als vier Prozent aller Flüge länger als sechs Stunden dauern, waren sie 2018 für mehr als ein Drittel der gesamten Kohlendioxid-Emissionen des Passagier-Flugverkehrs verantwortlich", heißt es dazu im World Energy Outlook.

Und man könnte ergänzen: Sie lassen sich besonders schwer durch alternative Antriebe ersetzen.

Bis alternative Flugzeugantriebe eine größere Rolle spielen, wird es wohl noch einige Zeit dauern. Dass jetzt Bewegung in die Sache kommt, ist sicher zu begrüßen. Es wird aber darauf ankommen, Wasserstoff- und Elektroflugzeuge nicht nur anzukündigen, sondern auch tatsächlich zu bauen.

Klar sein dürfte aber auch: Einen einfachen Ausweg aus dem Klimaproblem des Flugverkehrs bietet keine der angedachten Technologien.

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