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Ist klimaneutrales Fliegen möglich?

Forschende des Paul Scherrer Instituts PSI und der ETH Zürich haben berechnet, wie der Flugverkehr bis 2050 klimaneutral werden könnte. Ihr Ergebnis: Fossiles Kerosin durch künstlich hergestellten, nachhaltigen Treibstoff zu ersetzen, reicht alleine nicht. Zusätzlich notwendig wäre eine Reduktion des Flugverkehrs. Ihre Ergebnisse veröffentlichen die Forschenden heute im Fachmagazin Nature Communications.

Die EU soll bis 2050 klimaneutral werden. Dies hat das EU-Parlament 2021 vorgegeben. Die Schweiz verfolgt dieses Ziel ebenfalls. Dazu soll der Flugsektor, der 3,5 Prozent der globalen Klimaerwärmung verursacht, seinen Teil beitragen – zumal der Ausstoss an klimarelevanten Gasen beim Fliegen pro Personen- oder Frachtkilometer zwei bis dreimal höher ist als in anderen Verkehrssektoren. Die Internationale Zivilluftfahrtorganisation IACO und viele Airlines haben daher angekündigt, bis 2050 die CO2-Emissionen auf null zu reduzieren beziehungsweise Klimaneutralität anzustreben.

In einer neuen Studie haben Forschende des PSI und der ETH Zürich nun berechnet, ob und wie dies zu erreichen wäre. «Eine wichtige Frage dabei ist, was eigentlich genau mit null CO2 beziehungsweise Klimaneutralität gemeint ist», sagt Romain Sacchi vom Labor für Energiesystemanalysen des PSI, einer der beiden Hauptautoren der Studie. Wenn nur die CO2-Emissionen des Fliegens selbst gemeint seien, so ergänzt seine Co-Autorin Viola Becattini von der ETH Zürich, greife das viel zu kurz. Denn wenn man davon ausgeht, dass der Flugverkehr weiterhin wächst wie bisher, dann machen die reinen CO2-Emissionen der Flüge laut den Berechnungen bis 2050 nur etwa 20 Prozent des gesamten Klimaeffekts aus. Um den gesamten Flugbetrieb klimaneutral zu bekommen, dürften neben dem Fliegen nämlich auch die Produktion des Treibstoffs und die gesamte Luftfahrt-Infrastruktur das Klima nicht weiter belasten.

Dies, so hat die Studie ergeben, ist durch die bislang verfolgten Massnahmen zum Klimaschutz im Flugbetrieb bis 2050 allerdings nicht zu schaffen. «Neue Antriebe, klimaschonende Treibstoffe und das Herausfiltern von CO2 aus der Atmosphäre, um es unterirdisch zu speichern (Carbon Capture and Storage, kurz: CCS) werden uns allein nicht ans Ziel bringen», sagt Marco Mazzotti, Professor für Verfahrenstechnik an der ETH. «Wir müssen zusätzlich den Flugverkehr reduzieren.»

Nicht-CO2-Effekte spielen eine grosse Rolle
Für ihre Studie haben Sacchi und Becattini verschiedene Szenarien durchgespielt. Zum einen zeigte sich dabei, dass der Klimaeffekt durch die Infrastruktur, also den Bau der Flugzeuge sowie Bau und Betrieb der Flughäfen, zwar einkalkuliert werden muss, er jedoch insgesamt in der Zeit bis 2050 und darüber hinaus vergleichsweise gering ausfällt. Die Klimaeffekte des Fliegens selbst und der Emissionen durch Herstellung des Treibstoffes sind weitaus grösser. Das war soweit nichts Neues.

Weniger klar war zuvor die wichtige Rolle sogenannter Nicht-CO2-Effekte, die neben den reinen CO2-Emissionen auftreten: Der grössere Teil des Treibhauseffekts beim Fliegen entsteht nämlich nicht durch den Kohlenstoff, der über die Kerosinverbrennung in die Atmosphäre gelangt, sondern durch ebenfalls frei werdende Russpartikel und Stickoxide, die in der Luft zu Methan und Ozon reagieren, Wasserdampf und die Kondensstreifen, die zur Bildung von Zirruswolken in der oberen Atmosphäre führen. «Diese Faktoren werden bislang in vielen Analysen und «Net Zero»-Versprechen ausser Acht gelassen», sagt Romain Sacchi. „Oder nicht korrekt berechnet.»

Üblich ist es, solche Emissionen und Effekte in CO2-Äquivalente umzurechnen, um sie in die Bilanz einzubeziehen. «Doch die bisher dazu verwendeten Methoden und Werte haben sich als unzutreffend erwiesen», sagt Marco Mazzotti. «Wir sind deshalb präziser vorgegangen.» Die dabei angewendeten Verfahren berücksichtigen vor allem einen wesentlichen Unterschied zwischen den verschiedenen Faktoren: Die Nicht-CO2-Effekte sind viel kurzlebiger als CO2, sie werden daher auch «Short Lived Climate Forcers», kurz SLCF genannt – also «kurzlebige Klimatreiber». Während von dem emittierten Kohlendioxid etwa die Hälfte von Wäldern und Ozeanen absorbiert wird, bleibt die andere Hälfte für Tausende von Jahren in der Luft, verteilt sich und wirkt als Treibhausgas. Methan dagegen zum Beispiel ist viel klimawirksamer, baut sich aber binnen weniger Jahre ab, Kondensstreifen und daraus resultierende Wolken verflüchtigen sich gar in wenigen Stunden. «Das Problem ist, dass wir durch den zunehmenden Flugverkehr ständig mehr SLCF produzieren, sodass sie sich summieren, anstatt schnell wieder zu verschwinden. Dadurch entfalten sie ihr gewaltiges Treibhauspotenzial dann doch über längere Zeiträume», sagt Viola Becattini. Das sei wie in einer Badewanne, bei der sowohl der Abfluss als auch der Wasserhahn geöffnet ist: Solange der Wasserhahn mehr Wasser reinlässt, als durch den Abfluss entweichen kann, wird die Wanne immer voller – und irgendwann schwappt sie über.

Klimaschonender Treibstoff allein führt nicht zum Ziel – aber hilft
«Dieses Bild zeigt uns allerdings auch: Wir haben mit dem Flugaufkommen den entscheidenden Hebel in der Hand,» betont Romain Sacchi. «Indem wir weniger statt mehr fliegen, also quasi den Wasserhahn zu- statt aufdrehen, können wir die Atmosphäre regelrecht kühlen und den Treibhauseffekt des Flugverkehrs tatsächlich Richtung null drücken.» Was nicht bedeutet, dass wir den Flugbetrieb komplett einstellen müssen. Die Berechnungen der Studie zeigen: Wenn die Luftfahrt bis 2050 Klimaneutralität erreichen will, muss sie – im Zusammenspiel mit der Kohlendioxid-Speicherung im Untergrund – den Flugverkehr jedes Jahr um 0,8 Prozent verringern, falls wir bei fossilen Treibstoffen bleiben. Er läge dann 2050 bei etwa 80 Prozent des heutigen Aufkommens. Wenn es gelingt, auf klimaschonendere Treibstoffe, die auf Strom aus erneuerbaren Energien basieren, umzustellen, reichen 0,4 Prozent pro Jahr.

Diese neuen Treibstoffe hat die Studie ebenfalls genauer betrachtet. Forschende weltweit arbeiten daran, die herkömmlichen erdölbasierten Antriebe zu ersetzen. Ähnlich dem Strassenverkehr könnte das durch Elektrobatterien, Brennstoffzellen oder direkte Verbrennung von Wasserstoff geschehen. Deren Energiedichte reicht allerdings nur für kleine Flugzeuge auf kurzen Strecken, im Fall von Wasserstoff auch für mittelgrosse auf mittleren Strecken. Den Hauptteil des weltweiten Flugaufkommens und der Treibhausgasemissionen in der Luftfahrt machen jedoch grosse Flugzeuge auf der Langstrecke mit mehr als 4000 Kilometern aus.

Künstliches Kerosin hat Vor- und Nachteile
Hinzu kommt, dass in der Luftfahrt die Antriebstechnologien auf elektrischer oder Wasserstoffbasis bei Weitem noch nicht reif für einen breiten Einsatz sind. Als grosser Hoffnungsträger der Branche gilt daher sogenanntes Sustainable Aviation Fuel (SAF). Dabei handelt es sich um künstliches Kerosin, welches das erdölbasierte mehr oder minder eins zu eins ersetzen könnte, ohne das Turbinen und Flugzeuge neu konstruiert werden müssen.

SAF können aus CO2 und Wasser über eine Produktionskaskade hergestellt werden. Das CO2 lässt sich per sogenanntem Air-Capture-Verfahren aus der Luft einfangen, Wasserstoff kann durch Elektrolyse aus Wasser gewonnen werden. «Werden die dazu nötigen Prozesse ausschliesslich mit erneuerbarer Energie betrieben, ist SAF so gut wie klimaneutral», sagt Christian Bauer vom PSI-Labor für Energiesystemanalysen, der an der Studie beteiligt war. «Das macht uns unabhängiger von fossilen Energieträgern.» Ein weiterer Vorteil von SAF: Bei seiner Verbrennung entstehen weniger SLCF, die man kompensieren muss, indem entsprechende Mengen CO2 aus der Luft abgeschieden und unterirdisch eingelagert werden. Das ist auch deshalb relevant, weil die Speicherkapazitäten für CO2 begrenzt und nicht nur der Luftfahrtbranche vorbehalten sind.

Dreifach teurere Flugtickets
Doch SAF hat auch einen Nachteil, denn der Energieaufwand zur Herstellung ist weitaus grösser als bei herkömmlichem Kerosin. Das liegt vor allem daran, dass die Wasserstoffproduktion per Elektrolyse viel Strom braucht. Und dass bei jedem Produktionsschritt – Air Capture, Elektrolyse, Synthetisierung – Energieverluste auftreten. Der hohe Stromverbrauch wiederum bedingt einen erheblichen Einsatz von Ressourcen wie Wasser und Land. Zudem ist SAF teuer: Nicht nur der Strombedarf, sondern auch die Kosten der CO2-Abscheidung und Elektrolyse-Anlagen machen ihn etwa vier- bis siebenmal teurer als normales Kerosin. Mit anderen Worten: Der umfassende Einsatz von SAF macht CO2-neutrales Fliegen möglich, kostet aber mehr Ressourcen und Geld. Das Fliegen wird also noch teurer, als es ohnehin schon werden muss, um Klimaziele zu erreichen. «Wer heute ein Ticket kauft, kann seinen Flug gegen ein paar Euro Aufschlag angeblich CO2-neutral machen, indem dieses Geld in den Klimaschutz investiert wird», sagt Romain Sacchi. «Das ist allerdings Augenauswischerei, denn viele dieser Kompensationsmassnahmen sind wirkungslos. Um die tatsächliche Klimawirkung umfassend auszugleichen, müsste ein Ticket im Vergleich zu heute etwa das Dreifache kosten.»

«Eine derart heftige Preissteigerung sollte die Nachfrage nach Flügen in der Tat erheblich senken und uns dem Ziel der Klimaneutralität näher bringen», sagt Viola Becattini. Ausserdem sei zu erwarten, dass die Produktion von SAF im Laufe der Jahre mit zunehmender Menge günstiger und effizienter wird, was sich positiv auf die Klimabilanz auswirkt. Die Studie hat solche Dynamiken berücksichtigt – auch, dass sich der Strommix zur Produktion von SAF verändert–. Das unterscheidet sie von den meisten anderen Analysen.

«Unterm Strich gibt es für das Ziel, bis 2050 Klimaneutralität in der Luftfahrt zu erreichen, kein Wundermittel», sagt Sacchi. «Wir können nicht so weitermachen wie bisher. Doch wenn wir die Infrastruktur zur unterirdischen Speicherung von CO2 und zur Produktion von SAF zügig und effizient weiterentwickeln und gleichzeitig unseren Flugbedarf einschränken, kann es gelingen.» Quelle/engl.Originalversion: ‚Romain Sacchi, Viola Becattini et al., Paul-Scherrer-Institut / Nature communications‚. ‚Deutsche Übersetzung von Jan Berndorf‚.

Wie Wasserstoff die Luftfahrt revolutionieren könnte

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Womit werden Flugzeuge in Zukunft angetrieben? Die Luftfahrt-Branche wartet auf nichts weniger als eine Revolution. Die braucht sie dringend, um klimaneutral zu werden. Die derzeit gängigen Alternativen zu Kerosin sind Strom und Wasserstoff. Warum Elektro-Flugzeuge nur bedingt als Alternativen taugen, hat uns Luftfahrt-Experte Tobias Grosche vergangene Woche erklärt. Aber was ist mit Wasserstoff? Der Aviation-Professor an der Hochschule Worms erörtert im Gespräch mit Business Insider die beiden Möglichkeiten, Wasserstoff für den Flugzeugvortrieb zu nutzen.

Zum einen kann man Wasserstoff zusammen mit Luft im Triebwerk verbrennen. Dabei entstehe laut Grosche kein CO2, sondern nur Wasserdampf und andere Verbrennungsgase in minimaler Menge. Zum anderen könne man Wasserstoff in Elektrizität umwandeln. Dafür brauche man eine Brennstoffzelle, die Wasserstoff und Sauerstoff dafür nutzt, Strom zu erzeugen. Das Flugzeug wäre in der Folge leiser und es gäbe keine Kondensstreifen. Allerdings sei diese Technologie teuer und die Brennstoffzelle würde für zusätzliches Gewicht sorgen.

Wasserstoff braucht mehr Platz als Kerosin – aber woher nehmen?
Grundsätzlich sieht Tobias Grosche für beide Konzepte noch technische Hürden. Die eine Herausforderung betrifft die Infrastruktur am Boden; also die Tanks, Leitungen und die Art und Weise der Flugzeugbetankung – alles im Moment noch nicht eingestellt auf Wasserstoff. Die andere ist eine Frage des Designs: Wie kann, wie muss ein Flugzeug aussehen, das Wasserstoff benutzt?

„Es wird am Ende eine Frage des Platzes sein“, so Grosche. „Mit dem herkömmlichen Design des Flugzeugs wird es nicht klappen, denn Wasserstoff braucht mehr Volumen als Benzin und muss deshalb entweder komprimiert oder auf unter minus 200 Grad gekühlt werden.“ Grosche vermutet, dass man den Wasserstoff in kugel- oder zylinderförmigen Tanks mitnehmen muss. Die passen entweder in den Rumpf eines Flugzeuges (was Kapazität entweder von Passagieren oder Fracht reduzierte) – oder das Flugzeug muss anders designt werden. Nimmt man den Wasserstoff im Rumpf mit, so wie Airbus das mit einem der Flugzeuge aus der Wasserstoff-Konzeptreihe „ZEROe“ plant, wäre die Kapazität der Flugzeuge begrenzt. Außerdem wären die Reichweiten von Langstrecken-Flugzeugen mit herkömmlichen Antrieben wie dem Airbus A350 oder einer Boeing 747 nicht realisierbar.

Flugzeugbauer, Airlines, Flughäfen: Alle arbeiten gerade an Konzepten für eine Wasserstoff-Infrastruktur
Während Boeing sich bislang noch nicht zu einer Technologie bekannt hat, setzt Airbus mit seinem Konzept „ZEROe“ klar auf Wasserstoff – zumindest in der Theorie, so Grosche. „Beide Flugzeugbauer setzen vor allen Dingen darauf, die bestehenden Flugzeuge immer effizienter zu machen.“ Auch die Airlines wissen, dass sie sich nicht bis zu einer möglichen Fertigstellung eines Wasserstoff-Flugzeugs 2035 zurücklehnen können. Deshalb setzt die Branche bis dahin in erster Linie auf den Einsatz von nachhaltigen Kraftstoffen.

Die mögliche Umstellung auf Wasserstoff bringt ganz neue Geschäftsfelder mit sich. Wasserstoff erfordert eine andere Infrastruktur als fossile Kraftstoffe. Tobias Grosche weist zum Beispiel auf das amerikanische Unternehmen „Universal Hydrogen“ hin, das Wasserstoff in einem Behälter liefern kann, der ähnlich wie ein Frachtcontainer in Flugzeuge eingebaut werden kann.

Selbst wenn Airbus 2035 tatsächlich sein erstes Wasserstoff-Flugzeug auf den Markt bringt, sagt Tobias Grosche, werde es noch lange dauern, bis Airlines ihre Flotten vollständig umgestellt haben. Denn: Ein Flugzeug habe eine Lebensdauer von 20 bis 30 Jahren. Ob die Luftfahrt bis 2050 also wirklich CO2-neutral fliegen kann, bleibt nach wie vor ein Wettlauf gegen die Zeit. Außerdem weist Grosche darauf hin, dass Wasserstoff teuer und begrenzt ist – auch die ökonomische Perspektive ist für die Airlines, Stand heute, also noch herausfordernd. Quelle: ‚BusinessInsider‚.

Weniger Emissionen dank Biosprit

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In den frühen Morgenstunden sieht man sie derzeit am deutlichsten: Seitdem vom Frankfurter Flughafen aus wieder mehr Flugzeuge starten, verdichten sich am Himmel über Mainz die Kondensstreifen. Sie wirken ungefährlich, doch Klimaforschern bereiten sie schon lange Sorgen. Nicht, weil es sich dabei um sogenannte Chemtrails handeln würde, wie einige Verschwörungserzähler vermuten, sondern weil sie zur Klimaerwärmung beitragen. Denn: Kondensstreifen verursachen noch vor CO2 den größten Anteil zur Klimaerwärmung durch die Luftfahrt. Das haben Forschende des Deutschen Instituts für Luft- und Raumfahrtzentrum (DLR) gemeinsam mit der NASA herausgefunden.

Kondensstreifen werden zu „wärmenden“ Wolken
Während des Fliegens stoßen Flugzeuge schwarze Kohlenstoffpartikel – sogenannte Rußpartikel – aus, weil der Kraftstoff nicht vollständig verbrannt wird. Neben Ruß enthalten Flugzeugabgase auch Wasserdampf. In großer Höhe, wo die Luft sehr kalt ist, kondensiert das Wasser an den Partikeln und gefriert. In einer Höhe zwischen 8000 und 12.000 Metern entstehen Eiskristalle, die wir als Kondensstreifen sehen. Diese Eiskristalle können mehrere Stunden bestehen und hohe Wolken bilden – sogenannte Kondensstreifen-Zirren. Je nach Sonnenstand und Untergrund entfalten sie eine wärmende oder kühlende Wirkung. Forschungsarbeiten zeigen, dass global die wärmende Wirkung überwiegt.

Gemischter Treibstoff hilft dem Klima
Seit Jahren forschen Wissenschaftler des Deutschen Luft- und Raumfahrtzentrums (DLR) in Zusammenarbeit mit der NASA, ob Flugzeuge mit Biosprit umweltfreundlicher fliegen. Mit ihren Versuchen konnten die Wissenschaftler nachweisen, dass sich mit der Verwendung einer 50-50-Mischung aus Kerosin und nachhaltigem Treibstoff die Zahl der Eiskristalle in den Kondensstreifen um die Hälfte reduzieren lassen. „Wir konnten eindeutig nachweisen, dass weniger Rußpartikel durch nachhaltige Kraftstoffe in den Abgasen weniger Eiskristalle in Kondensstreifen zur Folge haben“, so Christiane Voigt vom DLR-Institut für Physik der Atmosphäre. „Eine geringere Anzahl von Eiskristallen verringert den durch Kondensstreifen verursachten zusätzlichen Energieeintrag in die Atmosphäre. Damit verringert sich die klimawärmende Wirkung der Kondensstreifen-Bewölkung deutlich.“ Die Wissenschaftler gehen davon von einem Prozentsatz um 20 bis 30 Prozent aus.

Fliegen für die Wissenschaft
Bereits 2018 hatten die Wissenschaftler die Versuche durchgeführt. Dazu flog das DLR-Forschungsflugzeug ATRA, ein Airbus A320, vom US-Militärstützpunkt Ramstein in Rheinland-Pfalz aus mit verschiedenen Kraftstoffmischungen über Deutschland. Ihm folgte mit ein bis zwei Minuten Verzögerung das Forschungsflugzeug CD-8 der NASA. Mit Hilfe von Messgeräten konnten die Wissenschaftler der NASA, des DLR sowie des Max-Planck-Instituts für Chemie Daten über Emissionen und Kondensstreifen erfassen. Sie probierten auch verschiedene Treibstoffmischungen aus – darunter ein nachhaltiger Biokraftstoff. Inzwischen gibt es einzelne Versuche der Airlines, ihre Flieger mit Biokraftstoff zu betanken. Im Mai 2021 kündigte Air France seinen ersten Langstreckenflug von Paris ins kanadische Montreal mit teilweise nachhaltigem Treibstoff aus Speiseöl an. Bei dem Testflug waren Kerosin und 16 Prozent Biokraftstoff im Tank. Bisher seien maximal 50 Prozent Biokraftstoff in Flugzeugen zugelassen, weiß Martin Kaltschmitt, Leiter des Instituts für Umwelttechnik und Energiewirtschaft der Technischen Universität Hamburg.

Herausforderung Kraftstoffentwicklung
Die größte Herausforderung auf dem Weg zum klimafreundlichen Fliegen sei die Entwicklung von Biosprit, sagen Wissenschaftler. Biokraftstoff, sogenannter Sustainable Aviation Fuel (SAF), wird derzeit vor allem aus alten Pflanzen- und Speiseölen hergestellt. Im Gegensatz zum herkömmlichen Kerosin auf Mineralölbasis werden Biokraftstoffe nicht subventioniert und sind noch wesentlich teurer, auch weil sie nur in geringen Mengen hergestellt werden können. „Biobasierende Treibstoffe werden nicht die einzige Lösung sein. Mit biobasierendem Sprit bekommen wir nicht die Menge, die es braucht“, meint Patrick Le Clercq, ECLIF-Projektleiter vom DLR-Institut für Verbrennungstechnik in Stuttgart. Die Zukunft liege ebenso beim Wasserstoff, glaubt Le Clerq. In weiteren Versuchen wollen die Wissenschaftler vom DLR und der NASA nun untersuchen, wie sich hundertprozentiger Biokraftstoff auf die Atmosphäre auswirkt. Quelle: ‚Tagesschau.de‚.