Die Zukunft des Fliegens - Drei Energie-Futures (elektrisch, Wasserstoff oder einfach weniger?)

04. February 2020 von John Armstrong
Die Zukunft des Fliegens - Drei Energie-Futures (elektrisch, Wasserstoff oder einfach weniger?)

Jede Minute heben 84 Flüge irgendwo auf der Welt ab, und mehr als 4 Milliarden Reisen werden mit dem Flugzeug unternommen. Dabei werden jährlich fast 300 Millionen Tonnen Flugzeugtreibstoff verbrannt, was 2,7 % der weltweiten CO2-Emissionen ausmacht. Es wird erwartet, dass sich der weltweite Flugverkehr in den nächsten zwei Jahrzehnten verdoppeln wird! (also eine ziemlich große Lücke zu meiner Vorhersage einer Reduzierung um 50 %!) Die grundlegende Herausforderung bei der Dekarbonisierung des Flugverkehrs ist die Energiedichte der Speicherung. Gegenwärtig können Lithium-Eisen-Batterien etwa 250Wh pro kg speichern, was 30 Mal weniger dicht ist als Flugzeugtreibstoff. Das Gewicht der Batterien schränkt die Möglichkeiten von

die Fähigkeit größerer Flugzeuge, überhaupt vom Boden abzuheben, geschweige denn eine Nutzlast zu transportieren! Für größere Flugzeuge mögen alternative Kraftstoffe wie Wasserstoff mit höherer Energiedichte sinnvoller sein als die Elektrifizierung - aber ohne signifikante regulatorische Eingriffe werden sie unsere bestehende, kohlenwasserstoffhungrige Flotte in absehbarer Zeit nicht ersetzen! um die Dekarbonisierung der Lang- (oder Kurzstrecken-) Luftfahrt zu erreichen.


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In meinem Blog über dieZukunft der Energie habeich eine sehr kühne Behauptung aufgestellt, dass der Flugverkehr bis 2030 um 50 % reduziert wird. Viele Kommentare zu dem Artikel informierten mich, dass ich wahrscheinlich falsch lag - und das brachte mich zum Nachdenken. Bei meinen anderen Vorhersagen gibt es einen ziemlich klaren Weg zur Dekarbonisierung, d.h. Wärme wird durch Wärmepumpen ersetzt undAutos durch elektrische Batterien (mit etwas Wasserstoff für den Frachtverkehr). Beim Flugverkehr scheint es nicht so klar zu sein - im Moment gibt es keine leicht verfügbare und technisch erprobte Option für Flugreisen.

Jede Minute heben 84 Flüge irgendwo auf der Welt ab, wobei über 4 MilliardenReisen mit dem Flugzeug unternommen werden. Jährlich werden fast 300Millionen Tonnen Kerosin verbrannt, was 2,7 Prozent der globalen CO2-Emissionen ausmacht, und es wird erwartet, dass sich der weltweite Flugverkehr in den nächsten zwei Jahrzehnten verdoppelt! (also eine ziemlich große Lücke zu meiner Vorhersage einer Reduzierung um 50 %!) Das ist kein Problem, das einfach so verschwinden wird!

In letzter Zeit habe ich mich sehr über die Entwicklung kleinerElektroflugzeuge wie Alice gefreut, die mit einerBatterietechnologie aus dem Automobilbereich in der Lage sind, mit einer Ladung vernünftige Entfernungen zurückzulegen - und ein paar Passagiere zu befördern. Es gab auch einige ziemlich kühne Aussagen über elektrisch betriebene Großflugzeuge bis zum Ende des Jahrzehnts von Unternehmen wie easyjet. Diese Innovationsschritte sind jedoch weit davon entfernt, einen Langstreckenflug (oder auch nur einen Kurzstreckenflug) zu dekarbonisieren.

Die grundsätzliche Herausforderung bei der Dekarbonisierung des Flugverkehrs ist die Energiedichte des Speichers... Die Physik der Batterien scheint für kleinere Anwendungen zu funktionieren... aber nicht unbedingt für größere Flugzeuge. Derzeit können Lithium-Eisen-Batterien etwa 250Wh pro kg speichern, was 30-mal weniger dicht ist als Flugzeugtreibstoff. Das Gewicht der Batterien schränkt also die Fähigkeit größerer Flugzeuge ein, überhaupt vom Boden abzuheben, geschweige denn eine Nutzlast zu transportieren.Forschungen haben ergeben, dass die Energiedichte für batteriebetriebene Flugzeuge näher an 800WHr/Kg liegen müsste, also fast dreimal so hoch wie die beste heute verfügbare Technologie. Bei der derzeitigen Geschwindigkeit der Technologieverbesserung wird diese Art von Energiedichte erst weit nach 2050 verfügbar sein.

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Selbst wenn die verbesserte Energiedichte erreicht werden könnte, bleibt immer noch eine große Herausforderung - die Aufladung großer Verkehrsflugzeuge am Boden. Zum Vergleich: Eine 747 benötigt beim Start etwa 40 bis 50 MW Leistung. Eine 747 hat derzeit eine Umdrehungszeit von 150 Minuten und eine 737 bei Ryanair von 27 Minuten! Die Infrastruktur, die erforderlich ist, um eine so große Batterie so schnell aufzuladen, wäre ziemlich unglaublich (ganz zu schweigen von der Aufladung von 1300 Flügen pro Tag in Heathrow!). Selbst wenn das Problem der Energiedichte gelöst werden kann, ist es noch ein weiter Weg, um das Flugzeug aufzuladen, sobald es am Boden ist!

Was bedeutet das für den Flugverkehr im nächsten Jahrzehnt?

Smaller electric airplanes will have a role to play

1. Die Entwicklung vonElektroflugzeugen mit geringeren Emissionen könnte bedeuten, dass wir eine Explosion kleinerer regionaler Flughäfen mit pilotenlosen Lufttaxis erleben werden. Die kürzeren Entfernungen werden bedeuten, dass Kurzstreckenflüge zu einer echten Sache werden könnten. Außerdem werden kleinere Flugzeuge in der Lage sein, in niedrigeren Höhen zu fliegen, um Staus zu vermeiden, und da das Gewicht für die Reichweite kritisch wird, macht der Verzicht auf den Piloten Sinn - was das autonome Fliegen beschleunigt und den wirtschaftlichen Nutzen erhöht.

charging 51000 cars at heathrow.

2. Der Strombedarf an Verkehrsknotenpunkten wird ein zunehmendes Problem werden. Mit der Zunahme von Elektrofahrzeugen wird der Bedarf an lokaler Strominfrastruktur steigen - der Flughafen Heathrow hat zum Beispiel 51.000 Parkplätze! Allein das Aufladen so vieler Fahrzeuge wird eine enorme Verstärkung der Strombereitstellung erfordern. Wenn man von langsamen Ladegeräten (3KW) ausgeht und etwa 10 % der Fahrzeuge aufgeladen werden, bräuchte man einen 15-MW-Anschluss nur für die Fahrzeuge! - Ganz zu schweigen davon, dass man damit beginnen würde, auch riesige Flugzeuge aufzuladen (mit kurzen Umdrehungszeiten!). Mit kleineren Elektroflugzeugen wird es nicht mehr nötig sein, eine riesige Hub-Infrastruktur wie jetzt zu nutzen - die Betreiber werden in der Lage sein, auf billigere kleinere Flughäfen auszuweichen, wo das Aufladen einfacher zu bewerkstelligen ist (z.B. durch lokale Solaranlagen).

3. Für größere Flugzeuge können alternative Treibstoffe wie Wasserstoff mit höherer Energiedichte sinnvoller sein als die Elektrifizierung. Die Energiedichte dieser Kraftstoffe macht eine Umstellung logischer. Die Entwicklung regionalerWasserstoff-Zentren bietet weltweit Möglichkeiten, aber bis heute fliegt niemand kommerziell mit Wasserstoff, es ist also noch ein langer Weg zu gehen.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass mit der derzeitigen Technologie der einzige Weg zur Reduzierung der Kohlenstoffemissionen darin besteht, weniger zu fliegen. Es gibt einfach keinen klaren Weg zu einem kohlenstoffarmen oder -freien Flug. Kleinere Elektroflugzeuge können bestehende Routen ergänzen - aber ohne signifikante regulatorische Eingriffe werden sie unsere bestehende kohlenwasserstoffhungrige Flotte nicht so bald ersetzen!