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Hybrid-Flugzeuge: Was kommt nach dem Kerosin?

Womit werden Flugzeugmotoren in der Zukunft angetrieben? Mit Gasturbine, Brennstoffzelle oder Sonnenkraft? Der erste Pilot hat mit einem solarbetriebenen Flugzeug bereits die Erde erfolgreich umrundet.

Solar Impulse 2

Den Piloten Bertrand Piccard und André Borschberg gelang in der "Solar Impulse 2" mit vier Elektromotoren, 17.000 Solarzellen und einer Spannweite von 72 Metern die Weltumrundung mit einem emissionsfreien Flugzeug.

Die Flugreise endete dort, wo sie begann: in Abu Dhabi. Es war kein großer Jet einer arabischen Fluggesellschaft, sondern die kleine Maschine eines Schweizers: Als  mit seiner "Solar Impulse 2" am 26. Juli 2016 in der Hauptstadt der Vereinigten Arabischen Emirate landete, hatte er einen historischen Rekord aufgestellt. Zum ersten Mal gelang einem ausschließlich mit Solarenergie angetrieben Luftfahrzeug eine Erdumrundung - ohne herkömmliches Kerosin zu verbrauchen.

Die Strecke von 40.000 Kilometern wurde in 17 Tappen zurückgelegt, mit einem , das zwar nur einen Sitzplatz und eine enorme Spannweite von 72 Metern hat, aber deren vier Propeller von emissionsfreien Elektromotoren angetrieben wurden.

Biosprit vom Acker

Doch zunächst steht die Entwicklung emissionsärmerer Flugzeuge auf dem Programm. Erster Schritt in diese Richtung, neben der Steigerung der Effizienz der Triebwerke, ist die Nutzung alternativer Kraftstoffe. Statt ausschließlich zu tanken, kommen bereits bei Testflügen nachhaltige und nichtfossile Biokraftstoffe zum Einsatz, die aus Algen, Leindotter und der Jatropha-Pflanze generiert werden. Letztere ist ein Wolfsmilchgewächs mit ölhaltigen Samen.

So hat die Lufthansa bereits 2011 auf der Strecke Hamburg-Frankfurt 1200 Flugserien mit alternativem Treibstoff in den Tanks absolviert. Die Praxis anderer Airlines und Testflüge des Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt () zusammen mit der Nasa haben ergeben, dass die Rußemissionen halbiert werden konnten.

Im Gegensatz zum preiswerten Kerosin sind "die Verarbeitungskosten bei Biokraftstoffen hoch", sagte Manfred Aigner vom Institut für Verbrennungstechnik DLR auf einer Tagung des Luftfahrt-Presse-Clubs in Frankfurt. Er gehört auch dem Vorstand der Aviation Initiative for Renewable Energy in Germany e.V. (aireg) in Berlin an, die sich zum Ziel gesetzt hat, die Herstellung und Nutzung alternativer Flugkraftstoffe zu forcieren. Anders als bei E10 mit Bioethanol für Automobile, sind die Anforderungen für die Luftfahrt extrem hoch. Denn 50 Parameter müssen im Treibstoff zertifiziert werden. 

Grünes Kerosin

Bis zum Jahr 2025 sollen Biokraftstoffe zehn Prozent des hierzulande getankten Kerosins ausmachen. Ein sportliches Ziel, wenn man bedenkt, dass weltweit täglich eine Milliarde Liter Kerosin verbrannt werden. Doch wichtig ist, dass nicht Energiepflanzen genutzt werden, die mit Nahrungsmitteln Konkurrenz stehen.

Anders als beim Auto auf der Straße benötigen Flugzeuge die Energie nicht nur zum Beschleunigungsvorgang, sondern permanent, um sich in der Luft halten zu können. Noch ist die Leistungsdichte von Batterien erheblich niedriger ist als die von Kerosin. Daher kann mittelfristig auf die Verwendungen von flüssigen Brennstoffen kaum verzichtet werden.

Ein weiterer Schritt, die Ökobilanz zu verbessern, wird deshalb in Mischformen gesucht. "Die Batterien sind noch zu schwer und nicht leistungsstark genug", sagte Airbus-Chef Tom Enders 2016 im stern-Interview. "Wir schauen uns auch Hybrid-Flugzeuge an, die bei Start und Landung elektrisch angetrieben werden."

Brennstoffzellen-Batterie-Systeme

Statt nur aus einem Akku kommt bei der HY4 der Strom für den Elektromotor auch aus einer Brennstoffzelle. Der sieben Meter lange Prototyp hob Ende September 2016 am Flughafen Stuttgart erstmals ab. In der auffälligen Doppelrumpfkonstruktion sind Wasserstoffspeicher, Wasserstoffbrennstoffzelle und Hochleistungsbatterie untergebracht. Letztere wird zusätzlich für den Startvorgang und Steigflug benötigt.

Brennstoffzellenflugzeug HY4

Weltpremiere  auf dem Flughafen Stuttgart am 29. September 2016: Das Brennstoffzellenflugzeug HY4 rollt zum Start.


Das Besondere an dem ersten viersitzigen Passagierflugzeug: Die Brennstoffzelle wandelt die Energie des Treibstoffs Wasserstoff mit Sauerstoff aus der Luft in Wasser und elektrische Energie um. Sollte der für die Brennstoffzelle benötigte Wasserstoff durch Elektrolyse generiert werden, die Strom aus erneuerbaren Energien nutzt, fliegt die HY4 sogar komplett emissionsfrei.

Das Brennstoffzellenflugzeug fliegt maximal 200 Stundenkilometer - ungefähr so schnell wie eine einmotorige Cessna 172 - und hat eine Reichweite bis zu 1500 Kilometern. "Kleine Passagierflugzeuge wie die HY4 können sehr bald im Regionalverkehr als elektrische Flugtaxis eingesetzt werden und eine flexible und schnelle Alternative zu bestehenden Transportmitteln bieten“, sagte Josef Kallo, der HY4-Projektleiter von der Universität Ulm.

Hybrid gehört die Zukunft

Flugzeugbauer Boeing experimentierte schon vor knapp zehn Jahren mit Brennstoffzellen. Doch als primäre Energiequelle für größere Passagierflugzeuge kommt diese Technik nicht in Frage, höchstens als alternativer Antrieb für die Hilfsturbine im Heck, der Auxiliary Power Unit (APU).

Als weitere Energiequelle für hybrid-elektrische Antriebssysteme gilt die Gasturbine. Diese ersetzt schwere Batterien und treibt wiederum einen elektrischen Generator an. Außerdem können im Sinkflug die Elektromotoren als Windräder fungieren und einen Teil des benötigten Stroms für die Start- und Reisephase erzeugen.

Noch steht die Elektromobilität in der kommerziellen Luftfahrt am Anfang. Zunächst dürfte es Hybrid-Lösungen geben, eine Kombination aus einem Verbrennungsmotor sowie Batterien zur Stromabgabe und Triebwerke mit Elektromotoren.

Die Leistung von Bertrand Piccard mit seiner "Solar Impulse 2" kann gar nicht hoch genug eingeschätzt werden. Gleich nach seiner geglückten Weltumrundung gratulierte ihm Uno-Generalsekretär Ban Ki Moon: "Das ist ein historischer Tag für Sie", sagte er in einer Videoschaltung mit dem Piloten. Zwar habe er seine Reise gerade erst beendet. Aber es sei erst der Anfang für eine nachhaltige Welt.


Lesen Sie auch alternative Antriebe, Teil 2: 

Flugzeug der Zukunft: Wann kommt der Tesla der Lüfte?


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