Wasserstoff
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"Wir können mit Batterien nicht fliegen"

DLR Wasserstoff-Testanlage
DLR Wasserstoff-Testanlage, © DLR CCBYSA

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BRÜSSEL - Synthetisches Kerosin oder Wasserstoff? Beides, sagt Jorgo Chatzimarkakis, CEO von Hydrogen Europe, und erklärt auch, wie die Produktion der neuen Treibstoffe angekurbelt werden kann. Die Umstellung auf Wasserstoff ist für die Branche eine Perspektive für mehr Klimaschutz - und ein extremer Kraftakt.

Airbus und CFM International bauen eine A380 zum Wasserstofftestflugzeug um, Pratt & Whitney forscht an neuen Technologien, um die Direktverbrennung von Wasserstoff in Turbinentriebwerken effizienter zu machen, H2FLY und die Deutsche Aircraft wollen eine Dornier 328 mit einem Brennstoffzellenantrieb ausrüsten.

Das sind nur einige Beispiele, die Liste der aktuellen Forschungs- und Entwicklungsvorhaben zu wasserstoffbetriebenen Flugzeugen ließe sich beliebig verlängern.

Kann Wasserstoff das Klimaproblem der Luftfahrt lösen? "Die Perspektiven sind da", sagt Jorgo Chatzimarkakis, CEO des Interessenverbands Hydrogen Europe. "Und ehrlich gesagt haben wir sonst keine Alternativen. Wir können mit Batterien nicht fliegen."

Zumindest nicht über längere Strecken und mit größeren Flugzeugen. Hydrogen Europe ist ein Zusammenschluss von mehr als 350 Unternehmen, 20 EU-Regionen und 30 nationalen Verbänden. Mitglieder sind beispielsweise Airbus, MTU Aero Engines und Linde.

Wasserstoff gilt als einer der Hoffnungsträger für die Dekarbonisierung der Luftfahrt. Kein Wunder: Wird er direkt in einer Gasturbine verbrannt, entsteht keinerlei CO2. Abgase sind Stickoxide, die durch einen optimierten Verbrennungsprozess auf ein Minimum reduziert werden können, sowie Wasserdampf. Wird Wasserstoff zusammen mit Sauerstoff in Brennstoffzellen zur Erzeugung von elektrischer Energie genutzt, entstehen gar keine Schadstoffemissionen.

Doch auf dem Weg zu wasserstoffbetriebenen Flugzeugen gibt es noch zahlreiche Hürden. Luftfahrtforschung und -industrie konzentrieren sich auf die Verwendung von flüssigem Wasserstoff, weil dieser weniger Platz benötigt als in gasförmigem Zustand. Allerdings muss er bei minus 253,15 Grad Celsius gelagert werden.

Die entsprechenden Tanks und Systeme zur Verteilung, Verdampfung und Einspeisung von flüssigem Wasserstoff werden nun erst entwickelt. Ebenso entsprechende Brennkammern für Gasturbinen und leistungsstarke fliegende Brennstoffzellen. Auch in den Aufbau der nötigen Infrastruktur am Boden muss investiert werden. Dazu gehören beispielsweise die Logistik - wie kommt der Wasserstoff vom Herstellungsort zum Airport - sowie die Lagerung und Verteilung am Flughafen selbst.

Airbus A380 ZEROe Demonstrator
Airbus A380 ZEROe Demonstrator, © Airbus
 
Mit geringerem Aufwand für Flugzeughersteller, Flughäfen und Airlines einher geht die Nutzung von synthetischem Kerosin, das aus Wasserstoff hergestellt wird, sogenanntes E-Kerosin. Dafür wird zunächst Wasser mithilfe von Strom aus erneuerbaren Energiequellen in seine Bestandteile Wasserstoff (H2) und Sauerstoff (O2) aufgespaltet.

Dieser Prozess nennt sich Elektrolyse. Anschließend wird der so gewonnene grüne Wasserstoff mit CO2 zusammengeführt und ein Synthesegas hergestellt, das wiederum zu Kerosin weiterverarbeitet werden kann. Dieses könnte von existierenden Flugzeugen genutzt werden, es wären keine oder nur geringe Modifikationen nötig.

Doch wie effizient ist die Herstellung von strombasierten Flugkraftstoffen? "Der Wirkungsgrad von E-Kerosin liegt bei elf Prozent", sagt Chatzimarkakis. Das heißt, man muss 89 Prozent Energie aufwenden, um elf Prozent Energie herauszubekommen. Das klingt erst einmal ernüchternd.

Doch der ehemalige FDP-Europaabgeordnete winkt ab: "Der Wirkungsgradfetischismus, den wir in Deutschland haben, stammt aus einer Zeit, wo wir uns nicht vorstellen konnten, dass man erneuerbar produzierten Strom importieren kann. Jetzt können wir das mithilfe von Wasserstoff und seinen Derivaten."

Statistischer Transfer als Interimslösung

Der für die Elektrolyse nötige Strom und der grüne Wasserstoff selbst könnten an Orten erzeugt werden, wo viel Sonne, Wind oder Wasserkraft zur Verfügung stehen. "Wenn man E-Kerosin in Mauretanien oder Saudi-Arabien herstellt, hat man eine ganz andere Gesamtrechnung."

Man müsse nur bewerkstelligen, dass der Transport des E-Kerosins zum Flughafen billiger wird - oder ganz wegfällt.

"Nehmen wir als Beispiel den Flughafen Stuttgart. Er ist zu weit weg von den billigen Produktionsorten. Er könnte aber eine Vereinbarung mit dem Flughafen Rabat in Marokko schließen: Dort werden Flugzeuge komplett mit E-Kerosin betankt und der Flughafen Stuttgart bezahlt es. So könnte Stuttgart komplett CO2-frei werden, obwohl vorerst weiter fossiles Kerosin getankt wird."

Dieses Verfahren nennt man statistischen Transfer. "Für den Übergang ist das eine wesentliche Maßnahme, wie man das Hochfahren der E-Kerosin-Produktion beschleunigen kann." Genau diese Art von Kooperationen will Hydrogen Europe anstoßen.

Nach Ansicht von Chatzimarkakis werden künftig auch neuralgische Punkte wie Rotterdam, von wo aus Kerosin-Pipelines nach Frankfurt, Düsseldorf und Amsterdam führen, eine wichtige Rolle spielen. Dort könnte importierter Wasserstoff zu E-Kerosin synthetisiert und verteilt werden. Auch die Länder, die heute in der Ölproduktion tätig sind, würden ihre Raffinerien anpassen.

Hoher Investitionsbedarf

Dennoch müsse auch Deutschland grünen Wasserstoff und E-Kerosin selbst produzieren, allein schon, um überschüssigen Strom aus erneuerbaren Energien sinnvoll zu nutzen. Zudem sei Deutschland bei den Power-to-X-Prozessen, zu denen auch die Herstellung von E-Kerosin zählt, führend. "Deutschland hat das erfunden, warum sollten wir nicht damit vorangehen."

Das Thema Wasserstoff erfährt weiteren Aufschwung durch den Ukrainekrieg. "Bis 2030 müssen wir 20 Millionen Tonnen grünen Wasserstoff herstellen. Bisher haben wir mit fünf Millionen Tonnen gerechnet", sagt Chatzimarkakis. Dafür ist eine Verhundertfachung der weltweiten Elektrolysekapazitäten auf 320 Gigawatt nötig.

"Wir schaffen das. Das Problem ist nur: Kriegen wir so viel erneuerbaren Strom? Allein in Europa nicht. Wir müssen diese Kapazitäten in Spanien, Portugal, aber eben auch in Marokko, Mauretanien, Saudi-Arabien, den Vereinigten Arabischen Emiraten und Ägypten aufbauen."

Zudem müssten die bestehenden Pipelines bei den Kompressoren nachgerüstet und entsprechende Schiffe für den Transport von gasförmigem Wasserstoff gebaut werden. Um sich nicht wieder in eine einseitige Abhängigkeit zu begeben, soll keine Konzentration auf ein einzelnes Land stattfinden.

Welche Investitionen für den Ausbau der Wasserstoffherstellung nötig sind und wer sie tätigt, wird nach Angaben von Chatzimarkakis gerade ausgearbeitet. Ein wichtiges Instrument dürften dabei aber die sogenannten Klimadifferenzverträge sein. Dabei handelt es sich um Staatsbeihilfen an Kerosinproduzenten, die die Mehrkosten der E-Kerosin-Produktion abdecken.

"Auf europäischer Ebene rechnen wir mir mit bis zu 20 Milliarden Euro", sagt Chatzimarkakis. "Durch diese Differenzverträge einerseits und statistische Transfers andererseits können wir den Flugverkehr viel schneller als erwartet dekarbonisieren."
© FLUG REVUE - Ulrike Ebner | Abb.: DLR CCBYSA | 15.05.2022 07:32

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Beitrag vom 23.05.2022 - 00:27 Uhr
Der Vergleich mit der Atomkraft (im Auto) ist garnicht mal so blöd.

Der Abfall ist da auch ein gut bekanntes Problem aber es scheitert tatsächlich schon weit davor.
Beitrag vom 23.05.2022 - 00:14 Uhr
Gibt es theoretische Grenzen für das Speichern von Strom? Also wieviel KW elektrischer Energie kann man in einem Block (z. B. 1 l) speichern und welche Masse hätte er dann?
Entsprechend wären dann die dazugehörigen Lade- und Entladeprozesse zu betrachten.

Die Hoffnung auf Strom/Energie aus/in Batterien - ähnlich wie Benzin aus dem/im Tank - erinnert mich an die Träume von idealer Kernenenergie. Alles wurde in die Zukunft verschoben....Schon am Anfang war aber klar, dass es Abfallprobleme geben würde!

>
Das theoretische Limit um elektrische Energie bzw. Energie elektrochemisch zu speichern ist nichts weiter als das Element mit der gewichtsmäßig größten relativen Elektronegativität in die eine und das Element mit der geringsten relativen Elektronegativität in die andere Halbzelle zu füllen d.h. eine Batterie aus Fluor und Wasserstoff.

Die rein chemische Energiedichte d.h. unter Vernachlässigung aller Einbauten, Gehäuse, usw. beträge 15 MJ/kg und bis ca. 30 MJ/liter (unter Kühlung, F und FH vernachlässigt wegen viel höherer Dichte als H2) also recht viel verglichen mit (in der Praxis d.h. mit Einbauten usw.) ca. 0,55 MJ/kg der Li-Polymer Akkus aber immernoch deutlich weniger als die 43 MJ/kg von Diesel.

Diese Zellchemie ist natürlich weder in der Praxis darstellbar noch kann man so eine Batterie wieder aufladen (oder überhaupt sicher entsorgen) aber die wäre das absolute theoretische Limit.

Das theoretische Limit von dem was praktisch möglich ist ist tatsächlich schon die LiCoO2/ Graphit Zellchemie & Variationen und es wird auch schon in der selben Größenordnung erreicht.


Es muss auch klar sein dass man bei den Kosten von (Fein)chemiekalien grundsätzlich keine oder nur sehr schwache Skaleneffekte erwarten kann d.h. man kann nicht einfach darauf bauen z.B. perfekteres Graphit einzusetzen denn das macht weder einen signifikanten Unterschied in der Gesamtleistung noch wird es irgendwann für die Masse erschwinglich sein.

Bei einem Motor benutzt man zur Leistungssteigerung z.B. einen besseren Kolbenring und selbst wenn das neue Material 10x so teuer ist dann ist der Anteil an dem gesamten verarbeiteten Material und damit den Gesamtkosten immernoch lächerlich gering und damit erschwinglich.


Damit sich die Erleuchteten etwas unter "Skaleneffekt" vorstellen können
Beitrag vom 22.05.2022 - 22:27 Uhr
@EricM,
besten Dank für die Info. (Entschuldigung für die Verspätung!)


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