Trotz der laufenden Bemühungen, die CO2-Emissionen durch Elektro- und Hybridfahrzeuge zu verringern, tragen andere Verkehrsmittel nach wie vor erheblich zum Ausstoß von Treibhausgasen bei. Um dieses Problem anzugehen, werden alte Technologien überarbeitet, um sie umweltfreundlicher zu machen, wie z. B. die Wiedereinführung von Segelschiffen in der Schifffahrt und neue Anwendungen für Wasserstoff in der Luftfahrt. Jetzt haben Forscher in der Zeitschrift ACS Sustainable Chemistry & Engineering mit Hilfe von Computermodellen die Machbarkeit und die Herausforderungen der wasserstoffbetriebenen Luftfahrt untersucht.
„Wir hoffen, dass unsere Analyse des Systemdesigns an Bord und der entsprechenden Infrastruktur dazu dienen wird, Prioritäten für die Entwicklung zu setzen“, sagt Dharik Mallapragada, einer der Mitautoren der Studie.
Nach Angaben der Internationalen Energieagentur sind die energiebedingten CO2-Emissionen der Luftfahrtindustrie in den letzten Jahrzehnten schneller gestiegen als die des Schienen-, Straßen- und Schiffsverkehrs. Um die potenziellen Auswirkungen dieses Wachstums auf das Klima zu verringern, verbessern Wissenschaftler die Konstruktion und den Betrieb von Flugzeugen und entwickeln emissionsarme Kraftstoffe wie Wasserstoff, der zur direkten Verbrennung oder zum Betrieb von elektrischen Brennstoffzellen verwendet wird. Die Attraktivität von Wasserstoff als Kraftstoffquelle liegt darin, dass bei seiner Verwendung kein CO2 entsteht und er pro Pfund mehr Energie liefert als Flugzeugtreibstoff. Um die potenziellen Auswirkungen einer Umstellung von herkömmlichem Düsentreibstoff auf Wasserstoff in der Luftfahrt zu verstehen, haben Anna Cybulsky, Mallapragada und Kollegen die Verwendung von Wasserstoff bei der Elektrifizierung von Regional- und Kurzstrecken-Turboprop-Flugzeugen berechnet.
Die Forscher berechneten, dass das zusätzliche Gewicht eines Wasserstofftanks und von Brennstoffzellen, die in ein bestehendes Flugzeug nachgerüstet werden, durch eine Gewichtsreduzierung an anderer Stelle ausgeglichen werden müsste, beispielsweise durch eine Verringerung der Nutzlast (Fracht oder Passagiere) des Flugzeugs. Dies könnte bedeuten, dass mehr Flüge erforderlich wären, um die gleiche Nutzlast zu transportieren. Das Modell des Teams deutet jedoch darauf hin, dass Verbesserungen bei der Leistung der Brennstoffzellen und dem gravimetrischen Index des Brennstoffsystems (das Gewicht des Brennstoffs im Verhältnis zum Gewicht des vollen Tanks) eine Verringerung der Nutzlast überflüssig machen könnten, wodurch die Umweltauswirkungen zusätzlicher Flüge entfallen würden. Gleichzeitig stellten sie fest, dass die Umstellung auf wasserstoffbetriebene Flüge die CO2-Emissionen der Luftfahrtindustrie um bis zu 90 % reduzieren könnte.
Eine größere Herausforderung als die Umstellung auf andere Flugkraftstoffe könnte die Bereitstellung der Infrastruktur sein, die für eine kohlenstoffarme und kosteneffiziente Erzeugung und Verteilung von Wasserstoff erforderlich ist. Eine kohlenstoffarme Produktionsmethode ist die Erdgasreformierung (Extraktion von Wasserstoff aus Methangas) in Verbindung mit der Kohlenstoffabscheidung, die jedoch den Zugang zu CO2-Infrastruktur und Sequestrationsanlagen erfordert. Eine weitere umweltfreundliche Option ist die Elektrolyse, bei der Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff aufgespalten wird, und die mit Strom aus einem Kernkraftwerk oder aus erneuerbaren Energiequellen betrieben werden könnte. Dies würde jedoch einen erheblichen zusätzlichen Bedarf an Stromnetzen mit sich bringen. Cybulsky und Kollegen wiesen darauf hin, dass es aufgrund der regional stark schwankenden Strompreise kostengünstiger sein könnte, den Wasserstoff von einer kostengünstigen Produktionsanlage zu den Endverbrauchern zu transportieren.
Aus diesen Gründen schlagen die Forscher vor, dass die Einführung der wasserstoffbasierten Luftfahrt an Standorten beginnen könnte, die günstige Bedingungen für die Wasserstoffproduktion bieten, wie z. B. Hamburg, Deutschland, oder Barcelona, Spanien. Die für den Einsatz von Wasserstoff in der Luftfahrt erforderliche Infrastruktur würde auch den Bemühungen um eine Dekarbonisierung in anderen Industriezweigen wie dem Straßenverkehr und der Schifffahrt zugute kommen, da sie die Verfügbarkeit von Wasserstoff als Kraftstoff verbessert.
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