ALTERNATIVE ENERGIETRÄGER
Der batterieelektrische Flug
Die Technik bei Elektroantrieben ist weitgehend optimiert und ausgereizt. Elektromotoren haben einen Wirkungsgrad von bis zu 97 %, der von Invertern/Controllern liegt bei nahezu 99%. Stromverbindungen und Batteriemanagement-Systeme sind ebenfalls optimiert. Der Knackpunkt der Elektromobilität liegt fast ausschließlich an der mangelnden Energiedichte von Batterien/Akkus.
In den Medien wird von Energiedichten von 400 Wh/kg und mehr gesprochen. Aber wo liegen die tatsächlich nutzbaren Energiedichten denn in der Realität?
Hier ein Überblick über die derzeit tatsächlich erreichten Batterie-Energiedichten auf Systemebene. Also nicht nur die nackte Batteriezelle, sondern die tatsächliche Energiemenge bezogen auf das Gesamtgewicht der Stromversorgungseinheit. Und nur das zählt !
Audi e-tron: 95kWh/700kg 136 Wh/kg
Ford Mustang E: 68kWh/485kg 140 Wh/kg
Audi e-tron GT: 93kWh/630kg 148 Wh/kg
Porsche Tycan: 93kWh/630kg 148 Wh/kg
Jaguar I-pace: 90kWh/599kg 150 Wh/kg
BYD Han EV: 85kWh/568kg 150 Wh/kg
Mercedes EQS: 108 kWh/692kg 156 Wh/kg
Tesla S: 100kWh/625kg 160 Wh/kg
Tesla 3: 75kWh/439kg 171 Wh/kg
Tesla Y: 75kWh/437kg 172 Wh/kg
Rimac: 120kWh/599kg 200 Wh/kg
Die durchschnittliche brutto Energiedichte liegt demnach bei 157 Wh/kg. Und auch diese Energiedichten werden ohne das Gewicht von Kühlflüssigkeit, Rohren, Pumpen, Kühlern usw. angegeben. Die nutzbare Energie ist normalerweise ca. 5 - 10 % geringer.
Unter Berücksichtigung all dieser Faktoren liegt der Durchschnitt der tatsächlich realisierten Nettoenergiedichten, die wirklich für den Antrieb genutzt werden können, bei unter 150 Wh/kg.
Für Flugzeugbatterien gelten die deutlich höheren Anforderungen der Luftfahrt. Dabei spielen insbesondere die Crashsicherheit und der Feuerschutz eine wesentlich größere Rolle als bei Autos, denn im Brandfall ist ein Anhalten und Verlassen des Flugzeugs nicht möglich. Dadurch wird die tatsächlich verfügbare Energiedichte weiter reduziert.
Zum Beispiel die Pipistrel-Luftfahrtbatterie: PB345V124E-L
Eine Einheit mit 10,35 kWh wiegt 74 kg = 140 Wh/kg Energiedichte. Selbst das ist ohne Kabel, Schläuche, Kühlflüssigkeit, Pumpe, Kühler, crashfestes Gehäuse etc. berechnet. Weitere Informationen sind HIER zu finden.
Flugzeuge sind rund um den Faktor 10 gewichtssensibler als Autos. Auch wenn sich der batterieelektrische Antrieb für den Straßenverkehr als die zukünftige Lösung abzeichnet, so ist dies für die wesentlich gewichtssensiblen Flugzeuge ungleich schwieriger.
Die nachfolgende physikalische Energiebetrachtung soll zeigen, welche Leistungen für den Reiseflug mit batteriebetriebenen Flugzeugen derzeit erreichbar sind.
Batterie (2x Pipistrel PB345V124E-L) 20 kWh
Verluste (Motor, Inverter, Kabel, ...) -10%
Zur Verfügung stehende Antriebsenergie 18 kWh
Energie für die Beschleunigung bis zum
Erreichen der Reiseflughöhe -1,2 kWh
gesetzl. Min-Reserve 30 Min. (20 kW / 27 PS) - 10 kWh
verbleib. Energie für den geplanten Reiseflug 6,8 kWh
Welche Flugzeit ist mit 6,8 kWh an Energie legal erreichbar?
Standard Minimum
angenomm. Reiseleistung 70PS/51,5kW 41PS/30kW
legal planbare Flugzeit 8,2 Min. 13,6 Minuten
Diese Berechnung berücksichtigt nicht den Stromverbrauch für die Avionik, elektrische Landeklappen, Einziehfahrwerke oder gar eine Cockpitheizung !
Es ist daher davon auszugehen, dass rein batteriebetriebene Sportflugzeuge zumindest für die nächsten 25-30 Jahre im Wesentlichen auf den Betrieb in Flughafennähe beschränkt bleiben werden, sofern nicht ein Batteriewunder geschieht.
Reichweite
Selbst effiziente Flugzeuge können mit Tanks von weniger als 70 Liter kaum verkauft werden. Damit wird eine Mindestflugzeit von 4 Stunden und eine Reichweite von mindestens 800 km bei einer Antriebsleistung von rund 70 PS (51,5 kW) erreicht.
Die überwiegende Mehrheit der Piloten der Allgemeinen Luftfahrt sieht dies als absolute Mindestanforderung beim Kauf eines Flugzeugs an.
Hier ein Blick auf die Gewichtsberechnung:
Wie oben angeführt, soll eine Reiseflugleistung von 70 PS / 51,5 kW über eine Zeit von 4 Stunden zur Verfügung stehen.
Geht man von einer Energiedichte von 200 Wh/kg aus, so würde diese Batterie mit der heute modernsten Batterietechnologie rund 1,145 kg wiegen (51,5 kW / 90 % Wirkungsgrad x 4 Stunden = 229 kWh / 200 Wh/kg = 1145 kg).
Zum Vergleich: Ein gefüllter 70-Liter-Benzintank wiegt inklusive Pumpe, Schläuchen usw. rund 58 kg, mit dem ein Leichtflugzeug mit einem Abfluggewicht von maximal 600 kg über 4 Stunden mit 70 PS betrieben werden kann!
(51,5 kW x 0,25 kg/kWh (spezifischer Verbrauch) x 4 Stunden / 0,73 (spez. Gewicht von Benzin) = 70 Liter)
Daraus ergibt sich der bekannte Gewichtsfaktor von 1 : 20 (1145/58 kg)
Dass heißt, um die gleiche Energie auf den Propeller zu bringen, ist ein Batteriesystem rund zwanzigmal schwerer als ein Kraftstoffsystem. Und das selbst mit den besten derzeit erhältlichen Batterien.
Wie wir wissen, zählt aber in der Luftfahrt jedes Kilogramm !
Dies zeigt deutlich, dass wir weit davon entfernt sind, Kolbenmotoren bei Flugzeugen durch Elektromotoren zu ersetzen. Nur ein Bruchteil des Bedarfs kann mit Batterien oder Wasserstoff für die nächsten 25-30 Jahre oder länger erreicht werden.
Wir brauchen also eine zukunftsorientierte Technologie für die nächsten 30 Jahre und wahrscheinlich noch länger – XAEROS entwickelt sie!
Wasserstoff als Energieträger
Wasserstoff kommt in der Natur nicht in direkt verwendbarer Form vor. Wasserstoff muss technisch erzeugt werden, um ihn nutzbar zu machen. Wasserstoff ist immer farblos, allerdings haben sich mehrere Bezeichnungen eingebürgert, um ihn hinsichtlich der Herstellverfahren zu unterscheiden.
Der sogenannte grüne Wasserstoff wird mittels Elektrolyse hergestellt. Hierbei wird die sogenannte erneuerbare Energie aus Wasser-, Sonnen- und Windkraft für die Aufspaltung von Wasser (H2O) in Wasserstoff und Sauerstoff gewonnen. Dieses Verfahren ist mit einem Wirkungsgrad von nur rund 80 % möglich. D.h. 20 % der wertvollen erneuerbaren Energie geht bereits im ersten Schritt verloren.
Wir werden die wertvollen regenerativen Energien dringend für die batterieelektrischen Fahrzeuge im Straßenverkehr sowie vielen anderen Anwendungen benötigen, für die die elektrische Energie kaum zu ersetzen ist. Der Umstieg von Gas-Heizungen auf Wärmepumpen sowie die Energiewende in der Industrie benötigen zusätzlich enorme Mengen an regenerativer Energie. Es kann daher nicht davon ausgegangen werden, dass in gemäßigten Klimazonen jemals so viel Sonnen- und Windenergie gewonnen kann, dass man vor Ort auch noch grünen Wasserstoff für die Mobilität produzieren kann.
Wasserstoff müsste demnach zum allergrößten Teil in sonnen- und windreichen Regionen auf der ganzen Welt hergestellt werden. Allerdings ist Wasserstoff nicht so einfach mittels großen Tankschiffen über die Ozeane transportierbar. Hierfür sind Tanker mit sehr gut isolierten Druckbehältern erforderlich, die den Wasserstoff in verflüssigter Form, also auf minus 253 heruntergekühlt, transportieren können.
Das jüngste und größte Modell eines Wasserstoff-Tankers wurde vom niederländischen Energieunternehmen LH2 Europe entwickelt. Es wird erst 2027 in Betrieb gehen. Der 142 Meter lange Flüssigwasserstoff-Tanker fasst 37.500 m³. Allerdings ist auch verflüssigter Wasserstoff mit nur 71 kg/m³ sehr leicht, wodurch dieser größte Drucktank-Tanker nur 2.660 Tonnen an verflüssigtem Wasserstoff transportieren kann. Auch davon geht ein Anteil von rund 15 - 20% durch Boil-off während der Fahrt verloren.
Somit kommen nur rund 2.260 Tonnen Wasserstoff am Zielhafen an, was einer Energie von rund 75 Millionen kWh entspricht.
Im Vergleich dazu fasst ein mittlerer Öltanker, mit dem auch eFuels transportiert werden können, rund 250.000 Tonnen, was einer Energie von 3 Mrd. kWh entspricht.
40 Wasserstofftanker können also gleich viel Energie transportieren, wie ein Tanker für eFuels !
Überlegungen werden auch bezüglich der Umwandlung von Wasserstoff zu Ammoniak angestellt, um eine höhere Energiedichte für den Transport zu erreichen. Allerdings gehen in diesem Verfahren (Haber-Bosch) rund 45% der Energie verloren. Bei der Rückumwandlung von Ammoniak zu Wasserstoff gehen nochmals 10% der Energie verloren.
Ammoniak ist in flüssiger Form zwar fast 10 Mal schwerer wie Wasserstoff, allerdings hat Ammoniak nur 15% der Energiedichte von Wasserstoff.
Um die gleiche Menge an Energie wie mit bestehenden eFuel-Tankern zu transportieren, benötigt man deshalb 27 Ammoniak-Tanker, die erst gebaut werden müssten.
Hinzu kommt, dass Öl-, Diesel- und Kerosintanker durch die Energiewende nach und nach frei werden und für den Transport von eFuels eingesetzt werden können. Wasserstoff-Tanker gibt es zurzeit nicht und müssten von Grund auf neu entwickelt, produziert und in den Einsatz gebracht werden. Hier für würden riesige Investitionen erforderlich werden.
Andere Herstellungsverfahren, wie z.B. grauer Wasserstoff verwenden Erdgas, also Methan als Basis. Bei der Umwandlung von Methan in Wasserstoff, so wie der größte Teil des heute hergestellten Wasserstoffs produziert wird, werden pro kg Wasserstoff rund 10 kg CO2 frei, weshalb dies umweltschutztechnisch sehr bedenklich ist.
Wasserstoff als Energieträger ist mit schwierig zu lösenden Herausforderungen in der Allgemeinen Luftfahrt verbunden:
Infrastruktur
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der größte Teil an Flugzeugen der Allgemeinen Luftfahrt wird an kleinen Flugplätzen, sehr oft im Vereinsbetrieb, geflogen. Es ist unwahrscheinlich, dass Flugplätze und Vereine ca. 1 Mio.€ pro Wasserstofftankstelle investieren würden, wenn sie dafür 3 - 6 nagelneue Flugzeuge anschaffen können. Zudem stellt sich die Frage, ob sich die Investition in eine Wasserstofftankstelle jemals rechnet.
Technik
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enormes Gewicht und umfangreiche Technik der Komponenten (Tanks, Brennstoffzelle, Leitungen, Technik, usw.)
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großes Volumen der Wasserstofftanks
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Ein Umbau von bestehenden Flugzeugen gestaltet sich sehr schwierig. D.h. es müssten neue Flugzeuge für den Wasserstoffantrieb entwickelt, produziert und angeschafft werden.
Es ist davon auszugehen, dass es daher Jahrzehnte dauern würde, bis vom Umstieg auf wasserstoffbetriebene Flugzeuge hinsichtlich dem dringend voranzutreibenden Umweltschutz etwas zu spüren wäre.
Synthetische Kraftstoffe - eFuels/SAF (sustainable aviation fuel)
Synthetische Kraftstoffe werden aus CO2 aus der Luft, Wasser und Sonnen- oder Windenergie hergestellt. Dabei wird bei der Produktion exakt so viel CO2 aus der Luft aufgenommen, wie später bei der Verbrennung wieder freigesetzt wird. Daher ist mit synthetischen Kraftstoffen, sogenannten eFuels, ein CO2-neutraler Betrieb von Flugzeugen möglich.
Der Wirkungsgrad bei der Herstellung von eFuels ist geringer als bei der Herstellung von Wasserstoff, da der Wasserstoff die Ausgangsbasis für die Herstellung von eFuels ist. Allerdings haben Flüssig-Kraftstoffe den Vorteil, dass der Transport wesentlich einfacher und günstiger als der von Wasserstoff ist und die dafür erforderliche Infrastruktur für den Transport bis zur Betankung am Flughafen bereits vorhanden ist. Somit ist der Transport von eFuels über große Strecken kostengünstig und wesentlich energiesparender möglich.
Synthetische Kraftstoffe können daher dort hergestellt werden, wo regenerative Energie im Überfluss vorhanden ist, also in sonnen- und windreichen Regionen auf der ganzen Welt. Die Installation einer Solaranlage in Wüstengegenden produziert bei gleichem Investment die rund dreifache Menge an grüner Energie im Vergleich zu Anlagen z.B. in Mitteleuropa. Dies gleicht den nicht optimalen Wirkungsgrad bei der Herstellung von eFuels mehr als aus. Auch Transportschiffe können mit eFuels CO2-neutral betrieben werden.
FAZIT
Die Entwicklung neuer Flugzeuge für batterieelektrische oder wasserstoffbasierte Antriebe würde viele Jahrzehnte in Anspruch nehmen. Bis dann die neuen Flugzeuge tatsächlich in Betrieb sind und erste spürbare Effekte hinsichtlich eines CO2-mindernden Betriebs erkennbar wären, würde es nochmals Jahrzehnte brauchen. Ganz unabhängig davon betrachtet stellt sich die Frage, ob mit diesen Technologien jemals die geforderten Reichweiten und Anforderungen der Luftfahrt erreicht werden können.
eFuels machen keinen Sinn, wo batterieelektrische Lösungen anwendbar sind. Mit eFuels kann aber der Flug- und Schiffsverkehr in absehbarer Zeit auf einen CO2-neutralen Betrieb umgestellt werden. Dies ist mit den bestehenden Schiffs- und Flugzeugflotten möglich. Auch das gesamte Infrastrukturnetz ist hierfür vorhanden. Dadurch lassen sich in einer wesentlich kürzeren Zeitspanne entsprechende Maßnahmen hinsichtlich des dringend erforderlichen Umweltschutzes setzen.
