1. Die Herausforderung der Dekarbonisierung im Luftverkehr
Der Luftverkehrssektor ist für 2,5 bis 3 % der weltweiten CO2-Emissionen verantwortlich. Seit den 1960er Jahren hat sich die Treibstoffeffizienz verbessert, aber das Wachstum des Luftverkehrs hat die Emissionen erhöht. Als Reaktion darauf haben die Internationale Zivilluftfahrt-Organisation und Branchenverbände wie die IATA für das Jahr 2050 Netto-Null-Kohlenstoffziele festgelegt.
Im Jahr 2022 verabschiedete die ICAO das Long-Term Aspirational Goal (LTAG) für Netto-Null-Emissionen bis 2050, unterstützt durch Verbesserungen in der Flugzeugtechnologie, Innovationen bei elektrischen Antriebssystemen, nachhaltige Flugkraftstoffe (Sustainable Aviation fuels = SAF) und ein verbessertes Flugverkehrsmanagement. Das „Fit for 55“-Programm der Europäischen Union zielt darauf ab, die Treibhausgasemissionen bis 2030 um 55 % zu reduzieren. Das schrittweise Auslaufen der kostenlosen Zertifikate im EU-Emissionshandelssystem und Initiativen wie RefuelEU Aviation zielen darauf ab, den Einsatz von SAF und die Elektrifizierung zu erhöhen.
Bildquelle: ICAO
Die Europäische Agentur für Flugsicherheit (European Union Aviation Safety Agency= EASA) und die Federal Aviation Agency (FAA) passen ihre Vorschriften aktiv an, um neue Antriebssysteme wie Elektro- und Wasserstoffantriebe zuzulassen. Die EASA hat „Besondere Bedingungen“ eingeführt, um sicherzustellen, dass die Vorschriften technologieunabhängig sind, und ebnet damit den Weg für den Markteintritt von Elektro- und Hybridflugzeugen.
Wichtige Akteure wie Airbus treiben Projekte wie das wasserstoffbetriebene Flugzeug ZEROe und SAF-kompatible Flugzeuge voran. Europa positioniert sich als Vorreiter in der emissionsfreien Luftfahrt, angetrieben von Initiativen wie die Alliance for Zero-Emission Aviation (AZEA), die die Industrie und die politischen Entscheidungsträger auf die Erreichung von Netto-Null-Zielen ausrichten will.
Um eine vollständige Dekarbonisierung bis 2050 zu erreichen, müssen Herausforderungen wie die SAF-Kosten und technologische Fortschritte bei Antrieb und Effizienz bewältigt werden. SAF und Wasserstoff allein können die CO2-Emissionen nicht vollständig reduzieren; eine Kombination aus Elektrifizierung, Hybridsystemen und betrieblichen Verbesserungen wird erforderlich sein. Die gemeinsamen Anstrengungen von Regulierungsbehörden, Herstellern, Fluggesellschaften und Regierungen sind unerlässlich, um die Dekarbonisierungsziele zu erreichen.
2. Dekarbonisierung nach Marktsegmenten
Allgemeine Luftfahrt:
Die allgemeine Luftfahrt umfasst alle Flüge, die nicht vom Militär oder von kommerziellen Fluggesellschaften durchgeführt werden, wie z. B. Privatflüge und Luftsport. Aufgrund der kleineren Flugzeuge und der Flexibilität ist die allgemeine Luftfahrt in der Lage, die Dekarbonisierung durch Elektrifizierung und Hybridtechnologien anzuführen. So wird beispielsweise das Elektroflugzeug Pipistrel bereits in der Pilotenausbildung und in der Freizeitfliegerei eingesetzt und zeigt das Potenzial des Elektroantriebs. Flugschulen nutzen bis heute alte Flugzeuge, die teilweise sogar älter sind als ihre Piloten. Bis 2035 wird eine Flottenerneuerung erforderlich sein, und es wird erwartet, dass viele Flugzeuge der allgemeinen Luftfahrt vollständig elektrisch oder hybrid angetrieben sein werden.
Geschäftsluftfahrt:
Die Geschäftsluftfahrt, zu der Firmen- und Privatjets gehören, wird sich auf SAF als kurzfristige Lösung konzentrieren, wobei Elektrifizierung und Hybridtechnologien bis 2040 integriert werden. Die Integration von Lithium-Ionen-Batterien und elektrischen Antriebssystemen wird für Kurzstreckenflüge von entscheidender Bedeutung sein, um Emissionen zu reduzieren, ohne auf Komfort zu verzichten.
Regionale Luftfahrt:
Der Regionalflugverkehr, der Strecken mit 20 bis 100 Passagieren bedient, bietet eine hervorragende Gelegenheit für hybridelektrische Flugzeuge und Wasserstoffantriebssysteme. Elektro- und Wasserstoffantriebe könnten die CO2-Emissionen der Luftfahrt auf Kurz- und Mittelstreckenflügen erheblich reduzieren und bieten im Vergleich zu anderen Optionen eine kostengünstige Lösung. Bis 2035 werden voraussichtlich wasserstoffbetriebene Regionalflugzeuge im Einsatz sein, und bis 2050 werden viele Regionalflüge emissionsarm sein. Projekte wie das EVO-Konzept von ATR zielen auf eine Reduzierung des Treibstoffverbrauchs und der Emissionen um 20 % ab, wobei eine leichte Hybridisierung eingesetzt wird. Elektro- und Wasserstoffantriebe könnten die Emissionen auf Kurz- und Mittelstreckenflügen bis 2050 um bis zu 43 Megatonnen CO2 pro Jahr reduzieren und damit den Regionalflugverkehr erheblich beeinflussen. Aufgrund der kürzeren Flugstrecken eignet sich der Regionalflugverkehr ideal für den Hybrid-Elektroantrieb, der kleinere Batteriepacks und häufiges Aufladen ermöglicht.
Bildquelle: ATR
Städtische Luftmobilität (Urban Air Mobility = UAM):
UAM, einschließlich elektrisch senkrecht startender und landender Flugzeuge (eVTOL), zielt darauf ab, eine neue Ebene des emissionsarmen Stadtverkehrs zu schaffen. Der kommerzielle Betrieb soll in den späten 2020er Jahren beginnen. Diese Flugzeuge sind auf kompakte und leichte Flugzeugbatteriemodelle angewiesen, die die dichteste Lithium-Ionen-Chemie verwenden, z. B. NMC mit hohem Nickelgehalt. Zu den Herausforderungen gehören die behördliche Genehmigung, die Entwicklung der Infrastruktur und die öffentliche Akzeptanz. Der CityAirbus NextGen, der 2024 vorgestellt wurde, soll ein bahnbrechendes eVTOL für den nachhaltigen Stadtverkehr sein, mit einer Reichweite von bis zu 80 km und einer Höchstgeschwindigkeit von 120 km/h.
Kommerzielle Luftfahrt:
Die kommerzielle Luftfahrt wird sich auf Wasserstoff- und Hybrid-Elektro-Antriebssysteme für regionale Flüge konzentrieren, während größere Flugzeuge auf SAF setzen werden. Airbus plant, bis 2030 zu 100 % SAF-kompatible Flugzeuge zu haben und bis 2035 Flugzeuge mit Wasserstoffantrieb einzuführen. SAF ist zwar von entscheidender Bedeutung, muss aber aufgrund der begrenzten Verfügbarkeit und der hohen Kosten durch andere Technologien ergänzt werden. Es wird erwartet, dass der Anteil wasserstoffbetriebener Flugzeuge an den Regionalflügen mit dem Ausbau der Infrastruktur allmählich zunimmt.
Die Elektrifizierung wird mit leichteren Flugzeugen auf Kurzstrecken beginnen. Bei größeren Flugzeugen werden Wasserstoff als Kraftstoff und SAF aufgrund ihrer höheren Energiedichte eine Schlüsselrolle spielen. Hybridlösungen, die elektrische und konventionelle Antriebe kombinieren, werden im nächsten Jahrzehnt wichtige Übergangstechnologien sein. Die Entwicklung der Infrastruktur, einschließlich Ladestationen und Wasserstoffbetankungsanlagen, wird von entscheidender Bedeutung sein. Die Zusammenarbeit zwischen Regierungen, Industrie und Forschungseinrichtungen ist notwendig, um ein unterstützendes Ökosystem zu schaffen.
Darüber hinaus bieten elektro- und wasserstoffbetriebene Flugzeuge die Möglichkeit, nicht CO2-bedingte Erwärmungseffekte wie die Bildung von Kondensstreifen und Zirruswolken zu verringern, die erheblich zu den Klimaauswirkungen der Luftfahrt beitragen.
3. Batterieanforderungen für die Elektrifizierung
Batterien sind für die Elektrifizierung der Luftfahrt von entscheidender Bedeutung, insbesondere für kleine Flugzeuge. Eine effektive Elektrifizierung ist jedoch eine Herausforderung, da eine hohe Energie- und Leistungsdichte bei gleichzeitiger Gewährleistung von Sicherheit und Haltbarkeit erforderlich ist. Die Erhöhung der Energiedichte geht oft zu Lasten der Sicherheit, da Zellen mit höherer Dichte anfälliger für Überhitzung sind. Auch das Gewicht von Batteriesystemen wirkt sich auf die Effizienz und die Reichweite von Flugzeugen aus, so dass ein ausgewogenes Verhältnis zwischen Energiespeicherung und Gewicht unerlässlich ist.
Die Technologie der Immersionskühlung entwickelt sich zu einer überlegenen Lösung, um die mit einer hohen Energiedichte in Batteriesystemen verbundenen Risiken wirksam zu reduzieren. Im Gegensatz zur herkömmlichen Luft- oder Flüssigkeitskühlung, bei der es oft schwierig ist, die Wärme gleichmäßig abzuleiten und lokale Hotspots zu vermeiden, taucht die Tauchkühlung die Zellen in dielektrische Flüssigkeit ein und sorgt so für ein konsistentes und effizientes Wärmemanagement. Dieser Ansatz reduziert Hotspots, die zu Ausfällen führen, erheblich, verbessert die Leistung und vereinfacht das Kühlsystem, da keine komplexen Wärmetauscher erforderlich sind. Darüber hinaus wird durch die Immersionskühlung ein thermisches Durchgehen von Lithiumbatterien wirksam verhindert, was einen großen Sicherheitsvorteil darstellt.
Bei EXOES haben wir bewiesen, dass die Immersionskühlung optimale Batterietemperaturen aufrechterhält, was die Sicherheit erhöht und die Lebensdauer der Batterie verlängert. Durch umfangreiche Erfahrungen, Versuche und Kundenprojekte ist es EXOES gelungen, die Menge der verwendeten Flüssigkeit zu minimieren und das Gewicht herkömmlicher Konstruktionen zu erreichen, während die Leistungs- und Sicherheitsvorteile der Immersionskühlung erhalten bleiben. Eine hohe Leistungsdichte erfordert eine schnelle Energiebereitstellung für Start und Manöver, und die Immersionskühlung erfüllt diese Anforderungen, was sie zu einer Schlüsselinnovation für die Elektrifizierung der Luftfahrt macht. Die Immersionskühlung hat den zusätzlichen Vorteil, dass sie die Temperaturen in den Batterien ausgleicht und die Gesamttemperatur der Zellen senkt, was zu einer längeren Lebensdauer führt und die CO2-Belastung im Vergleich zu herkömmlichen Konstruktionen weiter reduziert.
Die Weiterentwicklung der Batterietechnologie ist für eine emissionsfreie Luftfahrt unerlässlich. Um den Anforderungen des Sektors gerecht zu werden, werden neue chemische Verfahren und fortschrittliche Kühltechniken benötigt. Auch die Infrastruktur muss entwickelt werden, wobei die Elektrifizierung der Start- und Landebahnen für die Einführung vollelektrischer Flugzeuge entscheidend ist. Die Zusammenarbeit zwischen Luft- und Raumfahrtunternehmen, Batterieentwicklern und -herstellern sowie Forschungsinstitute wird dazu beitragen, den Fortschritt zu beschleunigen. Darüber hinaus werden öffentliche und private Investitionen in die Elektrifizierungsinfrastruktur, z. B. in Ladesysteme für Start- und Landebahnen, den Weg für die breite Einführung von Elektroflugzeugen ebnen. Die Bewältigung der Herausforderungen in Bezug auf Energiedichte, Sicherheit und Gewicht wird eine Zukunft ermöglichen, in der elektrisches Fliegen machbar und wirtschaftlich tragfähig ist und zu einer erheblichen Verringerung der Emissionen beiträgt.
Schlussfolgerung
Der Luftfahrtsektor steht an der Spitze des weltweiten Übergangs zu einem emissionsfreien Verkehr, und EXOES hat sich verpflichtet, einen saubereren Himmel zu ermöglichen. Unser Fachwissen im Bereich der Immersionskühlung und der Batterietechnologie macht uns zu einem führenden Unternehmen bei der Unterstützung der Dekarbonisierungsziele der Branche.