Hydrogen-powered aviation - techno-economics of flying with green liquid hydrogen

a holistic evaluation of the pathway to climate-friendlier air travel

verfasst von

Julian Hölzen

betreut von

Richard Hanke-Rauschenbach

Abstract

Der Luftfahrtsektor strebt die CO2-Neutralität bis 2050 an. Jedoch gibt es zum Erreichen des Ziels bisher keine einzelne, klar überlegende Technologie. Konzepte zur Dekarbonisierung wie neue Flugzeuge mit Wasserstoff-(H2)-Antrieben erfordern nicht nur einen neuen Flugzeugentwurf, sondern auch neue Energiebereitstellungsinfrastruktur sowie neue Betriebskonzepte im Luftfahrtsystem. Im Gegensatz dazu könnten existierende Flugzeuge beim Einsatz nachhaltiger Kraftstoffe (SAF) weiter genutzt werden, wobei aber deren Wirtschaftlichkeit aufgrund hoher Kraftstoffkosten im Vergleich zu H2-betriebenen Flugzeugen geringer sein könnte. Die Zeit zum Treffen der notwendigen Technologieentscheidungen ist jetzt. Denn eine neue Produktgeneration im „Single-Aisle“-Flugzeugsegment, das die meisten Starts und etwa 50% der Emissionen in der kommerziellen Luftfahrt ausmacht, wird schon in den 2030er Jahren erwartet. Dafür müssen die endgültigen Investitionsentscheidungen der Flugzeughersteller bereits in weniger als 5 Jahren getroffen werden. Diese neuen Flugzeuge werden die Entwicklung der Klimawirkungen des Sektors in den nächsten 20-30 Jahren prägen und darüber entscheiden, ob das Ziel der CO2-Neutralität bis 2050 erreicht werden kann. Folglich wird in dieser Dissertation eine umfassende techno-ökonomische Untersuchung für Wasserstoffantriebe in diesem Flugzeugsegment durchgeführt. Es wird gezeigt, dass die Betriebskosten für Fluggesellschaften allein durch neue H2-betriebene Single-Aisle-Flugzeuge um durchschnittlich 5% steigen würden. Dafür sind wesentliche technologische Entwicklungen erforderlich – unter anderem leichte und kompakte Flüssigwasserstoff-(LH2)-Tanks, effiziente H2-Verbrennungsturbinen und eine sichere Integration des H2-Treibstoffsystems. Darüber hinaus zeigt die Betriebskostenanalyse, dass die Versorgungskosten für grünen LH2 die Hauptunsicherheit zur Wirtschaftlichkeit dieser Flugzeuge ausmacht. Dabei deuten 2050-Nachfrageszenarien schon darauf hin, dass möglicherweise große H2-Liefermengen für den Luftverkehr erforderlich sein könnten. Mit jährlichen Bedarfen von 100 ktLH2 oder mehr könnten große nationale und interkontinentale Drehkreuzflughäfen eine besondere Rolle als H2-Hubs übernehmen und den regionalen H2-Verbrauch dominieren. Für die Luftfahrt sind drei Bereitstellungsketten von grünem LH2 von Relevanz: Vor-Ort-Produktion von LH2 sowie Import von LH2 oder gasförmigem H2 von Produktionsorten außerhalb des Flughafens. Im Basisfallszenario 2050 ergeben sich in einer ersten Optimierung Kosten in Höhe von 2,04 USD/kgLH2 an Standorten mit guten Bedingungen für erneuerbare Energieerzeugung. Dies würde zur Wettbewerbsfähigkeit von Flügen mit H2 im Vergleich zu fossilem Kerosin in Verbindung mit Emissionsabgaben führen. Die Hauptkosten für LH2 werden durch die erneuerbare Energieversorgung, Wasserelektrolyse und H2-Verflüssigung verursacht. Das LH2-Betankungssystem macht nur 3-5% der Gesamtkosten aus. Wenn zusätzlich technisch-wirtschaftliche Unsicherheiten reflektiert werden, ergibt sich eine Kostenspanne von 1,37–3,48 USD/kgLH2 an verschiedenen Flughäfen mit günstigeren und teureren erneuerbaren Energiequellen. Bei letzteren Standorten können niedrigere Kosten nur durch H2-Importe aus größeren H2-Märkten erreicht werden. Eine auf Europa ausgerichtete Fallstudie kombiniert die Optimierung der grünen Wasserstoffversorgung und des Flugzeugdesigns mit der Untersuchung operativer Strategien in einem bestimmten Luftverkehrsnetzwerk. Im Basisfallszenario für 2050 wird berechnet, dass LH2 an Flughäfen in Europa etwa 2–3 USD/kgLH2 kosten könnte. Damit wären die durchschnittlichen Gesamtbetriebskosten im betrachteten Netzwerk um 3% günstiger als beim Fliegen mit synthetischem Kerosin. Das "Tankering", eine betriebliche Strategie zur Senkung der Treibstoffkosten, könnte nur in der frühen Einführungsphase von H2-betriebenen Flugzeugen eine Reduzierung der Betriebskosten ermöglichen, wenn H2-Importe noch nicht im größeren Maßstab verfügbar wären. Außerdem ergibt sich, dass der Einsatz von LH2 für den Flugzeugantrieb zu geringeren Ausbauanforderungen für erneuerbare Energiekapazitäten führen könnte im Vergleich zur Nutzung von synthetischem Kerosin. Dieser Aspekt der Ressourceneffizienz ist ein weiteres wichtiges Kriterium für die Wahl der zukünftigen Dekarbonisierungstechnologie im Luftverkehr, da grüner Strom in den nächsten Jahrzehnten höchstwahrscheinlich eine stark limitierte Ressource sein wird.

Organisationseinheit(en)

Fachgebiet Elektrische Energiespeichersysteme

Typ

Dissertation

Anzahl der Seiten

152

Publikationsdatum

29.02.2024

Publikationsstatus

Veröffentlicht

Ziele für nachhaltige Entwicklung

SDG 7 – Erschwingliche und saubere Energie, SDG 8 – Anständige Arbeitsbedingungen und wirtschaftliches Wachstum, SDG 12 – Verantwortungsvoller Konsum und Produktion, SDG 13 – Klimaschutzmaßnahmen

Elektronische Version(en)

https://doi.org/10.15488/16391 (Zugang: Offen)