Nachhaltiges Fliegen: Der klassische Verbrenner hat im Luftverkehr noch viel Potenzial

Auf dem Weg zum emissionsfreien Fliegen ist die Verbrenner-Technologie unverzichtbar. Das sind die Wege, wie die Motoren effizienter werden können.


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Frankfurt Die Experten sind sich einig: Beim Ziel eines emissionsfreien Luftverkehrs nur auf eine Technologie zu setzen würde zu kurz greifen. Derzeit weiß keiner, was am Ende die Lösung sein wird – ob es nur eine Technologie sein wird, oder das Nebeneinander mehrerer Ansätze. Deshalb muss auch die herkömmliche Verbrenner-Technologie weiterentwickelt werden. Für die Forscher und Entwickler gibt es mehrere Favoriten.


Der Getriebefan


Große Hoffnungen liegen auf dem Getriebefan, der vor einigen Jahren von Pratt & Whitney und der deutschen MTU entwickelt und in den Markt gebracht wurde. Normalerweise sitzen der Fan und die Niederdruckturbine eines Triebwerks auf einer Welle und drehen mit nur einer Geschwindigkeit. Beim Getriebefan sind beide durch ein Getriebe miteinander verbunden und können sich mit unterschiedlichen Drehzahlen drehen.

Das eröffnet neue Möglichkeiten: Da der Fan langsamer und die Niederdruckturbine schneller dreht, können die sogenannten Nebenstromverhältnisse optimiert werden. Das steigert wiederum den Wirkungsgrad des Motors und senkt so die Emissionen weiter ab. Deshalb sind die heutigen Getriebefans bereits deutlich effizienter als herkömmliche Flugzeugmotoren.


Und da geht noch mehr, glaubt man bei Herstellern wie etwa der Münchener MTU Aero Engines. Durch eine weitere Optimierung der Nebenstromverhältnisse könne der Getriebefan in den kommenden Jahren noch effizienter gemacht werden.



In einem aktuellen Whitepaper des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR) und des Bundesverbandes der Deutschen Luft- und Raumfahrtindustrie (BDLI) geht man davon aus, dass so eine Treibstoffeinsparung um bis zu 36 Prozent – im Vergleich zu einem Triebwerk aus dem Jahr 2000 – erreicht werden kann. Allerdings steigt die Temperatur dadurch höher. Deshalb wird an Konzepten gearbeitet, mit denen das Triebwerk gekühlt werden kann. Der Einsatz eines Abgaswärmetauschers wäre zum Beispiel denkbar.


Der Water Enhanced Turbofan


Ein weiterer Ansatz ist der sogenannte Water Enhanced Turbofan, an dem ebenfalls MTU arbeitet. Die Idee hinter dem WET-Engine-Konzept: In eine normale Gasturbine wird ein Dampfkraftprozess integriert. Vereinfacht ausgedrückt, wird Wasserdampf in die Turbine eingespritzt. Die sogenannte nasse Verbrennung reduziert die Stickoxidbelastung fast vollständig und steigert die Effizienz, beziehungsweise senkt den Treibstoffverbrauch um bis zu 15 Prozent. Außerdem kann nach ersten Erkenntnissen die Bildung von Kondensstreifen verringert werden. Sie gelten bei Klimaforschern als mitverantwortlich für die Erderwärmung. Technisch wird in einem Wärmetauscher im Triebwerk Wasser verdampft und in die Brennkammer eingespritzt. Das Problem hierbei: Man braucht neue Komponenten wie Kondensatoren, Wärmetauscher und Dampferzeuger, die Platz finden müssen und das Gewicht eines Flugzeugs erhöhen. Dennoch glauben etwa die Experten der MTU, dass diese Technologie bei einem gleichzeitigen Einsatz von alternativen beziehungsweise synthetischen Treibstoffen das Potenzial hat, die Emissionen auf Langstreckenflügen weitgehend zu reduzieren. Der Flox-Brenner

Einen anderen Weg geht man beim Flox-Brenner. Flox steht dabei für „flammenlose Oxidation“. Dabei werden Brennstoff, Luft und Abgas in einem optimalen Verhältnis vermischt. Das führt dazu, dass weniger Stickoxide emittiert werden. Die Technologie stammt eigentlich aus dem industriellen Bereich, sie muss nun für die Luftfahrt weiterentwickelt werden. Entdeckt hat das Konzept Alfred Wünning, ein begeisterter Tüftler und Gründer der Firma WS Wärmeprozesstechnik in Renningen, Baden-Württemberg, im Jahr 1990. Der Unternehmer startete Versuche, um die Stickstoffemissionen in einem Brenner für Industrieöfen zu reduzieren. In einem dieser Versuche stieg die Temperatur auf 1000 Grad Celsius. An diesem Punkt sah Wünning plötzlich keine Flamme mehr durch ein installiertes Schauglas. Und noch etwas beobachtete er: Die Anzeige für die Stickoxid-Emissionen sank auf null.


Heute wird die Technik etwa in modernen Kohlekraftwerken eingesetzt. Das Ganze in einem eher kleinen Triebwerk umzusetzen ist allerdings sehr komplex. Unter anderem müssen die Strömungs- und Verbrennungsprozesse genau verstanden werden, um auch in großen Höhen eine optimale „Flox-Verbrennung“ zu erreichen.

Daran forscht etwa das DLR. Doch die spezielle Brenner-Technologie bietet viele Vorteile, nicht nur hinsichtlich der Stickoxid-Emissionen. Sie kann auch alle möglichen Arten von Brennstoffen „verzehren“. Das macht den Flox-Brenner vielseitig, sollte die Technologie irgendwann serienreif sein.


Synthetische Treibstoffe

Alle diese neuen Motorentechnologien haben allerdings eines gemeinsam: Sie brauchen noch Zeit. Deshalb setzt die Branche kurzfristig große Hoffnungen auf synthetische Treibstoffe, die dem Kerosin beigemischt werden können. Sie werden zum Beispiel aus Biomasse oder unter Einsatz von regenerativem Strom hergestellt. Einige dieser Treibstoffe sind ohne Änderung des Flugzeugmotors einsetzbar (Drop-in-Treibstoffe), andere erfordern technische Umbauarbeiten (Near-Drop-in).

Synthetische Treibstoffe produzieren bei der Verbrennung weniger Emissionen. Das Deutsche Luft- und Raumfahrtzentrum und der Bundesverband der Deutschen Luft- und Raumfahrtindustrie benennen in ihrem gemeinsamen Grundsatzpapier bei Drop-in-Kraftstoffen eine Reduzierung von bis zu 40 Prozent. Die Ruß- und Partikelemissionen können sogar um bis zu 70 Prozent gesenkt werden. Bei Near-Drop-in-Treibstoffen sollen die CO2-Emissionen um bis zu 80 Prozent sinken, der Ausstoß von Ruß und Partikeln soll sogar ganz unterbunden werden.

Das Problem: „Synthetische Treibstoffe sind sicher eine gute Brückentechnologie. Im Moment können wir diese Brücke aber noch nicht betreten“, sagt DLR-Vorstandsmitglied Rolf Henke. Der Einsatz gelinge im Laborbetrieb und auf einzelnen Strecken auch im Echtbetrieb. „Aber für den großflächigen Einsatz brauchen wir viele Millionen Tonnen alleine in Deutschland.“

Die Fluggesellschaften klagen schon länger darüber, dass es bisher zu wenig synthetischen Kraftstoff gibt – und dieser deshalb noch zu teuer sei. Es müsste zunächst eine Testraffinerie gebaut werden, um Erfahrungen zu sammeln, mit denen man dann in die Massenfertigung gehen könne, so Henke: „Der gesamte Prozess wird sicher noch zehn Jahre dauern.“

Damit die Hersteller diesen Aufwand überhaupt betreiben, brauchen sie eine gewisse Investitionssicherheit. Bisher, so kritisieren Branchenvertreter, fehlt es an verlässlichen Rahmenbedingungen. Die Bundesregierung plant zurzeit nur eine verpflichtende Beimischungsquote von lediglich zwei Prozent bis 2030. Die Grünen fordern dagegen zehn Prozent. „Es ist immer gut, sich hohe Ziele zu setzen, etwa bei der Beimischungsquote. Aber die Ziele müssen auch erreichbar sein“, sagt Henke.


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