Die Welt der Luftfahrt verändert sich. Eine rationale Analyse macht es offensichtlich, dass Kurz- und Mittelstreckenflüge batterieelektrisch werden und Langstreckenflüge mit aufgerüsteten Biokraftstoffen betrieben werden. Aber es gibt sowohl Herausforderungen als auch tiefe Vorurteile bei diesem Paradigma, die verhindern, dass dies eine universelle Sichtweise ist.
Nachdem ich in den letzten Jahren in verschiedenen Formen daran gearbeitet habe, wirtschaftliche Vergleiche verschiedener Kraftstoffpfade durchgeführt, Kurven von Batteriedichte vs. Kosten vs den spezifischen Herausforderungen der luftfahrtbedingten Erwärmung verbringe ich nicht mehr viel Zeit mit Alternativen zu diesem Weltbild. Drei Dinge haben jedoch in den letzten Tagen einen kleinen Tiefgang ausgelöst.
Die erste war eine Reaktion auf mein Gespräch mit Anders Forslund, CEO von Heart Aerospace. Er und sein Team verfolgen einen sehr pragmatischen, inkrementalistischen Schritt zur elektrischen Luftfahrt. Das zweite war Ankündigung von Wright Electric dass bis 2026 ein 100-sitziger elektrischer Regionaljet zertifiziert und in Betrieb sein würde. Das dritte waren zwei Ankündigungen von ZeroAvia, dass es bis 2024 19 und 76 Passagierflugzeuge mit Wasserstoffantrieb in Westeuropa bzw. im pazifischen Nordwesten der USA geben wird.
Aber zunächst kurz die Herausforderungen beim Ersatz von Flugbenzin.
Düsentreibstoff ist ausgezeichnet, wenn die Atmosphäre eine Kanalisation ist
Ein Flugzeug in die Luft zu heben, dort Hunderte oder Tausende von Kilometern zu halten und mit Sicherheitsreserven zu landen, kostet viel Energie. Jet- und Turboprop-Kraftstoffe gehören zu den Familien Kerosin und Naphtha-Kerosin. Sie sind ziemlich billig, etwa 2 US-Dollar pro Gallone oder 0,55 US-Dollar pro Liter vor der Pandemie, obwohl sie derzeit zusammen mit den meisten fossilen Brennstoffen um 10-20% gestiegen sind. Sie haben eine hohe Energiedichte pro Gewicht und Volumen. Das bedeutet, dass sie nicht viel Gewicht und Platz im Flugzeug beanspruchen und genügend Fracht oder Passagiere ermöglichen, um die Kosten vernünftig und die Preise relativ niedrig zu halten.
Und sie sind einfach zu verwalten. Da sie bei den meisten normalen Temperaturen Flüssigkeiten sind, lassen sie sich leicht verrohren, transportieren und pumpen. Sie lassen sich leicht in Flugzeugen vom Treibstofftank zu den Motoren bewegen. Sie sind effizient und effektiv, solange wir die Atmosphäre wie einen offenen Abwasserkanal behandeln dürfen und uns nicht um globale Erwärmung oder Luftverschmutzung kümmern.
Es ist wirklich schwer, etwas zu ersetzen, das billig, leicht, effektiv und praktisch ist.
Die Zertifizierung von Verkehrsflugzeugen ist schwierig und teuer
Eines der Dinge, über die sich viele Luft- und Raumfahrtingenieure in den letzten zehn Jahren gefreut haben, ist die schiere Freiheit, die vollelektrische Antriebe für Flugzeuge bieten. Eine ganze Reihe von Einschränkungen wurde aufgehoben, und als Ergebnis tauchen viele wirklich seltsam aussehende Flugzeugzellen auf. Kipprotorsysteme wie Jobys, hochskalierte Quad-, Hexa- und Oktacopter wie Ehang und Kippflügel-36-Turbofan-Designs wie Lilium erhalten viel Medienaufmerksamkeit und YouTube-Aufrufe. Es gibt sogar einen, der die gleichen Prinzipien wie Dyson-Fans für den Antrieb verwendet, was mich ein wenig brauchte, um meinen Kopf zu drehen.
Aber keines davon ist in angemessener Zeit aus der Ferne zertifizierbar.
Die Strategie von Heart Aerospace besteht darin, ein einfach zu zertifizierendes Hochdecker-Hochdeckerflugzeug mit 19 Passagieren zu bauen. 19 Passagiere sind wichtig, da die behördliche Zulassung für ein Flugzeug mit 20 Passagieren die gleiche ist wie für ein Flugzeug mit 800 Passagieren. Das hochflügelige, aerodynamische Schuhkarton-Design ist nur ein kleines Dash-7 und verwendet Standard-Avionik und andere Komponenten. Die ganze Neuheit steckt in den Gondeln, mit genau null Neuheit an anderer Stelle. Dadurch ergeben sich die Vorteile einer speziell für Batterien und Elektromotoren entwickelten Flugzeugzelle mit einem vergleichsweise einfachen Weg zur Zertifizierung.
Wright und ZeroAvia gehen den alternativen Weg, den Harbour Air bereits beschritten hat, nämlich ein altes Flugzeug mit zertifiziertem Rahmen zu kaufen und die neuen Elektromotoren, Treibstofftanks, Kraftwerke und dergleichen hineinzustecken. Dies ist sehr ähnlich wie Teslas Wahl mit dem ursprünglichen Roadster, ist aber möglicherweise viel weniger schmerzhaft, als sich der Roadster herausstellte. Dies lässt sie mit einer vorzertifizierten Flugzeugzelle mit einem Flugsicherheitsprotokoll, einem Wartungsprotokoll und dergleichen zurück, und die Neuheit beschränkt sich auf ein ersetztes Energiespeicher-, -lieferungs- und -motorsystem. Beide haben die Absicht, irgendwann in der Zukunft ganz neue Flugzeugzellen zu bauen, aber beide beschäftigen sich mehr mit dem Antriebsstrang.
Wright beabsichtigt, dies weiter zu erhöhen, indem er jeweils einen Motor ersetzt, bis alle vier Motoren bis 2026 durch Elektromotoren ersetzt werden. Dies hat natürlich Vor- und Nachteile. So wie die Elektrifizierung von Oldtimern oder sogar die Herstellung neuer Elektroautos mit Batterien und Motor, die anstelle von Benzintank und Motor aufgetaucht sind, zu erheblichen Kompromissen führt, so führt auch der Versuch, neue Antriebssysteme in Flugzeuge zu integrieren, die für die oben genannten billigen, leichten, effektiven und bequemen Kraftstoffe optimiert sind heute verwendet.
Wasserstoff senkt den Umsatz und erhöht die Kosten erheblich
Im Fall von ZeroAvia braucht es einen Dash 8-400 mit 90 Passagieren, der 14 der Sitze, etwa 16% der zahlenden Passagiere und vermutlich einen Teil des Gepäckraums herausreißt, um die Wasserstofftanks und Brennstoffzellen einzuklemmen . Wrights Whitepaper zu seinen Betankungsoptionen macht dasselbe zu Wasserstoff als Kraftstoff und weist darauf hin, dass sie 20 % der Passagiersitze abbauen müssten. Das ist also Problem eins mit Wasserstoff. Im Grunde nehmen Sie bei jedem Flug für eine vergleichbare Flugzeugzelle einen Umsatzrückgang von 16-20% ein. Das ist ein Problem.
Und Wasserstoff ist auch viel teurer. Das Whitepaper von Wright zu seinen Kraftstoffoptionen trifft einige wirklich interessante Entscheidungen, um die Kosten für Wasserstoff zu rechtfertigen. Das Unternehmen verwendet eine von McKinsey erstellte Preisprognose für 2040 für a Wasserstoff-Luftfahrt-Konsortium Diese Behauptung, dass an Flughäfen verflüssigten, gekühlten Wasserstoff geliefert wird – unter der Annahme einer massiven Wasserstoffwirtschaft und alle Bodenfahrzeuge, die mit Wasserstoff betrieben werden – wird bei 2,60 bis 3,50 USD pro Kilogramm liegen. Im Jahr 2040 Dollar dazu, oder etwa 1,6 bis 2,20 Dollar im Jahr 2021.
1,6 bis 2,20 USD pro kg H2. Einzelhandel. Geliefert. Gekühlt. Zu sagen, dass dies so wahrscheinlich ist wie Schweine, die Flügel entwickeln und zu persönlichen Flugzeugen für Landwirte werden, ist für die Chancen der Schweine unnötig hart.
Wie die Stromgestehungskosten von Lazard für Wasserstoff deutlich machen, benötigen Sie beide unglaublich billige Elektrolyseure – billiger als alles, was wir derzeit bauen –, die mit 90 % der Kapazität 24/7/365 mit 20 US-Dollar pro MWh Strom laufen, um die Produktionskosten unter 3 US-Dollar zu senken. Das sind keine Großhandelskosten, das sind die Produktionskosten. Das sind keine Einzelhandelskosten. Davon ausgenommen sind Lager-, Verteilungs- und Kühlkosten.
Schwarzer, brauner und grauer Wasserstoff aus fossilen Brennstoffen ohne CO2-Abscheidung, der heute in ausreichenden Mengen zum Antrieb von Autos und Lastwagen geliefert wird, kostet in den USA etwa 15 USD pro kg Einzelhandel und 8-10 USD in Europa, wo es gibt Wasserstofftäler. Ohne Kühlung, nur Druckaufbau.
Wright, ZeroAvia und andere wetten darauf, dass die Wasserstoffkosten im Einzelhandel im Jahr 2040 etwa 10-15% des heutigen Wertes betragen werden. Auch hier sind fliegende Schweine wahrscheinlicher.
CO2-neutraler Wasserstoff wird teurer sein als der heutige Einzelhandels-Wasserstoff. Sowohl die CO2-Abscheidung und -Sequestrierung in Erdgas-Dampfreformierungsanlagen als auch die Elektrolyse mit Strom werden teurer als nur das CO2 aus der Erdgasverarbeitung wegzuwerfen. Es gibt keine Möglichkeit, diesen wirtschaftlichen Kreis zu quadrieren. Realistischer ist die Annahme, dass sich Wasserstoff, gekühlt und geliefert, im Jahr 2021 bei etwa 8 bis 10 US-Dollar einpendeln würde, wenn es jemals zu einer zukünftigen Wasserstoff-Brennstoffwirtschaftlichkeit kommen würde.
Jet A-Kraftstoff hat eine Energiedichte von 42,8 MJ/kg. Wasserstoff hat eine Massenenergiedichte von 120 MJ/kg. Das bedeutet, dass Sie bei sonst gleichen Bedingungen ein Drittel der Masse an Wasserstoff benötigen, um die gleiche Strecke zurückzulegen. Ein Kilogramm Jet-A-Treibstoff entspricht etwa 1,2 Litern, kostet also zu heutigen Preisen etwa 0,72 US-Dollar. Bei 8 US-Dollar pro kg und der höheren Energiedichte kostet Wasserstoff etwa 2,70 US-Dollar für die gleiche Energiemenge oder etwa das Vierfache.
Flugbenzin machte vor der jüngsten Preiserhöhung etwa 19% der Ausgaben einer Fluggesellschaft aus. Ein kohlenstoffarmer Wasserstoff würde die Gesamtkosten um fast 60 % erhöhen, und 50 % der Gesamtausgaben der Fluggesellschaften würden auf Treibstoff entfallen.
Also 20 % weniger Umsatz und 60 % höhere Betriebskosten. Das macht doppelte Kosten pro Passagier oder Frachtmeile. Wenn Wasserstoff die einzige Wahl wäre, wäre dies potenziell machbar. Wir würden am Ende viel weniger fliegen, da der Markt seine Magie vollbracht hat, aber okay. Und das ist der Endzustand. Tatsächlich ist kohlenstoffarmer Wasserstoff, der in den nächsten zehn Jahren in Europa und Nordamerika für Flugzeuge bereitgestellt wird, 20-50 % teurer, so dass viele zusätzliche Treibstoffkosten anfallen werden, bevor sich das untere Ende stabilisiert.
Ein wasserstoffbetriebenes Flugzeug müsste jedoch auch an allen möglichen Umleitungsflughäfen über eine Wasserstoff-Betankungsinfrastruktur verfügen, sonst bleibt es bei der ersten Landung irgendwo außer am Start oder Anfang dort stecken, bis Massen von verflüssigtem Wasserstoff geliefert werden können, wohin es auch geht ist mit großen Kosten verbunden. Ja, die Kosten verdoppeln, bevor alle Infrastruktur- und Lieferkettenkosten für die Bereitstellung von Wasserstoff an jedem wahrscheinlichen Umleitungsflughafen hinzugerechnet werden.
Wright erkennt die Hälfte dieses Problems an, nämlich die Verringerung der Einnahmen um 20 %, stützt seine Prognosen für die Treibstoffkosten jedoch auf das dünnste Gewebe. Selbst dann mag es die Zahlen nicht.
Und das ist der erste Teil dieser Serie zum Betanken der Luftfahrt. Die Probleme sind nicht hartnäckig, aber sie verlangsamen das Tempo des Wandels erheblich. Und Wasserstoff ist eine sehr teure Alternative, daher werden andere Optionen, die weniger teuer sind und gleiche oder bessere Eigenschaften haben, dominieren. In Teil 2 wird Wrights wirklich seltsame Vorstellung von Aluminium-Luftbatterien – etwas, das anscheinend von einigen Enthusiasten und einer Reihe von Akademikern geteilt wird – angesprochen. In Teil 3 Biokraftstoffe und die Zusammenfassung.
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