Elektroflugzeuge bieten große Klimavorteile

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Forscher der Technischen Universität Chalmers, Schweden, haben die weltweit erste Lebenszyklusanalyse (LCA) eines bestehenden, zweisitzigen, vollelektrischen Flugzeugs durchgeführt und einen direkten Vergleich mit einem gleichwertigen, mit fossilen Brennstoffen betriebenen Flugzeug durchgeführt. Der Studie zufolge sind die Klimaauswirkungen des Elektroflugzeugs bereits nach einem Viertel der erwarteten Lebensdauer geringer als bei den auf fossilen Brennstoffen basierenden Flugzeugen, sofern Ökostrom genutzt wird. Die Kehrseite ist jedoch die zunehmende Verknappung der Bodenschätze.

Der Luftverkehr hat in den letzten Jahrzehnten erheblich zugenommen und ist jährlich für etwa 2 Prozent der weltweiten Kohlendioxidemissionen und etwa 4 Prozent aller Auswirkungen des Klimawandels verantwortlich. Während die Luftfahrt einen wichtigen Beitrag zum Klimawandel und anderen Umweltproblemen leistet, ist die Elektrifizierung eine Option zur Reduzierung dieser Umweltauswirkungen. Die ersten Elektroflugzeuge sind bereits heute im Einsatz und es handelt sich überwiegend um Kleinflugzeuge, die für die Pilotenausbildung und Kurzflüge in der näheren Umgebung eingesetzt werden. Dies ist der Flugzeugtyp, der in der Ökobilanz untersucht wurde.

„Kurzfristig werden batteriebetriebene Elektroflugzeuge wahrscheinlich vor allem für kürzere Strecken eingesetzt, etwa für das, was in Norwegen „Fjord-Hopping“ genannt wird, also kürzere Flüge zwischen tiefen Fjorden. „In einer größeren Perspektive zeigt die Studie, dass batteriebetriebene Elektroflugzeuge das Potenzial haben, die Umweltauswirkungen der Luftfahrt deutlich zu reduzieren“, sagt Rickard Arvidsson, der Hauptautor der Studie von Chalmers.

Die Studie: gleiches Flugzeug, aber anders

Das Team untersuchte in der Ökobilanz ein kommerziell erhältliches batterieelektrisches Flugzeug mit zwei Sitzen, die „Pipistrel Alpha Electro“. Das gleiche Flugzeug gibt es auch als Modell mit fossilem Antrieb, was den Forschern einen direkten Vergleich ermöglicht. Das Team untersuchte die gesamten Auswirkungen jedes Flugzeugs von der „Wiege bis zur Bahre“ – von der Rohstoffgewinnung bis zum Lebensende – mit einer funktionalen Einheit von 1 Stunde Flugzeit. Daten und Aufzeichnungen des Flugzeugherstellers flossen in die Studie ein.

Dabei wurde ein breites Spektrum an Wirkungskategorien berücksichtigt, wobei der Schwerpunkt auf der globalen Erwärmung durch Treibhausgasemissionen (z. B. Kohlendioxid), der Verknappung von Bodenschätzen durch die Verwendung seltener Mineralien (z. B. Lithium für die Batterien), der Feinstaubbildung durch Partikelemissionen und der Versauerung lag durch saure Emissionen (z. B. Stickoxide) und bodennahe Ozonbildung durch Emissionen von Stickoxiden und Kohlenwasserstoffen.

„Die wichtigste Erkenntnis aus dieser Studie ist, dass kleine Elektroflugzeuge deutlich geringere Auswirkungen auf das Klima – bis zu 60 Prozent weniger – und andere Arten von Umweltauswirkungen haben können als gleichwertige Flugzeuge mit fossilen Brennstoffen. Allerdings gibt es einen Kompromiss hinsichtlich der Knappheit der Bodenschätze – selbst im günstigsten Szenario sind es etwa 50 Prozent mehr, hauptsächlich aufgrund seltener Metalle in den Batterien der Elektroflugzeuge“, sagt Rickard Arvidsson.

Wie auch bei Elektroautos ist das Elektroflugzeug aus klimatischer Sicht vergleichsweise schlechter, wenn das Flugzeug fabrikneu ist, da die Herstellung der Batterie viel Energie und Ressourcen verbraucht. Mit der Zeit nehmen die relativen Auswirkungen dann ab, wenn das Elektroflugzeug im Einsatz ist und seine Vorteile realisiert werden – nämlich der emissionsfreie Elektroantrieb. Je länger das Elektroflugzeug genutzt wird, desto besser wird es für die Umwelt und schließlich wird ein „Break-Even“-Punkt erreicht.

Nach etwa 1.000 Flugstunden überholt das Elektroflugzeug die mit fossilen Brennstoffen betriebenen Flugzeuge hinsichtlich der geringeren Klimabelastung, danach ist das Elektroflugzeug besser für die Umwelt. Dies wird in kg CO2-Äquivalent/h – Kohlendioxidäquivalent pro Flugstunde – gemessen und gilt unter optimalen Bedingungen, bei denen grüne Energie genutzt wird. Jede weitere Nutzung wird somit zu einem „Klimavorteil“ im Vergleich zum herkömmlichen Flugzeug. Die geschätzte Lebensdauer des Flugzeugs beträgt mindestens 4.000 Stunden und ist damit viermal so lang wie die Break-Even-Zeit.

„Die Lebensdauer der Lithium-Ionen-Batterien müsste jedoch etwa doppelt so lang sein, damit die Rohstoffknappheit bei Elektroflugzeugen und Flugzeugen mit fossilen Brennstoffen in etwa gleich groß wäre. Alternativ könnten wir über die doppelte Energiespeicherkapazität verfügen, sodass für die gleiche Flugzeit nur einer von zwei Akkus an Bord benötigt wird“, sagt Senior Researcher Anders Nordelöf, einer der anderen Autoren der Studie.

Neue und bessere Batterien für eine grünere Zukunft

In der Studie diskutieren die Forscher die Weiterentwicklung von Batterien als einen wichtigen Schritt hin zu geringeren Lebenszyklusauswirkungen des Elektroflugzeugs. Bereits heute – aber nach Durchführung der Studie – ist es dem Hersteller des Flugzeugmodells gelungen, die Lebensdauer der Batterien um das Dreifache zu verlängern. Neue Batterietechnologien könnten sowohl die Klimaauswirkungen als auch die Ressourcenknappheit weiter verbessern.

„Es gibt eine ständige Weiterentwicklung von Lithium-Ionen-Batterien, die die Umweltleistung des Elektroflugzeugs verbessern und es relativ noch besser machen können als das mit fossilen Brennstoffen betriebene Flugzeug. Es gibt auch neue Batterietechnologien, die entwickelt und auf längere Sicht auf Elektroflugzeuge anwendbar sein könnten, wie beispielsweise Lithium-Schwefel-Batterien, obwohl diese sich noch in einer frühen Phase der Technologieentwicklung befinden“, sagt Rickard Arvidsson.

Mehr zur Forschung

Die Forschung wird in einem Artikel vorgestellt: „Ökobilanz eines zweisitzigen vollelektrischen Flugzeugs“, veröffentlicht in Das International Journal of Life Cycle Assessment.

Die an der Studie beteiligten Forscher sind Rickard Arvidsson, Anders Nordelöf und Selma Brynolf. Die Forscher sind an der Chalmers University of Technology in Schweden tätig.

Diese Arbeit wurde durch Open-Access-Mittel der Chalmers University of Technology unterstützt.

https://doi.org/10.1007/s11367-023-02244-z

Über das Flugzeug

Bei dem Elektroflugzeug der Studie handelt es sich um einen in Slowenien hergestellten Pipistrel Alpha Electro. Die Flügel haben eine Spannweite von etwas mehr als 10 Metern und das Flugzeug wiegt voll beladen 550 kg. Die maximale Flugzeit beträgt etwa eine Stunde, zuzüglich Reserve. Bei der Batterie handelt es sich um eine 21 kWh NMC (Nickel-Mangan-Kobalt)-Lithium-Ionen-Batterie, der Motor leistet 60 kW. Der Alpha Electro war ein Vorserienmodell und wurde durch ein weiterentwickeltes Serienmodell ersetzt.

Die in der Studie verglichenen, auf fossilen Brennstoffen basierenden Flugzeuge haben den gleichen Grundaufbau wie die Elektroflugzeuge. Die Unterschiede bestehen hauptsächlich in einem Flugbenzinmotor und einem Kraftstofftank anstelle eines Elektromotors und von Batterien.

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