Elektrisch betriebene Passagierflugzeuge – ein Gedankenexperiment

Rein elektrisch betriebene Autos sind keine Zukunftsperspektive mehr, sondern Gegenwart. Auch größere Fahrzeuge wie aus Batterien elektrisch betriebene Busse und Lastkraftwagen sind prinzipiell nicht mehr nur Theorie, sondern existieren zumindest schon in Konzeptfahrzeugen und Kleinserien. Wie aber sieht es mit richtig großen Verkehrsmitteln aus? Wie sähe zum Beispiel ein elektrisch betriebenes Flugzeug aus? Ein Gedankenexperiment.

In diesem Gedankenexperiment bringen wir ein gängiges Passagierflugzeug, den Airbus A320, in einer fiktiven Elektroversion in die Luft. Das heißt: Die beiden Triebwerke des Flugzeuges sind elektrisch betrieben und der erforderliche Strom muss in irgendeiner Form mit dem Flugzeug mitreisen.

Vorab der Hinweis: Das hier ist ein Gedankenexperiment und sicherlich keine akkurat wissenschaftlich oder technisch tragfähige Machbarkeitsanalyse. Das Gedankenexperiment soll vielmehr die Dimensionen skizzieren, in denen sich die Leistungsanforderungen eines echten Flugbetriebs bewegen. Und Sie dürfen auch gern etwas schmunzeln dabei. 🙂

Das Triebwerk

Moderne Großflugzeuge besitzen durchweg Strahltriebwerke. Schematisch betrachtet wird hier ein komplexes Schaufelwerk von einer Turbine angetrieben, das einströmende Luft erhitzt und komprimiert und die dann am hinteren Ende des Triebwerks als komprimierte Luft austritt und den benötigten Schub des Flugzeuges liefert.

Die Leistung von Flugzeugtriebwerken werden für gewöhnlich nicht in (Kilo)Watt oder PS gemessen, sondern in (Kilo)Newton, da hier der Schub eine vorrangige Rolle spielt. Die Wirkleistung eines Triebwerks ist, selbst wenn es auf vollen Touren läuft, im Stillstand gleich Null. Beim Start wiederum laufen Triebwerke ebenfalls auf sehr hohen Touren bei verhältnismäßig geringen Geschwindigkeiten, während Triebwerke bei Reisegeschwindigkeiten für gewöhnlich zwischen 30 und 50 % ihrer Maximalleistung laufen.

In dieser Rechnung nähern wir uns über den Kraftstoffverbrauch und der Heizleistung von Kerosin an das Thema heran. Der mittlere Verbrauch eines modernen A320 mit typischer Beladung liegt bei etwa 2,7 Tonnen Kerosin pro Stunde. Kerosin besitzt eine Heizleistung von 42,68 Megajoule pro Kilogramm.

Mit der Rechnung

42680 kJ/kg mal 2700 kg geteilt durch 3600 s

liegen wir bei etwa 32010 kW mittlere Leistungsaufnahme und mit der Umrechnung

32010 kW mal 1,36 kW/PS

bei 43533 PS mittlere Leistung. Allerdings müssen wir hier den Wirkungsgrad eines Strahltriebwerks berücksichtigen, der liegt für gewöhnlich zwischen 20 und 24 % bei modernen Triebwerken. Nehmen wir in unserem Experiment einmal 25 % an:

32010 kW mal 0,25

und

43533 PS mal 0,25

ergeben 8002 kW bzw. 10883 PS durchschnittliche Wirkleistung. Wir bräuchten also in unserem Experiment zwei effiziente Elektromotoren mit je einer Leistung von 8 Megawatt. So etwas ließe sich sogar herstellen, es gibt durchaus Elektromotoren im Leistungsbereich von mittleren zweistelligen Megawattzahlen. Das Problem beginnt hier allerdings mit dem Gewicht: Große Elektromotoren sind schwer, beispielsweise wiegt in diesem Produktbeispiel von Menzel Elektromotoren GmbH eine Anfertigung satte 17 Tonnen. Ein normales Strahltriebwerk für den A320 wiegt etwa 2 bis 2,5 Tonnen.

Denkbar wären allerdings Elektrotriebwerke, die auf deutlich kleinere Motoren setzen oder deren Antrieb auf mehrere kleiner dimensionierte und miteinander synchronisierte Elektromotoren, wie beispielsweise in modernen ICE-Zügen. Dazu müsste allerdings das Triebwerk- und sicherlich auch das Flugzeugdesign signifikant angepasst werden.

Die Batterie

Spannend wird es mit dem Treibstoff eines gedanklich existenten, batteriebetriebenen Elektroflugzeugs, denn das ist die Batterie. Und spätestens jetzt wird es richtig gewaltig. Wenn wir als Beispiel eine der modernsten Fahrzeugbatterien nehmen, nämlich die des Tesla Model S, dann sprechen wir hier von einer Batterie mit einer Speicherleistung von bis zu 85 kWh und einem Gewicht von 540 kg.

Ein Airbus A320 hat eine Reichweite, je nach Modell, von bis zu 6150 Kilometern. Bei einer Reisefluggeschwindigkeit von 840 km/h würde dies eine Reisezeit von 7,3 Stunden ergeben. Ziehen wir hier noch die nicht berücksichtigten Faktoren von Start und Landung und des Wetters ab und rechnen wir hier weiter mit realistischeren 8 Stunden und einer durchschnittlichen Reisefluggeschwindigkeit von 770 km/h.

Bei 8 Stunden Reiseflugzeit und den obigen 8 Megawatt durchschnittliche Leistungsanforderung pro Triebwerk brauchen wir also für zwei Triebwerke eine Batterieleistung von 128 Megawatt – in etwa die Leistung, die der Reaktorblock B des Kernkraftwerks Biblis in 20 bis 30 Minuten bei Volllast produziert. Würden wir eine solche Batteriekapazität auf Basis von Batterien von Tesla Model S betrachten, wäre das folgende Rechnung:

128000 kW geteilt durch 85 kW

ergibt 1505 Model-S-Batteriepakete mit einem Gesamtgewicht von 812,7 Tonnen (darin berücksichtigt ist nicht das zusätzliche Gewicht der Batterie und der schwereren Elektrotriebwerke). Wohlgemerkt: Ein Airbus A320 kann in der Langstreckenversion maximal 30 Tonnen Kerosin bunkern. Hätten wir nur 30 Tonnen Gewichtsmöglichkeit für eine Batterie, hätten wir nur noch eine Reichweite von mageren 400 Kilometern für unser immer noch maximal beladenes Batterieflugzeug.

Der Preis einer solchen gigantischen Batterie ließe sich übrigens auch dank Tesla ungefähr beziffern, nach Angabe eines Tesla-Ingenieurs rechnet man pro 1 kWh Batterleistung mit etwa 180 Euro. Bei einer 128-Megawatt-Batterie kämen wir also mit rund 23 Millionen Euro noch vergleichsweise glimpflich davon, auch wenn der Gesamtpreis eines Airbus A320 in einer Basisausstattung selbst bei rund 67 Millionen Euro liegt.

Fazit zur Idee eines batteriebetriebenen Passagierflugzeuges

Sicherlich irgendwo technisch machbar, allerdings zeigt sich hier überdeutlich, dass unser heutiger Stand in Sachen Batterietechnik nicht ansatzweise mithalten kann mit den Energieanforderungen, die elektrisch betriebene Triebwerke bräuchten. Allerdings müssten diese gewaltigen Energiemengen auch erst einmal produziert und vor allem an Flughäfen gespeichert und schließlich auch in Flugzeuge übertragen werden können. Das ist dann auch nicht mehr einfach nur eine Geschichte, die ein Starkstromtechniker mal eben so nebenher machen könnte.

Generell ist aber zu sagen, dass die Batterie für größere Verkehrsmittel und größere Reichweiten ein denkbar schlechtes Speichermedium ist. Eine Batterie in größeren Dimensionen ist immer noch viel zu schwer und hat den Mangel, dass sie in einem Flugzeug das Transportgewicht verringert, da das Landegewicht identisch mit dem Startgewicht ist. Letzteres könnte nur gelöst werden mit einem verbrennenden Treibstoff und da sind wir automatisch bei einem anderen Hoffnungsträger des elektrischen Antriebes, nämlich der Brennstoffzelle:

Die Brennstoffzelle als Stromerzeuger?

Die Brennstoffzelle hat den Vorteil, dass sie Strom über den chemischen Prozess einer Oxydation gewinnt, gewissermaßen also eine Form der Verbrennung. Im Falle der Brennstoffzelle ist das ein Brennstoff und ein Oxydationsmittel. Für eine Brennstoffzelle, die mit regenerativen Energieträgern arbeiten soll, empfiehlt sich Wasserstoff als Brennstoff.

Auch hier lassen sich nur theoretische Mutmaßungen anstellen, da es schlicht an einer Brennstoffzelle in den Dimensionen, wie sie in einem Flugzeug benötigt würde, noch fehlt. Zumindest lassen sich einige Zahlen zu den Dimensionen des benötigten Brennstoffes sammeln, denn hier können wir über die benötigte Leistung unseres fiktiven Flugzeuges gehen und dem Richtwert, dass für 200 kWh chemische Energie etwa 6 kg Wasserstoff nötig sind. Gehen wir von den oben ermittelten 128 Megawatt aus, ergibt die Rechnung

128000 kW geteilt durch (200 kW geteilt durch 6 kg Wasserstoff)

einen Wert von 3840 kg benötigten Wasserstoff. Da wären wir sogar richtig gut dabei, denn gegenüber Kerosin wäre das eine Gewichtsersparnis von schlappen 16 Tonnen bei unserem vollgetankten Elektro-A320.

Da Wasserstoff jedoch das Element mit der geringsten Dichte ist, muss es entweder tiefgekühlt mitgeführt werden oder stark unter Druck stehend. Im Automobilbereich wird inzwischen durchweg letzteres angewandt, aktuell in Tanksystemen, die Drücke von 700 Bar gestatten. Bei beherrschbaren Temperaturen ließen sich 3,8 Tonnen Wasserstoff mit 700 Bar auf rund 108000 Liter komprimieren. Zum Transport wäre zwar ein mehr als dreimal so großes Volumen wie bei 30 Tonnen Kerosin nötig, allerdings würden diese 108000 Liter komprimiertes Wasserstoff eben nur 3,8 Tonnen wiegen. Technisch sind inzwischen auch Druckanlagen mit 1000 Bar und mehr möglich, hier liegt sicherlich noch einiges an Potential verborgen.

Faktisch gesehen wären Brennstoffzellen schon deutlich realitätsnäher, würden aber immer noch gewaltige Fragen aufwerfen, vor allem mit der Produktion des Wasserstoffes und des Transports bzw. der Lagerhaltung. Die Produktion des Wasserstoffes erfordert einen Elektrizitätsbedarf im Gigawattbereich – an praktisch jedem größeren Flughafen. Diese Energie muss zuverlässig bereitgestellt werden und darüber hinaus müssen vor Ort gewaltige Elektrolyseanlagen und Speichertanks existieren, um Millionen Liter Wasserstoff mit tieferen Temperaturen vorhalten zu können, um diese dann hochkomprimiert in Flugzeuge tanken zu können.

Ist das alles überhaupt realistisch?

Sicherlich, man mag sich diese Frage stellen und über einzelne Werte kann man sicherlich auch streiten und am Ende zu einer vielleicht ganz anderen Gesamtbewertung kommen. Faktisch gesehen ist allerdings das Spielen von Zukunftsmusik durchaus erlaubt und mit ziemlicher Sicherheit auch ein Antrieb dazu, hier entsprechende Forschungen zu beginnen.

Während die Mobilität auf der Straße zu 98 % noch mit fossilen Brennstoffen befeuert wird, sind es im Flugbetrieb ziemlich genau 100 % und hier bestehen nach wie vor kaum echte Lösungsansätze außerhalb von Abteilungen, die heute eher an Science-Fiction-Autorenstuben erinnern. Geht man aber davon aus, dass alle Lagerstätten fossiler Brennstoffe endlich sind und deren Liefermengen letztlich den zukünftigen Preis beeinflussen, führt kaum ein Weg daran vorbei, hier für Realismus zu sorgen, der heute vielleicht noch als unlösbare Utopie klingt.

5 Gedanken zu “Elektrisch betriebene Passagierflugzeuge – ein Gedankenexperiment

  1. Hi Besim,
    Frage: wie rechnet sich das, wenn man den Wasserstoff nicht durch eine verlustbehaftete Brennstoffzelle in Strom verwandelt und dann damit ein auch verlustbehaftetes und auch noch elendsschweres elektrisches Triebwerk antriebt, sondern einfach direkt in einem Jettriebwerk oder einem Staustrahltriebwerk (oder Kombi, siehe SR-71) verfeuert? Da haben wir doch nur noch das Problem der schwereren Tanks und – beim Staustrahl – der Hitzeableitung auf Grund der höheren Geschwindigkeit, oder?
    Bis mal wieder neulich an Weihnachten persönlich,
    Peter
    PS: ich weiss, das entspricht nicht der Überschrift, aber effizienter wäre es, denke ich, schon…

    • Ich glaube nicht, dass du eine echte Verbrennung mit purem Wasserstoff in einem Flugzeug riskieren willst. Eine Knallgasexplosion mit kleinsten Wasserstoffmengen war schon in der Schule im Chemieunterricht anschaulich laut. 🙂

      • Warum sollte man das nicht riskieren wollen? Eine Knallgasreaktion ist doch genau das, was man erreichen will. Ob ich jetzt fossile Brennstoffe zerstäube und mit dem richtigen Luftgemisch verbrenne oder das gleiche mit Wasserstoff mache, macht kaum einen Unterschied.

        Kleines Experiment: Man nehme Butan oder sonstige Kohlenwasserstoffe, die gasförmig sind und berechne das richtige Gas-Luftgemisch und das knallt genauso wie eine wie die Knallgasexplosion im Chemieunterricht. Geht natürlich auch mit Benzin oder Kerosin. Da muss man halt nur höheren Aufwand betreiben, um den Kraftstoff zu zerstäuben um die „Kontaktoberfläche“ von Kraftstoff und Luft zu erhöhen. Das Ergebnis ist das Gleiche, wie bei einem Luft-Gas-Gemisch.

        Kurzum, die Reaktion mit Wasserstoff lässt sich im Triebwerk genauso kontrollieren und hat auf die Betriebssicherheit und Funktion des Triebwerks selber keinen negativen Einfluss.
        Tatsächlich wurden die ersten Strahltriebwerke (Prototypen) sogar mit Wasserstoff betrieben, nur mangels geeigneter Speichermöglichkeiten am Ende nicht umgesetzt. Es ist sogar so, dass es mit technisch relativ wenig Aufwand möglich wäre, bestehende Mantelstrom-Strahltriebwerke auf Wasserstoff umzurüsten. Auf dieses Ergebnis ist zumindest eine Studie von Rolls Royce gekommen.
        Es gibt sogar den Vorteil, dass Wasserstoff „sauberer“ verbrennt. Neben positiven Auswirkungen auf die Wartungsanfälligkeit gäbe es natürlich die gleichen Vorteile durch die nicht mehr vorhandenen lokalen Emissionen von CO und CO2.

        Nun muss man hier das Für und Wider abwiegen. Das Strahltriebwerk hätte zwar den schlechteren Wirkungsgrad als eine Kombination aus Asynchronmaschine und Brennstoffzelle. Aber selbst wenn man es schaffen würde, das Gewicht der Motoren zu halbieren, blieben von den 17t noch mind. 8 übrig. Dazu kommen aber noch Gewicht der Brennstoffzelle und die Wechselrichter (Leistungselektroniken) zur Ansteuerung.

        Was ne Brennstoffzelle mit den Anforderungen wiegen würde… keine Ahnung. Aber alleine heutige Leistungselektroniken, wie sie beispielsweise bei den Antriebseinheiten der Siemens Velaro-Zügen (ICE 3) eingesetzt werden, wiegen zusammen etwa 4 Tonnen. Passenderweise hat ein ICE 3 Gespann auch eine Gesamtantriebsleistung von 8 Megawatt. Also müssten wir das mal zwei, also 8 Tonnen nochmal oben drauf rechnen…
        Wenn man bedenkt, welchen Energieaufwand jede Tonne zusätzliches Gewicht in einem Flugzeug bedeutet, dürften sich diese Faktoren besonders bei Langstreckenflügen deutlich zugunsten der Strahltriebwerke entwickeln.

        Nächstes Problem, wie bilde ich um so einen riesigen Motor noch eine aerodynamisch vertretbare „Turbine“, um die Funktion eines Strahltriebwerks nachzubilden. Nur Propeller dürften bei den Anforderungen an Flughöhe und Geschwindigkeit nicht funktionieren. Und selbst wenn man da eine Lösung findet, welchen Einfluss hat das wiederum auf den Wirkungsgrad?

        Am Ende dürfte sich unter den technischen Bedingungen, welche für die absehbare Zukunft zu erwarten sind, Strahltriebwerke als sinnvollere Lösung für eine Umstellung auf Wasserstoff als Kraftstoff erweisen.

        Die größte Hürde ist und bleibt die geeignete Krafstoffversorgung, sowie Tanks um die notwendige Menge an Wasserstoff kompakt und sicher genug unterzubringen. Würde man hier eine geeignete und kompakte Lösung finden, würde einem Wasserstoffflugzeug eigentlich nichts mehr im Weg stehen. Im Gegenteil, es wäre sogar eine Umrüstung von bestehenden Maschinen denkbar.

        • Die Idee der Brennstoffzelle ist allerdings, Energie eben nicht durch Verbrennung zu erzeugen, sondern durch eine Oxidation des Wasserstoffs. Und Wasserstoff sollte es auch sein, denn im Gegensatz zu fossilen Brennstoffen lässt sich der Wasserstoff durch eine Elektrolyse vorab produzieren.

          Was ich mit meinem Kommentar meinte, ist der schwierige Umgang mit Wasserstoff in solch großen Mengen und Durchsätzen und dann auch nochmal an Flughäfen in noch viel größeren Dimensionen. Muss man alles erzeugen, lagern und befüllen können und das alles effizient und mit erheblich mehr Aufwand, als mit flüssigen Brennstoffen.

  2. “ Batterieleistung von 128 Megawatt – in etwa die Leistung, die der Reaktorblock B des Kernkraftwerks Biblis in 20 bis 30 Minuten bei Volllast produziert. “
    Leistung und Energie/Ladung/Arbeit sind zwei Paar Schuhe!
    Richtig müsste es heissen
    “ BatterieKAPAZITÄT von 128 Megawatt-STUNDEN (MWh) – in etwa die ENERGIE, die der Reaktorblock B des Kernkraftwerks Biblis in 20 bis 30 Minuten bei Volllast produziert.“

    Ansonsten ein nettes Gedankenspielchen…. 🙂
    MfG
    zeha

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