Hauptbahnhof München im Jahr 2037

Während im Untergeschoss im Fünf-Minuten-Takt die neuen ultra­schnellen Regional­bahnen stoppen, bedienen Elektro­hybrid-Jets von der Flug­ebene auf dem Dach aus Distanzen bis 1.000 Kilo­meter inner­halb Deutschlands und der Nachbar­länder. Am Flug­hafen im Erdinger Moos gibt es nur noch Fern­ver­bindungen zu euro­päischen und trans­konti­nentalen Zielen. Science-Fiction oder ziemlich nah an der Realität?

Fliegen wird immer beliebter. Und dieser Trend wird nahezu allen Ein­schätzungen nach auch in den kommenden Jahr­zehnten anhalten. Airbus geht beispiels­weise in seinem Global Market Forecast 2018 davon aus, dass in den nächsten 20 Jahren ein Bedarf von 37.390 neuen Flug­zeugen besteht. Bis Ende 2037, so prognosti­ziert der euro­päische Luftfahrt­riese, werde die welt­weite Flotte von heute 21.453 auf mindestens 48.800 Maschinen anwachsen – und sich damit mehr als verdoppeln.

Bietet das rasante Wachstum auf der einen Seite beste Aus­sichten auf das Geschäft, ist es auf der anderen Seite eine enorme Heraus­forderung und Ver­pflichtung für die Branche: Ohne deutlich effi­zientere Tech­no­logien wird sich der Anteil der Luft­fahrt am globalen CO₂-Aus­stoß von aktuell gut zwei Pro­zent bis Mitte dieses Jahr­hunderts auf mehr als acht Pro­zent vervier­fachen. Die Elektri­fi­zierung von Flug­zeugen ist eine der Antworten auf diese Ent­wicklung, sagt Dr. Frank Anton, Chef der Siemens eAircraft-Sparte.

Prototyp mit Hybridantrieb bereits in Bau

Der 62-jährige Physiker hat dabei allerdings nicht reine E-Flug­zeuge im Sinn: Zusammen mit Partnern wie Airbus will er einen seriellen hybrid­elektrischen Antriebs­strang in ein 100-sitziges Regional­flug­zeug einbauen und ein Test­flug­zeug abheben lassen. „E-Fan X“ heißt das Ganze, es ist das bisher größte Elektro­projekt für kom­mer­zielle Flug­zeuge. „Damit öffnen wir die Tür zu einer neuen Ära der Luft­fahrt“, ist sich Anton sicher. In diesem „Toyota Prius der Lüfte“ soll eine mit Kerosin befeuerte Gas­turbine im Rumpf einen elek­trischen Generator antreiben und auf diese Weise Strom produzieren. Die Tur­bine kann durch­gehend in ihrem optimalen Dreh­zahl­bereich arbeiten, was Sprit spart. Der Generator-Strom treibt dann die Elektro­motoren mit den Rotoren an. So lässt sich die benötigte Schub­leistung auch auf mehrere kleine Elektro­antriebe samt Propeller am Flügel oder Heck verteilen. Das wiederum setzt neue Formen im Flug­zeug­design voraus und soll eine bessere Aero­dynamik ermöglichen.

Je nach Einsatzgebiet und Sicherheits­anforderungen bekäme ein solches Hybrid-Elektro­flug­zeug eine größere oder kleinere zusätzliche Batterie, sagt Siemens-Experte Anton. „Die Turbine und der Generator können beispiels­weise so dimen­sioniert werden, dass sie gerade so viel Strom liefern, wie für den Reise­flug gebraucht wird. Während des energie­inten­siven Starts und Steig­flugs sorgt dann elek­trische Energie aus den Akkus für Extra­schub.“ Mit einer nur etwas größeren Turbine könnten die auf Reise­flughöhe weit­gehend entladenen Batterien auch während des Flugs wieder aufgeladen werden. Die Hybrid­­tech­no­logie macht auch eine zusätzliche und elegante Lade-Variante möglich: Im Sink­flug kann der Luft­strom die Pro­peller und damit die Elektro­motoren antreiben, die dann als Generatoren laufen und die Batterien füllen – ähnlich einem Hybrid­auto, das auf ab­schüssigen Strecken Brems­energie rück­gewinnt.

Weltweit erstmals vorgestellt wurde das serielle Hybrid-Konzept für Flug­zeuge 2011. An dem umge­bauten zwei­sitzigen Motor­segler „DA36 E-Star“ des öster­reichischen Her­stellers Diamond Aircraft war Frank Anton bereits beteiligt. Mit dem E-Fan X soll nun genauer unter­sucht werden, welche Potenziale der Hybrid­antrieb bei größeren Flug­zeugen hat. Deshalb wird in der vier­strahligen Test-Maschine vom Typ BAe 146 zu Beginn auch nur eines der vier Trieb­werke durch einen zwei Mega­watt starken Elektro­antrieb ersetzt. Das reiche aus, um die Effi­zienz zu unter­suchen, sagt Anton. Ein zweites Hybrid­trieb­werk soll nach erfolg­reichem Test folgen. „Wir versprechen uns Treib­stoff­ein­sparungen im signi­fikanten zwei­stelligen Prozent­bereich und Riesen­effekte bei der Lärm­minderung.“ Der passionierte Pilot und Flug­lehrer geht davon aus, dass es um 2035 Flug­zeuge gibt, die bis zu 100 Menschen hybrid­elektrisch über Distanzen von 500 bis 1.000 ­Kilometer trans­por­tieren können.

20 Prozent und mehr Treibstoffeinsparung nötig

Ob sich bei Flugzeugen mit so einem Antrieb wirklich ein wirt­schaftlich rele­vanter Vorteil zeigt, wird spannend zu beo­bachten sein, sagt Prof. Mirko Hornung. Als Vorstand Wissen­schaft und Technik des Forschungs­instituts Bauhaus Luftfahrt in München beschäftigt er sich seit Jahren mit den Potenzialen von Hybrid­flugzeugen. Es sei ja nicht so, dass die Luft­fahrt­industrie bisher tatenlos war, so Hornung: Die Branche investiere jedes Jahr Milliarden­beträge in die Entwicklung effi­zienterer Tech­no­logien. „Jede neue Flug­zeug­generation verbraucht im Schnitt 15 Pro­zent weniger Kerosin als die vorher­gehende“, sagt der Forscher. „Hybrid­flug­zeug-Konzepte müssen die Per­spek­tive auf 20 oder besser noch mehr Pro­zent Ein­sparungen bieten.“ Von den ersten Ein­schätzungen zum Effi­zienz­gewinn gingen nach Hornungs Erfahrung immer noch mal ein paar Prozent­punkte runter. Und da liegt die Gefahr: „Packen die Hybrid­flugzeuge 15 Pro­zent nicht, wird keine Airline sie kaufen.“ Der Bau­haus-­Luftfahrt-Vorstand warnt jeden­falls vor zu viel Euphorie bei den Hybrid­flug­zeugen: Elektro­motoren, Batterien und die Gas­turbine mit Gen­era­tor bedeuten, dass man die benötigte Leistung dreimal verbaue – und das mache solche Flug­zeuge schwerer. „Kann ich diese Gewichts-Nach­teile durch die aero­dy­namischen Vor­teile von verteilten Elektro­antrieben wirklich kompen­sieren? Dazu gibt es noch so gut wie keine belast­baren Aus­sagen“, so Hornung. Ein Projekt wie der E-Fan X, das die grund­sätzlichen Pro­bleme von Hybrid­antrieben offenlegt und mehr Gewissheit in die Diskussion bringt, sei daher der richtige Schritt.

Hybridjet für Regionalstrecken schon 2022?

Für Zunum Aero hingegen sind alle Fragen offenbar schon weit­gehend beantwortet: Bereits 2022 will das US-Start-up aus Kirkland, einem Vorort von Seattle, seinen knapp 16 Meter langen Hy­bridjet für zwölf Passa­giere am Markt haben. Die kleine Maschine soll mit zwei 500-Kilo­watt-E-Motoren Tempo 550 erreichen und 1.130 Kilometer weit kommen.

Zunum geht durch Spriteinsparungen und geringere Wartungs­kosten der einfacher gebauten Elektro­antriebe von 40 bis 80 Pro­zent weniger Betriebs­kosten und 75 Pro­zent weniger Lärm aus als bei her­kömm­lichen Flug­zeugen. „So können wir das Nacht­flug­verbot umgehen, was den Betrieb noch wirt­schaftlicher macht“, sagt Zunums Marketing-Chefin Sandi Adam. In dem enormen Kosten­vorteil liege die große Chance des Start-ups. „In den USA fliegen auf Regional­strecken noch viele Flug­zeuge mit voll­kommen ineffi­zienter Technik aus den 1960er Jahren“, sagt Adam. Die alten Flieger ver­brennen bares Geld, die Airlines stünden einem Aus­tausch ihrer Flotten daher aufge­schlossen gegenüber. Tatsächlich hat die in Kali­fornien ansässige Charter­gesell­schaft JetSuite Ende Mai ange­kündigt, Zunum bis zu 100 Exem­plare des kleinen Hybrid-Fliegers abzu­nehmen. In vielen anderen Ländern sieht die Start-up-Managerin Adam ebenfalls gute Verkaufs­chancen. Sie schätzt das Gesamt­volumen des weltweiten Regional­flug­zeug­marktes auf eine Billion US-Dollar.

Spätestens diese Zahl hat wohl auch Boeings Risiko­kapital-Abteilung Horizon X überzeugt. Zusammen mit Jet Blue Technology Ventures stieg der Luftfahrt­konzern vor knapp einem Jahr in das Start-up ein. Über die investierte Summe herrscht allerdings genauso Still­schweigen wie über die verwendete Batterie­tech­no­logie. Vor allem Letzteres lässt Experten wie Hornung daran zweifeln, ob die Version, die in vier Jahren abheben soll, mehr sein kann als ein aller­erster Proto­typ. Zunums Chef Ashish Kumar ist sehr opti­mistisch und sich darüber hinaus auch sicher, dass bei den Akkus künftig noch große Fort­schritte zu erwarten sind. Er gehe davon aus, dass sein Hybrid­jet bis 2035 rund 2.400 Kilo­meter Reich­weite haben wird. Vielleicht werde man dann sogar auf die Gas­turbine und den Strom­generator verzichten können, sagt Kumar. Dr. Jörg Sieber, Leiter Inno­vations­manage­ment bei der MTU Aero Engines in München, ist da skeptisch: Die Speicher würden zwar schritt­weise immer besser, aber ein echter Durch­bruch in der Batterie­tech­no­logie sei einfach nicht zu erkennen.

Wandel in der Branche

„Für Fluganwendungen müssen die Batterien mindestens fünf bis zehn Mal leistungs­fähiger als heute sein“, sagt der MTU-Experte Sieber. Zusammen mit Partnern wie dem Bauhaus Luft­fahrt und Airbus untersucht er aktuell die Vor- und Nach­teile des elek­trischen und hybrid-elek­trischen Fliegens. „Wir wollen natürlich wissen, wann die Techno­logien markt­reif sind, um dann eventuell ent­sprechende Antriebe anbieten zu können.“ Die Elektrifi­zierung biete zwar neue Freiheits­grade im Flugzeug­design, sagt Sieber, seiner Einschätzung nach bleibe der rein elektrische Antrieb aber bis auf weiteres nur eine Option für leichte Motor­segler, Sport­flug­zeuge oder Flug­taxis auf Kurz­strecken. An einen Elektro-Jet für 180 Passagiere mit einer Reich­weite von 540 Kilo­metern, den das kali­for­nische Start-up Wright Electric der Billig­flug­linie Easyjet für das Jahr 2027 ver­sprochen hat, glaube er definitiv nicht, sagt der Experte. Selbst der Zeit­plan des staatlichen norwegischen Flug­hafen­betreibers Avinor sei äußerst ambi­tioniert: Ab 2040 sollen dort alle Inlands­flüge rein elektrisch sein. Gleich­wohl werden bereits in den kom­menden Jahren auch erste E-Flug­zeug-Proto­typen abheben, so der MTU-Ingenieur.

Eine ganze Reihe von Start-ups hat das angekündigt. Etwa Eviation aus Israel, Ampaire und Joby Aviation aus den USA sowie Samad Aero­space aus Großbritannien. Wann ihre elek­trischen Klein­flug­zeuge abheben und wie weit sie dann kommen, werde sich zeigen, sagt Sieber. „Sicher ist aber jetzt schon, dass der Weg bis zu kommer­ziellen Anwen­dungen noch sehr lang ist – auch für das hybrid-elek­trische Fliegen. Bei Maschinen ab einer Größe der Airbus A320 wird man auch im Jahr 2050 noch die klassische Gas­turbine sehen“, sagt der Inno­vations­manager. Allerdings eine deutlich effizientere: „Beim Getriebe­fan, den wir gerade auf den Markt gebracht haben, können wir durch Weiter­entwicklung sicherlich noch einmal weitere 10 bis 15 Prozent Ver­bes­serungen im Brenn­stoff­verbrauch holen“, sagt Sieber. Weitere Effi­zienz­steigerungen bei den luftatmenden Trieb­werken stellen neuartige Kreis­­pro­zesse in Aussicht, wie etwa der sogenannte Composite-Cycle. Dieses zukunfts­weisende Konzept arbeitet mit Kolben­maschinen und ermöglicht Spitzen­druck­verhältnisse von über 300 im Vergleich zu nur etwa 60 bei modernsten Turbofan-Trieb­werken. Die Folge: 15 Pro­zent weniger Kraft­stoff­ver­brauch und zehn Prozent weniger NOx-Emissionen.

In der Branche sei allen klar, dass sich die Luft­fahrt in den kommenden Jahr­zehnten durch die zunehmende Elektri­fizierung wandeln wird, sagt Sieber. „Genau deshalb beobachten wir die Entwicklungen auch genau und stellen uns darauf ein.“ Einen Heilsbringer, der quasi über Nacht die Heraus­forderungen der Luft­fahrt löst, dürfe man aber nicht erwarten. „Ohne zusätzliche, weit­reichende Investi­tionen in effi­zientere Trieb­werke und Flugzeug­systeme sowie nachhaltige Treib­stoffe“, sagt Sieber, „können wir kein Klima­ziel erreichen.“