Während der weltweite Luftverkehr über Zeiträume von Jahrzehnten betrachtet wächst, lässt sich beim spezifischen Treibstoffverbrauch seit Jahrzehnten ein rückläufiger Trend beobachten. Setzen sich beide Trends ähnlich wie in den vergangenen Jahrzehnten fort, so ist jedoch davon auszugehen, dass die Verbesserungen beim spezifischen Treibstoffverbrauch vom Wachstum des weltweiten Luftverkehrs übertroffen werden. Damit würde der gesamte Treibstoffverbrauch in der Luftfahrt weiter steigen.

Dabei sind die fossilen Rohstoffe, aus denen die Treibstoffe hergestellt werden, begrenzt. Das Kardinalproblem der Luftfahrt wird damit in den tendenziell steigenden und ausgesprochen volatilen Treibstoffkosten infolge der Verknappung der fossilen Energieträger und der Schwankungen bei Angebot und Nachfrage dieser Energieträger liegen.

Plateau-Sprünge des Ölpreises:

Große Unsicherheit und potentielle Mehrkosten bestehen durch die Einbeziehung des Luftverkehrs in Emissionshandelssysteme. Die ICAO hat Verhandlungen über ein internationales System für den Emissionshandel im Luftverkehr (CORSIA = Carbon Offsetting and Reduction Scheme for International Aviation) unternommen (EU-System ausgesetzt). CORSIA ist seit dem 01.01.2021 in der Pilotphase. Bei der Luftverkehrswirtschaft in Deutschland bestehen weiterhin Befürchtungen, dass die EU trotz Vorhandenseins von CORSIA auf internationaler Ebene darüber hinaus gehende Regelungen in der EU treffen könnte, die einen Wettbewerbsnachteil für die Luftverkehrswirtschaft in der EU bedeuten könnten (insbesondere für Fluggesellschaften mit Hauptsitz in der EU).

Mehr Informationen zu CORSIA gibt es bei der ICAO: https://www.icao.int/environmental-protection/CORSIA/Pages/default.aspx und natürlich auch in einem übersichtlichen Wikipedia-Artikel: https://de.wikipedia.org/wiki/Carbon_Offsetting_and_Reduction_Scheme_for_International_Aviation

Die Treibstoffkosten für Flugzeuge unterliegen zudem großen Schwankungen. Die hohe Volatilität der Treibstoffkosten ist ein großer Unsicherheitsfaktor für Fluggesellschaften und hat enorme Auswirkungen auf deren Profitabilität.

Alternative Kraftstoffe

Die Emissionen von CO2 und Wasserdampf sind über die Zusammensetzung des Treibstoffs linear mit dem Treibstoffverbrauch verknüpft. Daher stellt sich die Frage nach einem grundlegend andersartigen Energieträger. Als Nebeneffekte könnten dabei auch andere Auswirkungen auf die Umwelt verringert werden.

Die typischen Flugtreibstoffe sind Kerosine (Jet Fuel) und Flugbenzin (AvGas). Dabei werden Kerosine typischerweise in Strömungsmaschinen (also insbesondere in Strahltriebwerken) eingesetzt, während Flugbenzin typischerweise in Hubkolbenmaschinen beziehungsweise Verdrängermaschinen eingesetzt wird. Für die kommerzielle Luftfahrt sind also die Jet Fuels von größerer Bedeutung, wobei sich beide Kraftstoffgruppen chemisch ähneln und nach Umweltaspekten (bis auf wenige spezielle Ausnahmen) ähnlich zu betrachten sind.

Als Alternativen zu den typischen Flugtreibstoffen kommen insbesondere anders zusammengesetzte Kraftstoffe (zum Beispiel Gase wie Erdgas, Propan oder Wasserstoff) oder auch sogenannte alternative Kraftstoffe (im engeren Sinne) in Frage. Während sich insbesondere Erdgas (beziehungsweise LNG - Liquefied Natural Gas) und Propan (oder LPG - Liquefied Petroleum Gas) gewissermaßen als "konventionelle Alternativen" bezeichnen lassen (da es sich immer noch um Kohlenwasserstoffe auf fossiler Basis handelt), sind alternative Kraftstoffe im engeren Sinne solche Kraftstoffe, die Kraftstoffe, die auf fossilen Rohstoffen basieren substituieren können, ohne dafür seilst auf fossilen Rohstoffen zu basieren. Auf diese Weise ergibt sich eine gänzlich andere Kohlenstoff-Bilanz beziehungsweise CO2-Bilanz - bis hin zur CO2-Neutralität.

Alternativen zu den typischen Flugtreibstoffen:

Alternative Kraftstoffe (im engeren Sinne):

*Einsatz im Luftverkehr wird erprobt / erforscht

Biokraftstoffe sind also eine Untergruppe alternativer Kraftstoffe. Sie bieten enormes ökologisches Potential, benötigen jedoch je nach Art auch sehr große Anbauflächen, was sie wiederum problematisch macht (u.a. Konkurrenz zu Nahrungsmittelproduktion).

Biokraftstoffe spielen eine erhebliche Rolle in den Überlegungen der Luftfahrtindustrie den CO2 Ausstoß zu senken. Konzept der CO2-Einsparung: Im Lebenszyklus nehmen die Pflanzen die gleiche Menge an CO2 auf, wie im produzierten Biokraftstoff verbrannt wird. Es besteht also ein geschlossener Kohlenstoffkreislauf beziehungsweise CO2-Neutralität.

Für etwa 300 Millionen Kubikmeter Biokraftstoff für die Luftfahrt (etwa der Jahresbedarf in den Boom-Jahren) würde mit "konventionellen" Pflanzen (0,5 Kubikmeter Kraftstoff pro Hektar) fast ganz Europa als Anbaufläche benötigt. Mit bestimmten Algenarten könnte bei einem Ertrag von etwa 100 Kubikmetern Kraftstoff pro Hektar etwa die Fläche Belgiens oder Mecklenburg-Vorpommerns genügen, um den Bedarf zu decken. Die Forschung befindet sich jedoch noch in einem frühen Stadium, ein erheblicher finanzieller und infrastruktureller Aufwand ist für die kommerzielle Nutzung erforderlich, daher ist die umfangreiche kommerzielle Nutzung frühestens 2030 zu erwarten.

HVO (Hydrotreated Vegetable Oil) aus Pflanzenöl (Jatropha, Algen, Palmöl) weist bessere Heizwerte und Temperaturfestigkeiten auf als klassisches Kerosin (Jet A-1). So liegt der Heizwert bei Jet A-1 bei mindestens 42,8MJ / kg und bei Jatropha bei 44,3MJ / kg. Der geringere Aromateanteil in HVO kann jedoch für die Dichtungen im Kraftstoffsystem problematisch sein (Quellwirkung). Daher ist mittelfristig eine Beimischung von bis zu 50% HVO zu (konventionellem) Jet A-1 realistisch. Bei neuartigen Dichtungen im Kraftstoffsystem (und den Triebwerken) kann dieser Anteil möglicherweise deutlich gesteigert werden.

Vieles im Zusammenhang mit der Ökobilanz (und insbesondere der CO2-Bilanz) hängt bei alternativen Kraftstoffen auch damit zusammen, wie aufwändig die damit verbundenen Prozesse sind. Wird beispielsweise eine große Menge an Energie für einen Syntheseprozess benötigt, so muss diese Energie auf umweltverträgliche Weise (zum Beispiel über die Nutzung erneuerbarer Energien) zugeführt werden.

Als Substitut für konventionelle Flugtreibstoffe müssen Biokraftstoffe einen ähnlichen Marktpreis erreichen, um konkurrenzfähig zu sein. Eine Regulierung in Form von Markteingriffen (zum Beispiel über Emissionshandel) kann dazu beitragen, dieses Ziel eher zu erreichen.

Die IATA-Roadmap zur Emissionsminderung setzt in großem Maße auf:

Biokraftstoffe spielen also eine erhebliche Rolle in den Überlegungen der Luftfahrtindustrie den CO2-Ausstoß zu senken. Ab 2020 soll der Luftverkehr CO2-neutral wachsen. Im Jahr 2050 sollen die dann sogar nur 50% der Menge aus dem Jahr 2005 betragen. Tragischerweise hilft die COVID-19-Pandemie mit ihren Auswirkungen auf den Luftverkehr dabei, dieses Ziel näher zu rücken...jedoch zum Preis von womöglich hunderttausenden verlorener Arbeitsplätze rund um den Luftverkehr und hunderten Milliarden US-Dollar entgangenen Umsatzes in der Luftfahrt.

Wasserstoff

Die denkbaren Alternativen zu den typischen Flugtreibstoffen sind hinsichtlich ihrer CO2-Bilanz durchaus unterschiedlich zu werten. Ein ansehnliches Beispiel dafür liefert Wasserstoff. Wasserstoff ist weder ein Biokraftstoff noch ein fossiler Rohstoff, sondern lässt sich etwa über Elektrolyse mit elektrischer Energie aus Wasser herstellen. Stammt diese elektrische Energie aus Kohlekraftwerken, so ist die CO2-Bilanz des generierten Wasserstoffs um ein Vielfaches Schlechter als bei der Nutzung von klassischen Flugtriebstoffen auf fossiler Basis. Nutzt man hingegen Kernenergie oder erneuerbare Energien, so ist der Wasserstoff quasi CO2-neutral.

Wasserstoff weist eine etwa doppelt so hohe gravimetrische Energiedichte (Heizwert) wie herkömmliche Flugtreibstoffe auf. Jedoch resultiert aus der geringen Dichte eine geringe volumetrische Energiedichte. Damit wird die Tankhaltung (selbst im unter Hochdruck komprimierten oder unter kombinierter Kühlung und Verdichtung verflüssigten Zustand) schwierig und die Tanks selbst für eine vergleichbare Transportaufgabe somit voraussichtlich voluminöser und massereicher als bisher, was insbesondere bei solch aerodynamisch und massebezogen sensiblen Systemen wie Flugzeugen herausfordernd ist.

Für Flugzeuge müsste Wasserstoff daher platzsparender als bisher gespeichert werden können, um attraktiver zu werden. Zu beachten ist zudem, dass das erzeugte Reaktionsprodukt Wasser, das bei der Nutzung von Wasserstoff als Energieträger entsteht, bei einem Flugzeug in den üblichen Konzepten an die Atmosphäre abgegeben wird. Die Erzeugung von Kondensstreifen könnte auch bei der Nutzung von Wasserstoff somit weiterhin eine Rolle spielen. 

Elektrisches Fliegen

Motivation für die Betrachtung batterie-elektrisch betriebener Flugzeuge ist, dass durch diese die Auswirkungen der Luftfahrt auf die Umwelt reduziert werden könnten. So könnten durch batterie-elektrisch betriebene Flugzeuge der unmittelbare Ausstoß von Treibhausgasen und einigen weiteren Schadstoffen sowie die Bildung von Kondensstreifen praktisch vollständig entfallen. Zudem könnten die von Flugzeugen ausgehenden Schallemissionen verringert werden.

Große Unsicherheit und potentielle Mehrkosten bestehen durch die Einbeziehung des Luftverkehrs in Emissionshandelssysteme. Die Treibstoffkosten für Flugzeuge unterliegen zudem großen Schwankungen. Die hohe Volatilität der Treibstoffkosten ist ein großer Unsicherheitsfaktor für Fluggesellschaften und hat enorme Auswirkungen auf deren Profitabilität. Elektrische Energieträger könnten diese finanziellen Risiken abfedern.

Das Thema elektrisches Fliegen und dabei auch das batterie-elektrische Fliegen ist inzwischen auch ein wichtiges Thema am DLR: Dossier elektrisches Fliegen vom DLR

Um (wirtschaftlich und im "großen Stile") batterie-elektrisch fliegen zu können, bestehen jedoch einige enorme Herausforderungen. Insbesondere Reichweiten oberhalb von etwa 3000km erscheinen aus heutiger Sicht für batterie-elektrische Flugzeuge in weiter Ferne. Es wären enorme Technologiesprünge für batterie-elektrische Langstreckenflugzeuge notwendig (insbesondere hinsichtlich der Energiedichten von Batterien).

Abgesehen von rein batterie-elektrischen Konzepten können jedoch auch schon Vorteile durch hybrid-elektrische Konzepte erzielt werden.

Wenn man elektrisch fliegt, müsste man in vielen denkbaren Konzepten womöglich auch mit im Vergleich zu heutigen zivilen Strahlflugzeugen reduzierten Fluggeschwindigkeiten auskommen.