AUF DEM WEG ZU EINER EMISSIONSFREIEN LUFTFAHRT - Luftfahrtstrategie des DLR zum European Green Deal
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AUF DEM WEG ZU EINER EMISSIONSFREIEN LUFTFAHRT Luftfahrtstrategie des DLR zum European Green Deal
Inhalt
Zusammenfassung 4
Vorwort 6
1. Einleitung 8
2. Lösungsansatz des DLR 14
Vision: eine emissionsfreie Luftfahrt 15
Mission: das DLR als virtueller Hersteller 16
Vorgehen: technologieoffene Transformation 16
3. Wesentliche Themengebiete 18
Einleitung 19
Emissionsarme Luftfahrtantriebe 22
Energieeffizientes Flugzeug 24
Emissionsreduziertes Lufttransportsystem 26
Digitalisierung 28
4. Die Luftfahrtforschung des DLR 30
Fazit 38
2 | LUFTFAHRTSTRATEGIE DES DLR ZUM EUROPEAN GREEN DEAL LUFTFAHRTSTRATEGIE DES DLR ZUM EUROPEAN GREEN DEAL | 3
Zusammen-
fassung 3,5l
B747
A340
Erstflug 1992
3,5 262
l /100km Sitzplätze
BRENNSTOFFVERBRAUCH
(UMGERECHNET IN LITER KEROSIN PRO SITZPLATZ AUF 100 KM)
Langstrecke
3,0l
Kurzstrecke
A320 B747-8
Erstflug 1987
Flugzeug und Luftverkehr als Gesamtsystem stehen im Mit- Wasserstoff als Energieträger A350-900
telpunkt der Luftfahrtforschung. Das DLR betrachtet alle Wasserstoff kann die lokalen CO2-Emissionen im Luftverkehr
2.5l 2,6 152 A321
B737
l /100km Sitzplätze Erstflug 2014
Technologien ergebnisoffen und bewertet und integ- auf null reduzieren. Für alle Wasserstoff-Antriebe stellen 2,3 304 Konzept
riert sie im Gesamtsystem. Es sieht sich so als Architekt die Sicherheit, das Volumen sowie Gewicht und Integration l /100km Sitzplätze A319 neo KUUL Baseline
2,0l B737MAX8 Erstflug 2015 Markteintritt 2035
und Integrator in der Luftfahrtforschung. Auf unsere Vision eine besondere Herausforderung dar. Das erforderte eine
einer emissionsfreien Luftfahrt arbeiten wir gemeinsam mit intensive Erforschung von H2-Tanksystemen inklusive der 1,9 136 1,9 315
l /100km Sitzplätze l /100km Sitzplätze
unseren internationalen Partnern aus Forschung, Industrie Systemarchitektur sowie neuartiger Flugzeugkonzepte, die 1,5l
und Wirtschaft hin. vorwiegend mit dem Volumeneinfluss umgehen müssen. Konzept
EXACT Baseline Vision
Zero Emission
Mittelfristig ist der Einsatz von Wasserstoff besonders für Markteintritt 2040 Aviation
Flugzeuge im Regional- und Kurz-Streckenbereich geeignet. 1,0l 1,1 250
Vision: eine emissionsfreie Luftfahrt Die Erforschung einer sicheren und zuverlässigen Wasser- l /100km Sitzplätze
stoff-Verbrennung und des Umgangs mit dem Energieträger
Die Forschung des DLR bereitet den Weg in die Zukunft soll in den nächsten fünf Jahren die kommerzielle Anwend- 0,0l 1990 2000 2010 2020 2030 2040 2050
der Luftfahrt und gestaltet ihre Transformation im Sinne barkeit in Flugzeugen bis hin zur Demonstration vorbereiten.
des klimaneutralen Fliegens mit. In den vergangenen Jahrzehnten sind die Emissionen der Luftfahrt pro Passagier und 100 Kilometer kontinuierlich gesunken. Weite-
Elektrische Antriebe mit Wasserstoff oder Batterien res Potential zur Emissionsreduktion versprechen neue Flugzeugkonzepte wie sie in den DLR-Projekten EXACT (Exploration of Electric
Aircraft Concepts and Technologies) und KuuL (Klimafreundlicher ultra-effizienter Langstreckenflug) entwickelt werden. Die Vision
als Energieträger des DLR ist eine emissionsfreie Luftfahrt.
Mission: das DLR als virtueller Hersteller Trotz ihrer sehr hohen Wirkungsgrade sind sowohl Batterien
als auch Brennstoffzellen auf absehbare Zeit nur für Klein-
Wir entwickeln hochintegrierte Technologien und Metho- flugzeuge und Regionalflugzeuge geeignet. Notwendig ist Lufttransportsystem Flugrouten nachzuweisen, bedarf es politischer Rahmenbe-
den, Prozesse und Lösungen für eine klimaneutrale Luft- die Erforschung von Hochleistungs-Elektromotoren, Batte- dingungen und der Einführung technischer Neuerungen.
fahrt. Damit leisten wir unseren Beitrag zum Green Deal rien und Brennstoffzellen. Dann kann in den nächsten fünf Gesamtsystembewertung Dazu gehören zunehmende Automatisierung und Standar-
in der Luftfahrt. Forschung und Entwicklung erfolgen in Jahren über eine mittelfristige Anwendung in Verkehrsflug- Die Bewertung des Lufttransportsystems umfasst alle disierung im Flugzeug, im Luftverkehrsmanagement und in
den Bereichen neuer Flugzeugkonzepte und Komponen- zeugen entschieden werden. Aspekte des Betriebes und seiner Auswirkungen. Mit den der Flugführung.
ten sowie alternativer Antriebslösungen mit einem Fokus Ergebnissen soll die Wirkung eingeschätzt und eine Neuge-
auf der Nutzung nachhaltiger Luftfahrt-Brennstoffe (SAF) staltung ermöglicht werden. Dafür ist in den kommenden Digitalisierung
inklusive neuer Energieträger (z. B. Wasserstoff) bis hin zu Energieeffizientes Flugzeug fünf Jahren der Aufbau einer umfassenden und detaillier-
klimaoptimierten Flugrouten. Dabei agieren wir als virtu- ten Bewertungs- und Simulations-Plattform für das gesamte Die Digitalisierung als Katalysator beschleunigt den
eller Flugzeughersteller (Virtual OEM). Der Energiebedarf kommender Flugzeuge muss bis Lufttransportsystem vorgesehen, um das DLR als Architekt, Weg zur klimaneutralen Luftfahrt. Sowohl digitale
zum Jahr 2050 mindestens um die Hälfte reduziert Integrator und Berater weiter zu stärken. Werkzeuge und Methoden als auch Entscheidungsprozesse,
werden. Ein geringerer Energiebedarf des Flugzeugs wirkt die durch Einsatz künstlicher Intelligenz unterstützt werden,
Emissionsarme Luftfahrtantriebe sich direkt in einem geringeren Verbrauch der Antriebssys- Klimawirkung und Flugrouten tragen dazu bei, neue Konzepte und Technologien für den
teme aus, reduziert Restemissionen und kompensiert die Großes Potential, die Klimawirkung des Flugverkehrs zu nachhaltigen Lufttransport in größeren und kreativeren Ent-
Turboantriebe mit nachhaltigen Luftfahrt-Brennstoffen höheren Kosten künftiger Energieträger. Dafür notwen- senken, bietet die Reduktion der Nicht-CO2-Effekte – ins- wurfsräumen zu erforschen. Zugleich fördert die bessere
Auf den Kurz- bis Langstrecken ermöglichen hoch effiziente dig sind Technologien zur Reduktion des aerodynamischen besondere durch geeignete Flugrouten auf der Lang- und Übereinstimmung von virtuellem und realem Produkt die
Turbofan-Triebwerke gemeinsam mit regenerativ erzeugtem Widerstands und des Gesamtgewichts gemeinsam mit inno- Mittelstrecke. Um in den nächsten fünf Jahren die kommer- beschleunigte Übertragbarkeit von Forschungsergebnissen
Kerosin einen weitgehend klimaneutralen Betrieb. Möglich vativer Flugregelung und Sensorik. Um diese Technologien zielle Umsetzbarkeit und Wirksamkeit von klimaoptimierten in die Anwendung.
ist das für die gesamte bestehende Flotte mit nur minima- optimal integrieren zu können, müssen sie in der Auslegung
len technischen Modifikationen der Triebwerke und der vor- neuer Flugzeugkonfigurationen bereits ganz zu Beginn in
handenen Infrastruktur. der Entwurfsphase berücksichtigt werden.
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Vorwort
Die Luftfahrt ist ein fester Bestandteil unseres gesell- Hier werden neue Energieträger wie nachhaltige Luftfahrt- ierlichen Förderung und Unterstützung bedarf. Besondere
schaftlichen Lebens, unserer globalen Mobilität. Sie Brennstoffe (SAF) und langfristig Wasserstoff eine wichtige Bedeutung kommt dabei dem Transfer der Erkenntnisse in
trägt zum Austausch der Kulturen bei, fördert unse- Rolle spielen, um die CO2- und auch die Nicht-CO2-Effekte die Industrie und in die Wirtschaft zu. Dank der Kompeten-
ren Wohlstand. Doch erleben wir gegenwärtig einen der auf das Klima zu reduzieren. Eine weitere aussichtsreiche zen und der Fähigkeiten von mehr als 25 für die Luftfahrt
intensivsten Transformationsprozesse der Luftfahrtge- Möglichkeit ist das Fliegen auf klimafreundlichen Flugrou- forschenden DLR-Instituten und -Einrichtungen sowie einer
schichte. An dessen Ende soll und wird ein klimaver- ten. Hierfür gilt es, die technologischen und operativen Vor- einzigartigen Forschungsinfrastruktur verfügt das DLR über
träglicher Luftverkehr stehen. Denn die Folgen des Kli- aussetzungen zu schaffen. Zusätzlich muss zukünftig der ein breites Verständnis der Luftfahrt und aller Möglichkeiten,
mawandels fordern unser konsequentes Handeln. Um gesamte Lebenszyklus eines Flugzeuges stärker betrachtet diese für das 21. Jahrhundert fit zu machen. Damit sehen wir
unsere Ziele zu erreichen, muss es in den nächsten zwan- werden, von der Materialentstehung über die Entwicklung, uns als Architekt und Integrator in der Luftfahrtforschung.
zig Jahren gelingen, das Wachstum im Luftverkehr von die Produktion, den Betrieb und die Wartung bis zur Außer-
der Umweltbelastung zu entkoppeln. Unsere Prognosen dienststellung. Dies alles wird eingebettet in eine Gesamt- Mit der neuen Luftfahrtstrategie zum European Green
zeigen, dass der Luftverkehr bis zum Jahr 2050 klimaneu- bewertung des Lufttransportsystems. Diese ermöglicht eine Deal verfolgt das DLR die Vision einer emissionsfreien
tral werden kann. ganzheitliche Analyse, wie sich die Luftfahrt mit all ihren Luftfahrt. Dafür forschen und entwickeln wir zusammen
Facetten auf die Umwelt und speziell auf das Klima auswirkt. mit der nationalen und internationalen Luftfahrtindustrie
Gegenwärtig stehen wir vor zwei großen Herausforderun- Notwendige Neuerungen lassen sich so klarer umreißen und und -forschung im gesamten Spektrum: von Flugzeugkon-
gen. Zum einen müssen wir die aktuellen Flugzeuge wei- gezielter gestalten. zepten und -Komponenten, über alternative Antriebs-
ter verbessern, deren Effizienz steigern und Klimawirkung lösungen unter dem Einsatz neuer Energieträger bis hin
reduzieren. Zum anderen gilt es, den Weg für eine neue Auf dem Weg zum klimaneutralen Fliegen liegt erheblicher zu klimaoptimierten Flugrouten. Das ist unser Beitrag
Flugzeuggeneration zu ebnen. Das erfolgt unter anderem Forschungs- und Entwicklungsbedarf, der einer kontinu- zum Green Deal in der Luftfahrt.
durch neue Flugzeugkonzepte, neue Antriebe und Leicht-
bauprinzipien sowie Systemarchitekturen.
© 3d Molier International
Prof. Dr.-Ing. Anke Kaysser-Pyzalla, Dr.-Ing. Markus Fischer,
Vorstandsvorsitzende des DLR Bereichsvorstand Luftfahrt
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1.
Die Emissionen des Luftverkehrs müssen vom exponentiell
steigenden Luftverkehrsaufkommen entkoppelt werden,
Einleitung um eine klimaneutrale Luftfahrt zu ermöglichen.
500,0 ENTKOPPLUNG VON WACHSTUM UND EMISSIONEN
500,0
500,0
ENTKOPPLUNG
ENTKOPPLUNG VON
VON WACHSTUM
WACHSTUM UND
UND EMISSIONEN
EMISSIONEN
450,0
450,0 Potenzial für Emissionsreduktion durch ungebremstes
450,0 -Potenzial für Emissionsreduktion
Emissionsarme Luftfahrtantriebedurch ungebremstes
Wachstum
400,0 -Potenzial für Emissionsreduktion
Emissionsarme Luftfahrtantriebe
Energieeffiziente Flugzeuge
durch ungebremstes
Wachstum
400,0 -- Emissionsarme Luftfahrtantriebe
Energieeffiziente Flugzeuge Wachstum
400,0 Emissionsreduziertes Lufttransportsystem
350,0 -- Emissionsreduziertes
Energieeffiziente Flugzeuge
Digitalisierung Lufttransportsystem
-- Emissionsreduziertes Lufttransportsystem
in%%
350,0 Digitalisierung
350,0 - Digitalisierung
inin%
300,0
300,0
-Emissionen
300,0
-Emissionen
250,0
-Emissionen
250,0 verbleibende Potenzial für
250,0 verbleibende
Emissionen Potenzial für
Kompensation
verbleibende
Emissionen Potenzial für
Kompensation
200,0 durch ökonomische
200,0 Emissionen Kompensation
durch ökonomische
Maßnahmen
200,0 durch ökonomische
Maßnahmen
150,0 Maßnahmen
22 2
150,0
CO
150,0 CO2-
CO
100,0 CO 2-
neutrales
CO
100,0 CO 2-
neutrales
Wachstum
100,0 neutrales
Wachstum
50,0 Wachstum
50,0
50,0 European
0,0 European
Green Deal
0,0 European
Green Deal
0,0 Green Deal
2015 2020 2025 2030 2035 2040 2045 2050
2015 2020 2025 2030 2035 2040 2045 2050
2015 2020 2025 2030 2035 2040 2045 2050
Abbildung 1: Trotz der kurzzeitigen Einbrüche des Luftverkehrs in der COVID-19-Pandemie wird mittelfristig wieder ein exponentielles
Wachstum des Verkehrsaufkommens erwartet. Die Emissionen des Luftverkehrs müssen von diesem exponentiell steigenden Luftver-
kehrsaufkommen entkoppelt werden, um eine klimaneutrale Luftfahrt zu ermöglichen.
Die Auswirkungen des vom Menschen verursachten Klima- Herausforderungen insbesondere zur Energie- und Leistungs-
wandels sind bekannt, und die Notwendigkeit, die CO2-Emis- dichte alternativer Antriebe derzeit nicht.
sionen nachhaltig zu senken, steht außer Frage. Der Anteil der
Luftfahrt an der Erwärmung der Atmosphäre wird dabei zwar Aufgrund der hohen technischen und finanziellen
nur mit 2 % bis 5 % beziffert, das exponentielle Wachstum Risiken und der unter allen Betriebsbedingungen zu
des weltweiten Luftverkehrs macht jedoch ein umgehendes gewährleistenden Sicherheit ist ein Technologiewandel
Handeln erforderlich: in der Luftfahrt zudem ein langwieriger und kosten-
intensiver Prozess, insbesondere durch umfangreiche
Die Luftfahrtbranche verzeichnet eine Verdoppelung Zulassungsverfahren. Zusätzlich ist die Luftfahrtbranche
des Luftverkehrsaufkommens alle 15 Jahre. Dem steht von der Corona-Krise substanziell betroffen, und zum heu-
gegenwärtig mit jeder Flugzeuggeneration in einem tigen Zeitpunkt ist unklar, wann es zu einer nachhaltigen
vergleichbaren Zeitraum nur eine Effizienzsteigerung Erholung der Branche kommen wird. Der Dachverband der
um etwa 15 % gegenüber. Die von der Luftfahrt verursach- Fluggesellschaften, die International Air Transport Association
ten Emissionen haben in vieler Hinsicht eine unerwünschte (IATA), rechnet erst frühestens 2024 mit einer vollständigen
Wirkung und müssen zwingend reduziert werden. Dafür Erholung des Luftverkehrs.
reicht allein die evolutionäre Weiterentwicklung von heuti-
gen Flugzeugen nicht mehr aus. Zusätzlich müssen revolutio- Klar ist: Langfristig wird der Luftverkehr wieder wachsen.
näre Technologien der Herausforderung der Umweltbelastung Umso dringlicher wird die Frage: Wie gestaltet sich der
durch die Luftfahrt begegnen. Neben dieser signifikanten Stei- Weg zu einer emissionsfreien Luftfahrt der Zukunft?
gerung der Ökoeffizienz des einzelnen Luftfahrzeugs müssen
gleichzeitig die komplexe globale, nachhaltige Lieferkette, Für einen klimaneutralen Luftverkehr bis 2050 müssen unter-
vorangehende Produktionsprozesse und Materialien sowie schiedliche Akteure in drei wesentlichen Handlungssträngen
Aspekte der Infrastruktur betrachtet werden. Revolutionäre eng zusammenarbeiten: die Luftfahrtforschung, die Energie-
und unmittelbar verfügbare Lösungen für eine emissionsfreie forschung sowie die Gesetzgebung.
Luftfahrt gibt es aufgrund der immensen technologischen
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Etwa zwei Drittel der Klimawirkung der Luftfahrt werden von Die Europäische Union soll bis 2050 klimaneutral werden. Bis dahin sollen
Nicht-CO2-Emissionen wie Kondensstreifen verursacht. In diesem keine Nettotreibhausgasemissionen mehr freigesetzt werden. Das Wirtschafts-
Dokument werden die CO2-Emissionen als etablierte Messgröße wachstum soll von der Ressourcennutzung abgekoppelt und der Übergang zu
zum Vergleich von Antriebsalternativen verwendet. einer ressourcenschonenden Wirtschaft gerecht und inklusiv werden.
Energieforschung für nachhaltige Energieträger Schub für Forschungs- und Entwicklungsinitiativen, die den
ökologischen Fußabdruck der Luftfahrt im gesamten Lebens-
BEGRIFFLICHKEITEN
Für die Energiewende in der Luftfahrt ist eine enge Zusam- zyklus reduzieren können. Über die Entwicklung nach-
menarbeit von Energie- und Luftfahrtsektor essenziell. haltiger Technologien soll zudem eine Stärkung der
Es ist möglich, das Wachstum der Luftfahrt von ihrer Umwelt- - Das Konzept einer CO2-neutralen Luftfahrt berücksichtigt Eine klimaneutrale Luftfahrt ist von CO2-neutralen europäischen Wettbewerbsfähigkeit erreicht werden.
belastung zu entkoppeln, aber die Umweltbelastung durch die nur die CO2-Emissionen als einfache und etablierte Messgröße, Energiequellen und daraus herzustellenden nach-
Luftfahrt ist vielfältig und muss deswegen differenziert betrach- die durch unterschiedliche technische und marktbasierte haltigen Brennstoffen abhängig. Die wirtschaftliche Weiter adressiert der European Green Deal eine
tet werden. In diesem Dokument werden in diesem Zusammen- Mechanismen kompensiert werden können. Forschungen zei- Verfügbarkeit von regenerativen Energiequellen und nach- schnelle Umstellung auf eine nachhaltige und intel-
hang die folgenden Begriffe verwendet: gen jedoch, dass die CO2-Emissionen lediglich für ungefähr ein haltigen Luftfahrt-Brennstoffen gehört daher zu den gro- ligente Mobilität. Um Klimaneutralität zu erreichen, sol-
Drittel der Klimawirkung des Luftverkehrs verantwortlich sind. ßen Handlungsfeldern. len die verkehrsbedingten Emissionen bis 2050 um 90 %
- Unter Emissionen werden sowohl der Ausstoß von bestimm- gesenkt werden. Alle Verkehrsträger sollen zu dieser Ver-
ten, üblicherweise schädlichen Stoffen als auch einige imma- - Das CO2-Äquivalent ist ein metrisches Maß, das den Ver- ringerung beitragen. Subventionen für fossile Brennstoffe
terielle Störfaktoren wie Lärm verstanden. Die Einwirkungen, gleich von Emissionen verschiedener Treibhausgase auf der Gesetzgebung für die konsequente Umsetzung sollen abgeschafft werden und die Europäische Kom-
die solche Emissionen verursachen, sind die Immissionen. Grundlage ihres Treibhauspotenzials ermöglicht. Dafür werden einer nachhaltigen Luftfahrtpolitik mission wird die derzeitigen Steuerbefreiungen, auch
Mengen anderer Gase in die äquivalente Menge CO2 umge- für Luftfahrt-Brennstoffe, überprüfen. Diese Maßnah-
- Die Vision der emissionsfreien Luftfahrt stellt ein ideales rechnet, die das gleiche Treibhauspotenzial haben. Um nachhaltige Lösungen für eine klimaneutrale Luftfahrt men sollen die Wettbewerbsvorteile herkömmlicher
Ziel dar, das nur asymptotisch erreichbar ist. Die tatsächlichen umsetzen zu können, müssen in enger Zusammenarbeit Brennstoffe abschaffen und eine wirtschaftliche Ein-
Null-Emissionen können zwar voraussichtlich nicht erreicht - Das Konzept von Nachhaltigkeit stellt den Oberbegriff für von Forschung, Industrie und Behörden die Grundlagen führung alternativer Brennstoffe ermöglichen, da sie
werden, aber Technologien und betriebliche Prozesse wer- die genannten Zielkonzepte dar und berücksichtigt beispiels- für die Zulassung von neuartigen Antriebskonzepten die vielversprechendste Alternative darstellen, um
den so weit wie möglich darauf ausgerichtet. weise auch soziale Aspekte. und deren Integration in die Flugzeugzelle geschaf- die Emissionen kurzfristig und flottenübergreifend zu
fen werden. Da nachhaltige Energieträger und die Reali- senken. Parallel dazu plant die EU, die Produktion und Ver-
- Eine umweltverträgliche Luftfahrt berücksichtigt eben- - In diesem Zusammenhang definieren die Systemgrenzen sierung von klimaoptimierten Flugrouten aller Voraussicht breitung nachhaltiger Luftfahrt-Brennstoffe voranzutreiben
falls alle Emissionen, legt sich aber nicht auf einen absoluten den Bereich, in dem das System Luftfahrt betrachtet wird, nach auch steigende Kosten verursachen werden, ist ein und durch entsprechende Gesetzgebung zu fördern. Darü-
Nullwert der angestrebten Emissionen fest. und trennen es von seinem Umfeld. Nur innerhalb der System- weltweit koordiniertes Vorgehen der Gesetzgeber notwen- ber hinaus sollen den Luftfahrtunternehmen im Rahmen des
grenzen können Gestaltungsmöglichkeiten genutzt werden. dig. Es sind zudem globale Regularien erforderlich, um die EU-Emissionshandelssystems weniger Zertifikate kostenlos
- Eine klimaneutrale Luftfahrt wird durch eine ausgegli- Einflüsse des Umfelds sind bestenfalls als Randbedingungen Entwicklung und Umsetzung von marktbasierten Maßnah- zugeteilt werden, um die Emissionen weiter zu reduzieren.
chene Klimawirkung aller CO2-, aber auch Nicht-CO2-Effekte gegeben. men wie dem Emissionshandel und der Klimakompensation Zudem soll im Bereich des Luftverkehrsmanagements der
charakterisiert, sodass die Luftfahrt keinen Nettobeitrag mehr zu unterstützen. Single European Sky (SES) weiter vorangetrieben werden,
zur Erderwärmung liefert. Insbesondere wird hier der Lärm um die betriebliche Effizienz des Lufttransportsystems weiter
nicht betrachtet. zu optimieren und um zu einer Senkung der Emissionen aus
Der European Green Deal dem Luftverkehr durch einen höheren Automatisierungsgrad
beizutragen. Außerdem wird die automatisierte und ver-
Mit dem European Green Deal stellte die Europäische Kom- netzte multimodale Mobilität gemeinsam mit intelligenten
Luftfahrtforschung für einen eine disziplinübergreifende Fähigkeit zum Entwurf und zur mission im Dezember 2019 eine neue Wachstumsstrategie in Verkehrsmanagementsystemen, die durch die Digitalisierung
energieeffizienten Luftverkehr Bewertung des Gesamtsystems unerlässlich. Wesentlicher Europa vor, in der sie Klimaschutz, Nachhaltigkeit und Öko- ermöglicht werden, eine immer wichtigere Rolle spielen.
Forschungsbedarf liegt in den Themengebieten emis- logie in den Fokus ihrer politischen Agenda rückt. Das über-
Innovative Mobilitäts-, Antriebs- und Brennstoff- sionsarme Antriebe, effiziente ökologische Flugzeuge, geordnete Ziel: Die Europäische Union (EU) soll bis 2050 Neue Technologien, nachhaltige Lösungen und bahnbre-
konzepte erfordern neue und effiziente Luftfahrt- effizientes Lufttransportsystem und Digitalisierung in klimaneutral werden. Bis dahin sollen keine Nettotreib- chende Innovationen sind für die Verwirklichung der Ziele
strukturen. Sie müssen modular und flexibel sein und der Luftfahrt. Die Schwerpunkte betreffen die Technolo- hausgasemissionen mehr freigesetzt werden, das Wirtschafts- von entscheidender Bedeutung. Neben großmaßstäbli-
voraussichtlich ein viel breiteres Mobilitätsspektrum bedie- gieentwicklung, die Integration der technologischen Kom- wachstum soll von der Ressourcennutzung abgekoppelt wer- cher Einführung und Demonstration neuer Techno-
nen als bisher. Zudem ist es aufgrund der geringen Ener- ponenten in das Flugzeug sowie das Verständnis für die den und der Übergang zu einer ressourcenschonenden Wirt- logien in allen Sektoren müssen neue, innovative
gie- und Leistungsdichte von alternativen Antriebssystemen Auswirkungen aller Aspekte sowohl auf der Flugzeugebene schaft soll gerecht und inklusiv sein. Das erfordert auch eine Wertschöpfungsketten geschaffen werden. Im EU-
und der zukünftig deutlich teureren nachhaltigen Luftfahrt- als auch bezogen auf das Gesamtsystem Luftfahrt. Für die klimaneutrale, ressourcenschonende Luftfahrt. Förderprogramm Horizon Europe dienen mindestens
Brennstoffe (Sustainable Aviation Fuels, SAF) eine zwingende konsequente Weiterentwicklung der Technologien und ihre 35 % der Mittelausstattung der Finanzierung neuer
Voraussetzung, dass der Energiebedarf neuer Flugzeuge prinzipielle Demonstration zur Reduktion der Klimawirkung Der European Green Deal versteht sich als Fahrplan für eine Klimaschutzlösungen. Angesichts des benötigten Investi-
substanziell reduziert wird. Hierfür sind in der Luftfahrt- bei gleichzeitiger Gewährleistung der hohen Sicherheitsstan- nachhaltige Wirtschaft in der EU und adressiert in seinem tionsumfangs sollen darüber hinaus sowohl der öffentliche
forschung deutlich höhere Anstrengungen als bisher erfor- dards sind Flugversuche zwingend erforderlich. Aktionsplan die wichtigsten Ziele und Maßnahmen in den als auch der private Sektor mobilisiert werden.
derlich, um zukünftig notwendige, mindestens doppelt so Bereichen Energie, Verkehr, Umwelt und Klimaschutz. Dafür
große Effizienzsteigerungen erreichen zu können. Um not- plant die EU, Innovationen für klimaneutrale und kreislauf-
wendige Technologien umfassend bewerten zu können, ist orientierte Produkte zu fördern. Das verspricht einen neuen
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Globale Entwicklungen und Herausforderungen matischen Emissionsanstieg sowie mit ersten Forschungen
zur Klimawirkung der Luftfahrt verbunden. Dabei rückten
In der Geschichte der Luftfahrt wirkten vielfältig wechselnde schon in den 1990er-Jahren nicht nur die CO2-Emissio-
Anforderungen auf die Entwicklungen der Branche ein. In der nen in den Fokus, sondern auch Nicht-CO2-Emissio-
Pionierphase bis zur Erfindung des Jetantriebs wurden die nen. Das Pariser Klimaschutzabkommen (2015) sowie
Die merklichen Auswirkungen des Klimawandels,
technologischen Grundsteine für die Luftfahrt als zusätzli- der European Green Deal (2019) markieren schließlich
cher Verkehrsträger gelegt. An die Pionierjahrzehnte schließt den Beginn einer vierten Phase der Transformation. die Globalisierung des Welthandels sowie der Erhalt
sich in den 1930er-Jahren eine Phase der Industrialisierung Weltweit wurde die Notwendigkeit erkannt, die Luftfahrt- der Spitzentechnologie in Deutschland und Europa
an. Die folgenden Dekaden sind von wegweisenden Tech- emissionen drastisch zu senken, und der politische Druck erfordern einen Paradigmenwechsel von der
nologieentwicklungen sowie von Standardisierungen und auf die Industrie und Forschung wurde international erhöht. überwiegend kosten- und produktionsratengetriebenen
Regulierungen geprägt. Technologien wurden schrittweise Auch die deutsche Politik setzt stark auf Nachhaltigkeit. Leistungs- und Effizienzerhöhung hin zu einer
auf größere Luftfahrzeuge übertragen und das Flugzeug eta- So fordern die Luftfahrtstrategie der Bundesregierung, die
klimaneutralen, nachhaltigen Luftfahrt.
blierte sich in dieser Zeit als attraktiver Verkehrsträger. Die nationale Wasserstoffstrategie sowie die deutsche Power-
dritte Phase ab den 1990ern ist gekennzeichnet von expo- to-Liquid-Roadmap eine Transformation in der Luftfahrt, die
nentiellem Wachstum der Luftfahrt. Dieses ist mit einem dra- den CO2-neutralen Luftverkehr ermöglichen soll.
ENTWICKLUNGEN UND HERAUSFORDERUNGEN
DER GLOBALEN LUFTFAHRT
• 1891 erster bemannter Flug • 2007 Gründung von SESAR JU
• 1903 erster Motorflug • 2008 Erstflug mit Biokraftstoffen
• 1915 Junkers J1 • 2009 DLR ANTARES
• 1919 erste Flugzeug-Atlantiküberquerung • 2016 Solar Impulse 2
• 1930 Erfindung des Strahltriebwerks • 2019 erster vollelektrischer Testflug
K L I M A N E U T R A L I TÄT 2 0 5 0
ERFOLGSGESCHICHTE • 1933 Boeing 247 eines kommerziellen Flugzeugs
• 1944 Chicago Convention
• 1989 Erstflug Tupolev Tu-155 (H2)
PIONIERARBEIT INDUSTRIALISIERUNG WACHSTUM TRANSFORMATION
Die technologischen Herausforderungen für
eine emissionsfreie Luftfahrt sind enorm,
• 1971 ICAO Annex 16
insbesondere bei der Energie- und Leistungsdichte
l
• 1973 Ölkrise: + 400 % Ölpreis
na
STEIGENDER BEDARF
tio
alternativer Antriebe und Energieträger sowie
na
• 1997 Kyoto-Protokol
er
I nt
• 1999 IPCC-Bericht (Nicht-CO2-Effekte) bei der Charakterisierung der Klimawirkung
er
o li
M
• 2012 Luftfahrt in EU ETS unterschiedlicher Emissionsarten.
3d
©
• 2015 Übereinkommen in Paris
1970 0.310 Mrd. PAX • 2020 COVID-19-Pandemie
1980 0.642 Mrd. PAX Mandat für Biokraftstoffe Norwegen
1990 1.025 Mrd. PAX • 2021 Implementierung CORSIA
2000 1.674 Mrd. PAX • 2040 alle norwegischen
WACHSTUM
2010 2.628 Mrd. PAX Kurzstreckenflüge elektrisch
2019 4.397 Mrd. PAX
Abbildung 2: Die Geschichte der Luftfahrt kann in vier große Phasen eingeteilt werden: Pionierphase, Industrialisierung, exponentiel-
les Wachstum, Transformation hin zu einer emissionsfreien Luftfahrt.
12 | LUFTFAHRTSTRATEGIE DES DLR ZUM EUROPEAN GREEN DEAL LUFTFAHRTSTRATEGIE DES DLR ZUM EUROPEAN GREEN DEAL | 13
2. Lösungsansatz des DLR
Vor dem Hintergrund der aktuellen globalen Trends und ins- Mit der Vision eines emissionsfreien Luftverkehrs verfolgt
besondere der Herausforderung, eine klimaneutrale Luftfahrt die DLR-Luftfahrtforschung einen äußerst ambitionierten
zu ermöglichen, setzt sich die Luftfahrtforschung des Anspruch. Auch wenn eine absolut emissionsfreie Luftfahrt
DLR das ambitionierte Ziel eines weitgehend emissi- technisch kaum realisierbar ist, sollte mindestens ein weitge-
onsfreien Luftverkehrs. Um dieses idealisierte Ziel zu hend klimaneutraler Luftverkehr unbedingt angestrebt wer-
erreichen, bringt sie ihre spezifischen Stärken ein und den. Dies betrifft nicht nur die einzelnen Technologien und
gestaltet die Entwicklung hin zu einem möglichst nach- Energieträger, sondern deren gesamten Lebenszyklus und
haltigen Luftverkehr der Zukunft aktiv mit. deren zusammengefasste Wirkung im gesamten Lufttrans-
portsystem. Um Emissionen und insbesondere die Klima-
wirkung der Luftfahrt auf nahezu null zu reduzieren,
Vision: eine emissionsfreie Luftfahrt sind erhebliche Entwicklungen in den Bereichen nach-
haltige Luftfahrt-Brennstoffe, neue Energieträger, neue
Dank seines umfassenden und interdisziplinären Kom- Flugzeugkonzepte und Komponenten sowie alternative
petenzspektrums kann das DLR die Transformation im Antriebslösungen und deren betriebliche Umsetzung
Sinne des European Green Deal mitgestalten. Doch die mit klimaoptimierten Flugrouten notwendig. Dieses Ziel
Realisierung einer klimaneutralen Luftfahrt erfordert den muss von politischen, gesetzgebenden und gesellschaftlichen
Transfer der Forschungsergebnisse in die Entwicklung neuer Treibern flankiert werden, um die ökologische Umsetzung
Flugzeug- und Transportprodukte, um damit eine Marktdif- mit ökonomischer Realisierbarkeit verbinden zu können. Die
fusion in die gesamte Flotte zu erreichen. Diesen Transfer Energiewende in der Luftfahrt verlangt vielfältige Investitio-
gestaltet das DLR über die Beratung und Unterstützung von nen in Entwicklung, Zulassung und Infrastruktur sowie die
Politik und Industrie aktiv mit. Unterstützung durch nationale und internationale politische
Entscheidungen.
VISION UND MISSION DER LUFTFAHRTFORSCHUNG DES DLR
VISION
Das DLR Klimaneutralität 2050
gestaltet den Weg in
die Zukunft einer
emissionsfreien Luftfahrt.
Gesellschaft &
MISSION Gesetzgeber
Das DLR entwickelt
in einem ganzheitlichen,
Multi-Skalen- und Multi-Fidelity-Ansatz
neue Technologien, Methoden und
Prozesse und agiert so
als Virtueller Hersteller
(Virtual OEM).
VORGEHEN OEMs
Das DLR
Betreiber
Zulieferer
ZERO
verfolgt eine technologieoffene
und reflektierte Strategie zur
Behörden
EMISSION
Erforschung und Bewertung von
evolutionären und
Technologietransfer zu Produkten AVIATION
revolutionären Technologien.
Abbildung 3: Zur Unterstützung des European Green Deals verfolgt das DLR die Vision einer emissionsfreien Luftfahrt. Das DLR agiert in
diesem Sinne als virtueller Hersteller (Virtual OEM) und bringt seine Technologien, Methoden und Prozesse über Industrie- und Behör-
denkooperationen in die Anwendung.
14 | LUFTFAHRTSTRATEGIE DES DLR ZUM EUROPEAN GREEN DEAL LUFTFAHRTSTRATEGIE DES DLR ZUM EUROPEAN GREEN DEAL | 15
Der Weg hin zu einer klimaneutralen Luftfahrt ist möglich. Das DLR betrachtet technologieoffen immer das gesamte Lufttransport-
Die Luftfahrtforschung des DLR bereitet den Weg dazu system von der Materialentstehung über Entwicklung, Herstellung und
als virtueller Hersteller (Virtual OEM). Betrieb bis hin zur Außerdienststellung eines Flugzeugs.
Mission: das DLR als virtueller Hersteller eine transdisziplinäre Forschung unter Berücksichtigung ansätze für zukünftige Kampfflugzeuge und Flugkörper Darüber hinaus stärkt das DLR die Spitzenposition
von Technologie-, Betriebs- und Wirtschaftsfaktoren. Die entwickelt. Jenseits der Flächenflugzeuge werden Hub- des Luftfahrtstandorts Deutschland durch Grundla-
Das DLR entwickelt Multi-Skalen- und Multi-Fidelity-Tech- durchgängige Digitalisierung ist dabei ein wesentli- schrauber und Komponenten in kooperativen Drittmittel- genforschung und sichert den Erhalt des Know-hows.
nologien, Methoden und Prozesse, um Lösungen für eine cher Erfolgsfaktor. Sie beschleunigt die Innovations- projekten mit der Industrie erforscht, um die Industrie zu Außerdem trägt das DLR dazu bei, Experten für die Luft-
möglichst emissionsfreie Luftfahrt zu liefern. Dabei verfolgt geschwindigkeit, reduziert Entwicklungsrisiken und unterstützen und den Technologietransfer zu gewährleisten. fahrtbranche auszubilden.
die DLR-Luftfahrtforschung einen ganzheitlichen Ansatz, um ermöglicht die schnelle Marktverfügbarkeit sowie
systemische Lösungen zu identifizieren. Das DLR betrachtet neue Geschäftsmodelle. In diesem Zusammenhang
immer das Luftfahrzeug und den Luftverkehr mit allen forscht das DLR am virtuellen Produkt – der Digitalisierung
Hintergründen und Zusammenhängen als Gesamtsys- entlang des Flugzeuglebenszyklus, das heißt vom Entwurf
WESENTLICHE THEMENGEBIETE
tem. Es übernimmt aufgrund dieser Systemkompetenz über die Fertigung, die Zulassung und den Betrieb bis hin
die Rolle eines virtuellen Herstellers (Virtual OEM) und zur Ausmusterung. So können ökonomische und ökologi-
bindet so auch andere Akteure der Luftfahrtforschung sche Auswirkungen frühzeitig und umfassend prognostiziert - Emissionsarme Luftfahrtantriebe: Innovative und disrup- - Emissionsreduziertes Lufttransportsystem: Die Minimie-
sowie Luftverkehrsindustrie und -wirtschaft ein. Dabei und bewertet werden. tive Technologien, Werkstoffe und Bauweisen ermöglichen rung der Klimawirkung des Luftverkehrs durch eine Reduktion
greift das DLR auf seine Kompetenzen aus den Forschungs- die weitere Effizienzverbesserung und Minimierung der Emis- der CO2- und insbesondere der Nicht-CO2-Effekte ist essenzi-
programmen Luftfahrt, Raumfahrt, Energie und Verkehr Dieses Strategiedokument stellt die vier wesentlichen The- sionen unterschiedlicher Antriebskonzepte, unter Beachtung ell. Sie kann durch eine effektivere Gestaltung des Lufttrans-
sowie den Querschnittsbereichen Digitalisierung und Sicher- mengebiete für eine klimaneutrale Luftfahrt und ihre Hand- der Leistungs- und Sicherheitsanforderungen. portsystems nachhaltig unterstützt werden.
heit zurück. lungsfelder zusammen mit den übergeordneten Zielen dar.
Es ist das Ergebnis einer umfangreichen Abstimmung unter - Energieeffizientes Flugzeug: Neue und hocheffiziente - Digitalisierung: Die Digitalisierung der Luftfahrt hat das
Vorgehen: technologieoffene Transformation Einbezug aller Institute, des Vorstands und externer Inter- Flugzeugtechnologien ermöglichen es, den Energiebedarf Potenzial als Methodik, neue Lösungsansätze zeit- und kos-
essenvertreter. Der Kern der Strategie sind die in den erheblich zu senken. Ziel ist es, den Energiebedarf zukünftiger teneffizienter zu entwickeln und zu bewerten, um die Trans-
Der Weg hin zu einer CO2-neutralen Luftfahrt ist durchaus wesentlichen Themengebieten aufgeführten Zeitho- Flugzeuge so zu reduzieren, dass nur noch etwa die Hälfte formation zur Klimaneutralität zu beschleunigen.
möglich, aber er bedarf einer schrittweisen und reflektierten rizonte mit ihren Herausforderungen, Lösungsansät- der heutigen Antriebsleistung benötigt wird.
Transformation sowie revolutionärer Technologien in allen zen und DLR-Alleinstellungsmerkmalen. Die Ableitung
Bereichen mit realistischen Zielen und unter Beachtung aller und Umsetzung von konkreten Maßnahmen werden im
Randbedingungen und Zusammenhänge. Die DLR-Luftfahrt- Rahmen der programmorientierten Förderung in Projekten
forschung hat zu diesem Zweck die hier beschriebene For- durchgeführt.
schungsstrategie entwickelt. LÖSUNGSANSATZ DES DLR
Neben der übergeordneten technologischen Strategie zum
Neben evolutionären und revolutionären Flugzeug- European Green Deal, die in diesem Dokument beschrie-
und Antriebskonzepten spielen nachhaltige Luftfahrt- ben wird, gehören zur Luftfahrtstrategie des DLR weitere VISION
Das DLR gestaltet den Weg in die Zukunft einer emissionsfreien Luftfahrt.
Brennstoffe und die Flugführung eine zentrale Rolle. wichtige Aspekte der Luftfahrtforschung. Bezüglich der
Die erfolgreiche Einführung solcher Konzepte erfordert militärischen Sicherheit werden beispielsweise Forschungs-
VEHIKEL WIRKUNG UMSETZUNG
Entscheidend ist der Transfer der Forschungsergebnisse in die EMISSIONSARME LUFTFAHRTANTRIEBE EMISSIONSREDUZIERTES DIGITALISIERUNG
Entwicklung neuer Flugzeug- und Lufttransportprodukte, um damit Ziel: LUFTTRANSPORTSYSTEM
Ziel:
25% geringerer Brennstoffverbrauch Ziel: doppelte
eine Marktdiffusion in die gesamte Flotte zu erreichen. leistungsfähiges Lufttransportsystem Innovationsgeschwindigkeit
und optimierte Flugrouten für 30%
Diesen Transfer gestaltet das DLR auch über die Beratung und ENERGIEEFFIZIENTES FLUGZEUG
reduzierte Klimawirkung
Ziel:
Unterstützung von der Politik und der Industrie aktiv mit. um 50% gesenkter Energiebedarf
INFRASTRUKTUREN
MISSION
Das DLR entwickelt in einem ganzheitlichen, Multi-Skalen- und Multi-Fidelity-Ansatz neue Technologien,
Methoden und Prozesse und agiert so als Virtueller Hersteller (Virtual OEM).
Abbildung 4: Um die Vision der emissionsfreien Luftfahrt umzusetzen, arbeitet das DLR in den vier wesentlichen Themengebieten emis-
sionsarme Luftfahrtantriebe, energieeffizientes Flugzeug, emissionsreduziertes Lufttransportsystem und Digitalisierung.
16 | LUFTFAHRTSTRATEGIE
DIGITALISIERUNGSSTRATEGIE
DES DLRDES
ZUMDLR
EUROPEAN GREEN DEAL LUFTFAHRTSTRATEGIE DES DLR ZUM EUROPEAN GREEN DEAL | 17
3. Wesentliche Themengebiete
Um das Potenzial zur Emissionsminimierung zur Gänze Reduktion von Emissionen der Einsatz alternativer Antriebs-
auszuschöpfen, müssen neben der Erforschung revo- konzepte überhaupt erst ermöglicht wird. Weiterhin spie-
lutionärer Antriebstechnologien die evolutionären len die Erzeugung und Nutzung von regenerativ erzeugtem
Luftfahrttechnologien zur Reduktion des aerodyna- Kerosin eine entscheidende Rolle, denn dieses ist für alle
mischen Widerstands und des Flugzeuggewichts bis Flugzeugklassen anwendbar und kurzfristig einsetzbar.
an die Grenzen des technisch Machbaren vorange-
trieben werden. Dadurch lässt sich eine massive Senkung Die erreichbare Emissionsreduktion in 2050 durch Einsatz
des Energiebedarfs erreichen, wodurch neben der direkten der verschiedenen Technologien ist in Abbildung 5 skizziert.
ANNAHMEN
- Die Reduktion der CO2-Emissionen wird als gut zu mes- einsetzbar sind und die Verbrennung von Wasserstoff (H2)
sender Indikator verwendet. Lärm und Klimawirkung der aufgrund der großen Volumen- und Gewichtszuwächse für
Nicht-CO2-Emissionen bleiben hier unberücksichtigt. Auch den integrierten H2-Tank maximal für Kurz- und Mittelstre-
wenn diese Nicht-CO2-Effekte den eigentlich größeren Teil cken-Flugzeuge in Frage kommt.
der Klimawirkung verursachen, sind sie mit erheblichen Unsi-
cherheiten verknüpft und zusätzlich gut mit klimaoptimierten - Das Potenzial an CO2-Reduktion der verschiedenen nach-
Flugrouten, verbesserten Antriebstechnologien und der Nut- haltigen Luftfahrt-Brennstoffe (Sustainable Aviation
zung nachhaltiger Energieträger mitigierbar. Fuel, SAF) beträgt 100 % für Wasserstoff in Brennstoffzel-
len und Verbrennung sowie 80 % für die Verbrennung von
- Zudem wird ein Technologiereifegrad TRL 6 als Zielwert regenerativ erzeugtem Kerosin. Dabei ist zu berücksichtigen,
betrachtet, um technologische Potenziale von Produkt- und dass bei der Wasserstoffverbrennung zusätzlich zum Wasser-
Marktentwicklungen zu trennen, da diese von der Forschung dampf auch klimawirksame Stickoxide entstehen.
nicht mehr zu beeinflussen sind. Dadurch werden Produktstra-
tegien und die üblicherweise erheblichen Zeitverzüge bei der - Das Potenzial an CO2-Reduktion der energieeffizienten
Einführung und Marktdurchdringung neuer Technologien Technologien im Flugwerk, im Triebwerk und in den Flug-
nicht berücksichtigt. trajektorien beträgt in Summe 3,4 % pro Jahr. Dies entspricht
einer CO2-Reduktion um 64 % bis 2050.
- Das zugrunde liegende Verkehrsszenario basiert auf der
Statistik des International Council on Clean Transportation - Nach dem derzeitigen temporären Einbruch des Luftverkehrs
(ICCT) für das Jahr 2019 mit dem Einsatz von 7 % Regio- durch die COVID-19-Pandemie wird von einer vollständigen
nalflugzeugen, 51 % Kurz- und Mittelstrecken-Flugzeugen Erholung ausgegangen.
(überwiegend durch Schmalrumpf-Flugzeuge abgedeckt) und
42 % Langstrecken-Flugzeugen (überwiegend durch Groß- - Für alle Technologieszenarien wurde angenommen, dass bis
raumflugzeuge abgedeckt). 2050 sowohl regenerativ erzeugtes Kerosin als auch
Wasserstoff in ausreichender Menge zur Verfügung ste-
- Weiterhin wird angenommen, dass Brennstoffzellen auf- hen, sodass diese nicht limitierend sind.
grund ihrer geringen Leistungsdichte nur für Regionalflugzeuge
18 | LUFTFAHRTSTRATEGIE DES DLR ZUM EUROPEAN GREEN DEAL LUFTFAHRTSTRATEGIE DES DLR ZUM EUROPEAN GREEN DEAL | 19Für den klimaneutralen Luftverkehr der Zukunft identifiziert das DLR die optimale
Kombination aller Technologien von der Effizienzverbesserung der Flugzeuge über
hocheffiziente Antriebe in Kombination mit nachhaltigen Luftfahrt-Brennstoffen,
Wasserstoff und Elektrizität bis hin zu einem verbesserten Luftverkehrsmanagement.
500,0 MAXIMALES TECHNOLOGIEPOTENTIAL FÜR DEN CO2-AUSSTOSS WESENTLICHE ERKENNTNISSE
450,0 Anteil der Flugzeugklassen
an den Gesamtemissionen in 2020 Nur Wachstum
400,0 in % - Der CO2-Ausstoß des weltweiten Luftverkehrs wird sich ohne - Werden die energieeffizienten Technologien mit der Einfüh-
REGIONAL 7 korrigierende Maßnahmen und mit Flugzeugen nach heu- rung von regenerativ erzeugtem Kerosin kombiniert, so lässt
N EU E T EC
CO2-Emissionen in %
KURZ- UND
350,0 51 tigem Stand der Technik bis zum Jahr 2050 voraussichtlich sich damit bis 2050 eine Reduzierung des CO2-Ausstoßes
HN
MITTELSTRECKE
LANGSTRECKE 42
300,0 OL mehr als vervierfachen. bereits auf nur noch knapp 30 % des Niveaus von 2020
250,0
O - Setzt man alle technischen Maßnahmen zur Reduzierung des
erreichen.
GI
Energiebedarfs der Flugzeuge, der Entwicklung besonders - Kombiniert man alle derzeit realistischen Potentiale zur
200,0
E
effizienter Antriebe und zur Optimierung der Flugrouten um, CO2-Reduktion, dann ergibt sich aus heutiger Sicht für
Energieeffiziente Technologien
150,0 mit herkömmlichem Antrieb so kann damit der Anstieg des CO2-Ausstoßes auf nur noch das Jahr 2050 ein minimaler Grenzwert von nur noch
50 % gegenüber dem Stand von 2020 begrenzt werden. etwa 17 % CO2-Ausstoß im Vergleich zu 2020.
100,0
Energieeffiziente Technologien
50,0 + regenerativ erzeugtes Kerosin
für alle Klassen
0,0 Best Case: Energieeffiziente
Technologien (alle Klassen)
2020 2025 2030 2035 2040 2045 2050 + regenerativ erzeugtes Kerosin
(Langstrecke)
+ Wasserstoff (Regional- und Energieeffiziente Technologien Zusammenhang forscht das DLR am sogenannten vir-
Kurz- und Mittelstrecke)
CO2-REDUKTIONSPOTENTIAL DURCH ANNAHME tuellen Produkt – der durchgehenden Digitalisierung
• energieeffiziente Technologien 3,4 % pro Jahr • Keine Verzögerung durch Markteinführung Um das Potenzial der energieeffizienten Technologien eines Flugzeugs mit allen seinen Komponenten und
• Wasserstoff-Brennstoffzellen 100 % • Ausreichende Menge an Brennstoffen verfügbar vollständig erschließen zu können, ist es zwingend Technologien entlang seines Lebenszyklus. Damit kön-
• Wasserstoff-Verbrennung 100 % • Nicht-CO2-Effekte unberücksichtigt
• regenerativ erzeugtes Kerosin 80 % • Nicht alle Technologien sind auf alle Flugzeugklassen anwendbar
erforderlich, den aerodynamischen Widerstand und nen ökonomische und ökologische Auswirkungen über den
das Flugzeuggewicht drastisch zu senken. Zur Reduktion gesamten Lebenszyklus frühzeitig und umfassend prognos-
Abbildung 5: Über die Verbindung von energieeffizienten Technologien, regenerativ erzeugtem Kerosin und Wasserstoff lassen sich die des Reibungswiderstands muss dazu sowohl auf dem Flügel tiziert und bewertet werden. Zudem können die Potenziale
Emissionen des Luftverkehrs von seinem Wachstum entkoppeln. als auch auf dem Flugzeugrumpf ein laminarer Strömungszu- neuer Technologien für einen umweltfreundlicheren und wirt-
stand gewährleistet werden. Zur Reduktion des induzierten schaftlicheren Luftverkehr identifiziert und deren Einführung
Widerstands muss die Spannweite des Flügels ohne Erhö- beschleunigt werden.
Regenerativ erzeugtes Kerosin Alternative Energieträger hung der Flügelfläche extrem gesteigert werden. Das DLR
wird Erforschung, Entwicklung und Demonstration dieser
Für Langstrecken stellen Drop-In- und Near-Drop-In- Für Regionalflugzeuge erforscht das DLR darüber hinaus wei- äußerst anspruchsvollen Technologien zur Realisierung der Gesamtsystembewertung
Brennstoffe, also regenerativ erzeugtes Kerosin, aus terhin das Potenzial von Batterien und Brennstoffzellen zum erforderlichen strömungsmechanischen, strukturellen und
heutiger Sicht die realistischste Alternative zu her- Erreichen der notwendigen Leistungsdichte. Für Kurz- und systemtechnischen Konzepte konsequent verfolgen. Für den klimaneutralen Luftverkehr der Zukunft stellt das
kömmlichem Kerosin dar. Seine Entwicklung und der Mittelstrecken-Flugzeuge entwickelt das DLR zudem DLR statt einer festgelegten Langzeitprognose die Weichen
Einfluss auf die Atmosphäre werden im DLR – von Grundla- Konzepte zur Wasserstoffverbrennung mit den erfor- für eine technologieoffene, reflektierte Forschungsstrategie:
genversuchen bis hin zu Flugversuchen – erforscht und müs- derlichen Tanktechnologien und ermittelt damit das tech- Durchgängige Digitalisierung Nach maximal fünf Jahren wird das DLR alle Techno-
sen weiter vorangetrieben werden. Werden alle Potenziale nische Potenzial von Antrieben auf Wasserstoffbasis. Die logien bewerten und diejenigen verstärkt weiterver-
der im DLR erforschten Technologien genutzt, dann Verfügbarkeit einer Wasserstoffinfrastruktur und die sichere Bei dem Versuch, den klimaneutralen Produktlebenszyklus folgen, die im gesamten Lebenszyklus bestmöglich zur
kann mit ihnen die CO2-Belastung durch die Luftfahrt Handhabbarkeit von Wasserstoff sind dabei nicht Teil der eines Flugzeugs (von Entwurf über Produktion bis hin zu Reduktion der Umweltbelastungen durch die Luftfahrt
vom exponentiellen Verkehrswachstum entkoppelt DLR-Luftfahrtforschung, sondern werden komplementär in Betrieb, Wartung und schließlich Außerdienststellung) effi- beitragen, speziell im Hinblick auf Brennstoffzellen und Was-
und gegen Null gebracht werden. Dazu zählen neue, alter- der DLR-Energieforschung untersucht. Ein wesentlicher zienter zu gestalten, spielt die durchgängige Digitalisierung serstofftanks. Die Forschungsschwerpunkte werden somit
native Antriebstechnologien, energieeffiziente Technologien Meilenstein auf dem Weg zur CO2-Neutralität ist die der Luftfahrt eine wesentliche Rolle: Sie beschleunigt die stets entsprechend aktuellen Erkenntnissen angepasst und
zur Reduktion des Energiebedarfs, neuartige Flugführungstra- zeitnahe Abwägung des Aufwands aller diskutierten Innovationsgeschwindigkeit und ermöglicht die schnel- am Potenzial des Technologietransfers ausgerichtet.
jektorien zur Minimierung der Klimawirkung und nachhaltige Technologien gegen den Nutzen ihrer Emissionsreduk- lere Marktverfügbarkeit neuer Technologien. In diesem
Luftfahrt-Brennstoffe in einem zukünftigen Lufttransportsys- tion, insbesondere unter Marktaspekten. Dabei muss
tem. Die größte Hebelwirkung zur CO2-Reduktion wird auch der erhöhte Energie- und Kostenaufwand für die Her-
dabei aufgrund der Einsetzbarkeit für alle Flugzeugklas- stellung von regenerativ erzeugtem Kerosin gegen den erhöh-
sen durch die Kombination von energieeffizienten Tech- ten Aufwand für den Einsatz von Wasserstoff im Luftfahrzeug
nologien mit regenerativ erzeugtem Kerosin erreicht. abgewogen und in Marktszenarien detailliert werden.
20 | LUFTFAHRTSTRATEGIE DES DLR ZUM EUROPEAN GREEN DEAL LUFTFAHRTSTRATEGIE DES DLR ZUM EUROPEAN GREEN DEAL | 21Für Mittel- und Langstreckenflüge erlauben hocheffiziente Luftfahrtantriebe Wasserstoff-, Brennstoffzellen- und Batterie-Antriebe sind wegen des
in Kombination mit nachhaltigen Luftfahrt-Brennstoffen bereits kurzfristig großen Einflusses auf Volumen und Gewicht des Flugzeugs und der
einen weitgehend klimaneutralen Betrieb. Ziel ist es, bis zum Jahr 2050 den entsprechend geringen zur Verfügung stehenden Energiemenge zunächst
Brennstoffbedarf der Antriebe um weitere 25 % zu senken. vor allem für kleine Flugzeuge bis zur Regionalklasse interessant.
N EU E T EC
Zur Reduktion des Brennstoffverbrauchs von Turboantrieben Für denHmittelfristigen
NO Einsatz von brennstoffzellen-elektri-
Emissionsarme Luftfahrtantriebe müssen neuartige Werkstoffe und Bauweisen erforscht schen Antrieben LOin Flugzeugen ist im ersten Schritt bis 2030
und qualifiziert und zur Entwicklung von höchsteffizienten ein solcher Antrieb in der 1- bis 2-MW-Leistungsklasse zu
GI
Antriebskomponenten eingesetzt werden. Dies erfordert konzipieren, eingehend zu erforschen und unter Höhen-
E
aufgrund der veränderten Charakteristika innovative Design- bedingungen zu testen. Dazu ist es notwendig, neben
ZIEL UND BEDEUTUNG
ansätze und angepasste Auslegungsregeln. Hochge- der Wasserstoffinfrastruktur auch einen geeigneten
naue Simulationsverfahren und virtuelle Systeme sind dafür höhentauglichen Triebwerksprüfstand verfügbar zu
Derzeit wird der Einsatz von alternativen Energieträgern unter- direkt mit den erzeugten Emissionen verknüpft ist, nachhaltige prädestiniert und ermöglichen eine stark verkürzte Entwick- machen, mit dem eine komplette Flugenveloppe am Boden
sucht, zum Beispiel Turboantriebe mit regenerativ erzeugtem Luftfahrt-Brennstoffe zunächst knapp und deutlich teurer als lungszeit und erhebliche Risikoreduzierung. simuliert werden kann. Nur damit können Defizite frühzeitig
Kerosin, Turboantriebe mit Wasserstoff als Energieträger, fossile Brennstoffe sein werden und insbesondere bei Wasser- erkannt und Risiken für spätere Flugversuche im Vorfeld eli-
Brennstoffzellen-Hybridantriebe mit Wasserstoff oder batte- stoffverbrennung die Tankvolumina und das Tankgewicht den Gleichzeitig muss die sichere und schadstoffarme Ver- miniert werden. Darüber hinaus müssen Hochleistungselek-
rie-elektrische Antriebe. Nachhaltige Energieträger werden Einsatzbereich limitieren werden. brennung von Wasserstoff in dafür speziell zu entwickeln- troaggregate für Fluganwendungen entwickelt und validiert
für die Erreichung der Emissionsziele unabdingbar sein. Das den Wasserstoffbrennern erforscht und qualifiziert werden. und die elektromagnetische Verträglichkeit aller elektrischen
genaue Potenzial und die Einsetzbarkeit der unterschiedlichen Das Ziel emissionsarmer Antriebstechnologien ist es, Luftfahrt- Dazu müssen die dafür notwendigen Prüfstände vollständig und elektronischen Systeme sichergestellt werden. Auch dafür
Technologien für unterschiedliche Flugzeugkategorien und antriebe vom derzeit bereits sehr hohen technologischen Stand wasserstofffähig sein und es muss die gesamte Kette von müssen spezielle Testeinrichtungen aufgebaut werden.
Flugmissionen sind jedoch bisher unklar. bis zum Jahr 2050 für nochmals ca. 25 % geringeren Brenn- atmosphärischen Tests an Einzelbrennern bis hin zu Vollring-
stoffverbrauch und für die Nutzung von nachhaltigen Brenn- tests unter realistischen Temperatur- und Druckbedingungen Im Regionalflugverkehr können bis 2040 erste Brenn-
Effizientere Antriebstechnologien sind in diesem Zusammen- stoffen zu entwickeln. abgebildet werden. Bis 2040 können erste wasserstoff- stoffzellen-Elektroantriebe diese gesellschaftlich
hang notwendig, weil der Energieverbrauch im Antriebssystem fähige Flugzeuge und Antriebe für Mittelstreckenflug- besonders infrage gestellten Flugmissionen vollkom-
zeuge entwickelt werden. Damit ist es dann möglich, den men klimaneutral gestalten. Dazu ist es notwendig, die
Mittelstreckenverkehr nahezu CO2-neutral zu gestalten und Leistungsdichte sowohl der Brennstoffzellen als auch aller
somit die Klimawirkung auch in diesem wichtigen Verkehrs- Elektrokomponenten deutlich zu verbessern und hochinte-
Herausforderungen, Lösungsansätze, stoffzellen und der Nutzung des elektrischen Stroms in segment zu minimieren. grierte Antriebseinheiten zu entwickeln, die mit vertretba-
Alleinstellungsmerkmale Hochleistungselektroantrieben erforscht werden. Der ren Einschränkungen in Flugzeuge integriert werden können.
Um Emissionen und die Klimawirkung des Luftverkehrs mög- bisher erreichte Technologiereifegrad, die Leistung und Leis-
lichst kurzfristig und nachhaltig zu reduzieren, ist es notwen- tungsdichte sind jedoch noch nicht ausreichend, um damit
dig, fossile Brennstoffe durch regenerativ erzeugtes Kerosin größere zivile Verkehrsflugzeuge betreiben zu können. Bat- EMISSIONSARME LUFTFAHRTANTRIEBE
zu ersetzen. Bereits existierende Flugzeuge können diese mit terien werden für den kurzfristigen hohen Leistungsbedarf HANDLUNGSFELDER
nur geringen technischen Modifikationen (Near-Drop-In- in kritischen Flugphasen (vor allem Start- und Steigflug sowie
Brennstoffe) oder komplett ohne Modifikationen (Drop- Durchstarten nach Landeabbruch) untersucht. Weitere batte- 2020-2030 2030-2040 2040-2050
Turbo-Antriebe
In-Brennstoffe) problemlos nutzen, sodass eine schnelle rie-elektrische Anwendungen werden für zunehmend größere Innovative Composite-Werkstoffe, Triebwerke mit innovativer Fan- UHBR-Triebwerke und offene
optimierte SLM-Bauteile, aktive und Turbinenbeschaufelung und Rotoren mit schadstoffarmer
Marktdurchdringung ermöglicht wird. Die Herstellung Flugzeuge und für ausgedehntere Flugmissionen entwickelt. Schallminderung und offene Rotoren mit 100% Wasserstoff-Verbrennung verfügbar
schadstoffarme SAF-Verbrennung Wasserstoff-Verbrennung
von regenerativ erzeugtem Kerosin sollte dazu for-
Elektrische Komponenten
ciert, internationale Partnerschaften, Investitions- und Technische Ziele Hochleistungskomponenten
entwickelt und elektromagnetische
Leistungssteigerung und erhöhte
Leistungsdichte im Prüfstand
Verbesserte Systemarchitektur,
weitere Leistungssteigerung und
Bereitstellungsmodelle sollten etabliert und kosten- Insbesondere für die Mittel- und Langstreckenflugzeuge, aber Verträglichkeit im Prüfstand validiert validiert erhöhte Leistungsdichte im
Prüfstand validiert
günstige Produktionsmethoden entwickelt werden. auch zur Erreichung einer schnellen Marktdurchdringung im Verteilter Schub
Optimierung und virtuelle Experimenteller Nachweis von Gesamt-Konfigurationen mit
Integration von Antrieben mit Antriebskonzepten mit verteilt. verteiltem Schub einsatzbereit
Kurzstreckenbereich ist es bis 2030 zunächst vordringlich, verteiltem Schub Schub
Um die Emissionen und den notwendigen Primärenergieein- alle Flugzeuge, die über 2030 betrieben werden sol- Brennstoffzellen
Luftfahrt-taugliche Brennstoffzellen- Luftfahrt-optimierte Brennstoffzel- Luftfahrt-optimierte
satz darüber hinaus weiter zu reduzieren, ist es notwendig, len, mit zu 100 % SAF-fähigen Antrieben auszustat- Stacks mit erhöhter Leistung len-Stacks weiter entwickelter Bauart Brennstoffzellen-Stacks weiter
verfügbar und in Langzeittests und erhöhter Leistung verfügbar und entwickelter Bauart und erhöhter
auch Wasserstoff als Energieträger für Luftfahrtanwendungen ten. Dies gilt insbesondere für regenerativ erzeugtes Kerosin. validiert in Langzeittests validiert Leistung einsatzbereit
Hybrid-elektrische Brennstoffzellen-Antriebe
zu untersuchen und die Antriebe für die Wasserstoffverbren- Dabei müssen extrem hohe Anforderungen an die schadstoff- Brennstoffzellen-Elektro-Antriebe Hoch integrierte Brennstoffzellen- Hoch integrierte
entwickelt und im Höhenprüfstand Elektro-Antriebe entwickelt und im Brennstoffzellen-Elektro-Antriebe
nung zu qualifizieren. Dies erfordert eine systematische arme Verbrennung von nachhaltigen Luftfahrt-Brennstoffen erprobt Höhenprüfstand erprobt einsatzbereit
Revolutionäre Antriebe
Erforschung und Entwicklung von sicheren, zuverlässi- (z. B. NOx, Ruß) gestellt werden, sodass die Erforschung Komponenten revolutionärer Integriertes revolutionäres Antriebs- Revolutionäres Antriebskonzept im
Antriebe entwickelt und im konzept im Prüfstand validiert Höhenprüfstandvalidiert
gen und schadstoffarmen Wasserstoffbrennern sowie und Entwicklung innovativer Verbrennungssysteme für Prüfstand erprobt
eine sichere Handhabung und Beherrschung von Was- die veränderte chemische Zusammensetzung von SAF Wasserstofftechnologie
Konzept zur sicheren Speicherung Numerische Methoden zur Integriertes Konzept für
und Einsatz von Wasserstoff in Bewertung der Auswirkung von Kryotechnologie / Supraleitung
serstoff und einem erhöhten Wasserdampfanteil im höchste Priorität genießen soll. Damit lassen sich – neben den Flugzeugen entwickelt und validiert Wasserdampf-korrosion und entwickelt und validiert
Versprödung validiert
Heißgasbereich. Netto-CO2-Emissionen – auch die Stickoxid- und Rußemissio-
Digitalisierung & Virtualisierung
nen drastisch reduzieren, sodass die Wirkung des Luftverkehrs Virtuelles Triebwerk für den
multidisziplinären Triebwerksentwurf
KI für Modellierung und
prognosefähige Digitale Zwillinge
Simulationsbasierte Zertifizierung
von Triebwerkskomponenten und
In einem weiteren Schritt sollen hybrid-elektrische Luft- auf das Klima und auf die Luftqualität damit sehr effektiv ver- einsetzbar einsatzbereit Triebwerken
fahrtantriebe unter Einsatz von Wasserstoff in Brenn- mindert werden kann. Abbildung 6: Die Handlungsfelder im Gebiet emissionsarme Luftfahrtantriebe liegen unter anderem bei Turbo-Antrieben, elektrischen
Komponenten, der Nutzung von Wasserstoff. In allen Feldern wichtig sind zudem Integrationsfragen.
22 | LUFTFAHRTSTRATEGIE DES DLR ZUM EUROPEAN GREEN DEAL LUFTFAHRTSTRATEGIE DES DLR ZUM EUROPEAN GREEN DEAL | 23Sie können auch lesen
