Life cycle assessment for sustainable regional air transport with alternative powertrains

• Lebenszyklusanalyse für nachhaltigen regionalen Luftverkehr mit alternativen Antrieben

Lückhof, Jan-Marcus; Stumpf, Eike (Thesis advisor); Hornung, Mirko (Thesis advisor)

Aachen : RWTH Aachen University (2021)
Doktorarbeit

Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2021

Kurzfassung

Aufgrund der ernsthaften Warnungen bezüglich des Klimawandels, die insbesondere in den jüngsten Berichten des IPCC zum Ausdruck kommt, werden zunehmend Anstrengungen unternommen, um Lösungen in Industrie und Gesellschaft zu finden und umzusetzen. Es hat sich gezeigt, dass energieintensive und gewichtssensible Sektoren, wie z.B. die Luftfahrt, besonders schwer zu dekarbonisieren sind. Folglich wird der gesamte Sektor im Gegensatz zu anderen Industrien und Verkehrsträgern nach wie vor mit konventionellen fossilen Brennstoffen betrieben. Als Optionen, dies zu ändern, werden alternative Energieträger diskutiert, die potenziell mit Netto-Null-Emissionen produziert und geliefert werden können, nämlich Strom, Wasserstoff, Biokraftstoffe und Power-to-X-Kraftstoffe.Für die ersten beiden sind größere Modifikationen bezüglich der Antriebsstrangarchitektur des Flugzeugs erforderlich, während die beiden letzteren als Drop-In Treibstoffe konzipiert werden können. Die vorliegende Arbeit untersucht die genannten Wege zur Dekarbonisierung sowohl im Hinblick auf den gesamten Lebenszyklus des Flugzeugs (Cradle-to-Grave) als auch auf den Lebenszyklus des Energieträgers. Letzterer untergliedert sich in die Produktion und den Transport der einzelnen Energieformen (Well-to-Tank) und deren Endnutzung im Flugzeug (Tank-to-Wake). Um den Tank-to-Wake-Prozess zusammen mit allen relevanten Parametern wie Masse, Volumen und Effizienz jeder Antriebsstrang-Architektur zu analysieren, wurde ein flexibler Algorithmus für den vorläufigen Flugzeugentwurf entworfen und in Matlab/Simulink implementiert. Als Anwendungsfälle werden Flugzeuge der4-PAX-Klasse und der 19-PAX-Klasse modelliert.Für einen aussagekräftigen Vergleich der untersuchten Optionen werden fünf Kennzahlen analysiert: technische Machbarkeit, Umweltauswirkungen, Kosten, Frischwasserbedarf und Landnutzung. Es wird gezeigt, dass batterie-elektrische Flugzeuge aufgrund der derzeitigen Batterietechnologie technisch nicht für den Passagiertransport geeignet sind. Hybride (parallel und in Serie) könnten den Treibstofffluss in der 4-PAX-Klasse potenziell um bis zu 12% reduzieren, sind aber stark von den entsprechenden Eigenschaften des konventionellen Triebwerks abhängig. Der Einsatz von Biokraftstoffen kann die Lebenszyklusemissionen je nach verwendeter Biomasse um 26% to 91% reduzieren. Aufgrund der geringen derzeitigen Produktionskapazitäten wird jedoch mit einer Erhöhung der Ticketpreise um 24% gerechnet. Noch wichtiger ist, dass bis zu 50% des weltweiten Ackerlandes für den Anbau von Rohstoffen benötigt würde, um die derzeitige Nachfrage nach Flugtreibstoff zu befriedigen. Power-to-X-Kraftstoffe versprechen ökologische Vorteile, wenn sie mit Elektrolyse hergestellt werden, die ihrerseits mit einem Strommix unter 284 g CO2,eq/kWh betrieben wird. Die Preise sind wegen des Fehlens einer Produktion in großem Maßstab höchst unsicher, jedoch wäre eine Kohlenstoffsteuer in der Größenordnung von 380 €/t notwendig, um sie wirtschaftlich wettbewerbsfähig zu machen. Es wird festgestellt, dass grüner Wasserstoff die Emissionen um bis zu 80% verringern kann. Dieses Szenario setzt den Einsatz einer Brennstoffzelle voraus. Obwohl weniger effizient, verspricht die direkte Verbrennung von Wasserstoff in einer Turbine Emissionseinsparungen von bis zu 30%. Da die meisten Technologieoptionen Schlüsselkomponenten gemeinsam haben (z.B. Entwicklung zuverlässiger Elektromotoren, Produktion von grünem Wasserstoff), ist ein paralleler Ansatz mit mehreren Pfaden ratsam.

Einrichtungen

• Lehrstuhl und Institut für Luft- und Raumfahrtsysteme (ILR) [415310]