Luftverkehr: die härteste Zahl im Verkehr
Der Luftverkehr ist ein kleiner Anteil der Weltenergie - wenige Prozent - und ein überproportionaler Anteil der Energie jener Menschen, die häufig fliegen. Er ist zugleich der Bereich, in dem die Physik am wenigsten nachsichtig ist, denn anders als ein Auto oder ein Zug zahlt ein Flugzeug für jedes mitgeführte Kilogramm einen sich verstärkenden Aufschlag.
Das Verhältnis, das alles entscheidet
Kerosin speichert rund 12.000 Wattstunden chemischer Energie je Kilogramm. Eine heutige Lithium-Ionen-Zelle speichert etwa 250, und ein Paket mit Gehäuse, Kühlung und Steuerung weniger. Selbst wenn man berücksichtigt, dass ein Elektromotor seine Energie weit effizienter wandelt als eine Turbine, bleibt die nutzbare Lücke beim Faktor fünfzehn bis zwanzig.
Für ein Auto ist das unbequem. Für ein Flugzeug ist es entscheidend, denn ein Flugzeug muss seinen Energiespeicher heben und die ganze Reise über oben halten. Schwererer Speicher heißt mehr Auftrieb, also mehr Flügel und mehr Schub, also mehr Energie - eine Schleife, die sich schlecht schließt.
Es gibt einen zweiten Effekt ohne Entsprechung am Boden. Ein Verkehrsflugzeug verbrennt auf einem Langstreckenflug einen großen Teil seiner Startmasse als Treibstoff und landet deutlich leichter, sodass die späteren Stunden je Kilometer weniger Energie kosten als die frühen. Eine Batterie wiegt leer dasselbe, das Flugzeug trägt also den ganzen Flug über die volle Masse und gewinnt nichts zurück.
Zusammen erklären beide das beobachtete Muster genau. Elektroflugzeuge gehen für kurze Strecken mit wenigen Passagieren in Dienst, wo die Batteriemasse erträglich und die Entfernung klein ist. Dieselbe Technik lässt sich nicht auf einen Transatlantikjet ausdehnen, indem man die Zellen ein wenig verbessert, weil sich der Aufschlag mit der Reichweite verstärkt.
Wie effizient Fliegen tatsächlich ist
Die naheliegende Annahme ist, Fliegen sei je Kilometer katastrophal ineffizient. Das ist es nicht - ein voller moderner Schmalrumpfjet liegt je Personenkilometer im selben Bereich wie ein Auto mit einer Person und auf manchen Strecken besser als ein Auto.
Erreicht haben Flugzeuge das durch beständige Entwicklung. Der Verbrauch je Sitzkilometer hat sich seit den 1970er Jahren um mehr als die Hälfte verbessert, durch Triebwerke mit höherem Nebenstromverhältnis, leichtere Faserverbundstrukturen, bessere Aerodynamik und dichtere Bestuhlung. Letzteres ist ein Effizienzgewinn, den Passagiere als Verlust erleben, was Erwähnung verdient, weil er in der Statistik als Fortschritt erscheint.
Dass der Luftverkehr dennoch einen großen Teil der persönlichen Energiebilanz ausmacht, liegt an der Entfernung und nicht an der Ineffizienz. Ein einziger Langstreckenhin- und -rückflug deckt mehr Kilometer ab als ein Jahr üblichen Pendelns mit dem Auto, sodass ein vergleichbarer Wert je Kilometer eine weit größere Summe ergibt. Niemand fährt für eine Woche auf einen anderen Kontinent.
Deshalb führen Vergleiche je Kilometer hier auf bestimmte Weise in die Irre. Der einschlägige Vergleich für eine persönliche Entscheidung ist nicht Fliegen gegen Fahren auf derselben Strecke, sondern Fliegen gegen die Reise nicht oder kürzer zu machen - und das ist eine andere Frage als die, die Verkehrsmittelvergleiche beantworten.
Der Teil, der nicht Kohlendioxid ist
Flugzeuge stoßen Kohlendioxid aus wie jeder Brennstoffverbraucher, und sie tun zusätzlich etwas, das mit der Höhe zusammenhängt. Wasserdampf aus dem Abgas kann kondensieren und zu Kondensstreifen gefrieren, und wo diese bestehen bleiben und sich zu Zirren ausbreiten, halten sie abgehende Wärme zurück.
Schätzungen setzen diesen Kondensstreifeneffekt in etwa in derselben Größenordnung an wie das Kohlendioxid desselben Fluges, womöglich größer, mit erheblich mehr Unsicherheit. Stickoxide in der Höhe fügen weitere Wirkungen auf Ozon und Methan hinzu, die einander teilweise aufheben.
Praktisch bedeutet das, dass eine Rechnung, die nur das Kohlendioxid zählt, die Klimawirkung des Luftverkehrs um einen großen Faktor untertreibt, und die meisten verbrauchernahen Rechner tun genau das. Es bedeutet auch, dass die Wirkung nicht allein dem Treibstoffverbrauch proportional ist, denn die Bildung von Kondensstreifen hängt von den atmosphärischen Bedingungen auf der jeweiligen Strecke und Höhe ab.
Diese Abhängigkeit eröffnet eine Möglichkeit, die es anderswo nicht gibt. Ein kleiner Teil der Flüge erzeugt den Großteil der beständigen Kondensstreifen, und diese Flüge so zu führen, dass sie eisübersättigte Bereiche meiden, kostet etwas mehr Treibstoff und vermeidet eine weit größere Erwärmungswirkung. Versuche legen nahe, dass dies zu den günstigsten verfügbaren Eingriffen im Luftverkehr gehört, und es ist ein Vorhersage- und Flugsicherungsproblem und kein Flugzeugproblem.
Was die Alternativen tatsächlich bieten
Batterieelektrische Flugzeuge sind real und begrenzt. Zubringerflugzeuge mit einstelligen bis niedrig zweistelligen Passagierzahlen über einige hundert Kilometer gehen in Dienst und bedienen einen echten Markt. Das auf die Strecken auszudehnen, die den Energieverbrauch des Luftverkehrs beherrschen, verlangt eine Zellenergiedichte mehrfach über dem heutigen Stand, und das ist eine Forschungsfrage und keine Einführungsfrage.
Wasserstoff ist die meistbesprochene Langstreckenoption und hat eine andere Beschränkung. Wasserstoff speichert je Kilogramm etwa dreimal mehr Energie als Kerosin und selbst tiefkalt verflüssigt rund viermal weniger je Liter, das Problem ist also das Volumen und nicht die Masse. Das verlangt eine grundlegend andere Flugzeugzelle und eine Treibstoffinfrastruktur an jedem bedienten Flughafen.
Nachhaltiger Flugkraftstoff ist die Möglichkeit, die mit vorhandenen Flugzeugen funktioniert, und das ist ihr entscheidender Vorteil. Es ist eine unmittelbar einsetzbare Flüssigkeit aus Altölen, Biomasse oder abgeschiedenem Kohlendioxid plus Wasserstoff. Die Beschränkung ist die Menge: der Rohstoff für die günstigen Wege ist begrenzt, und der synthetische Weg ist teuer, weil er große Mengen sauberen Stroms braucht und damit in unmittelbaren Wettbewerb zu jeder anderen Verwendung dieses Stroms tritt.
Bleiben Effizienz und Nachfrage. Flugzeuge verbessern sich weiter um ein bis zwei Prozent im Jahr, und der Verkehr ist über den größten Teil der Luftfahrtgeschichte schneller gewachsen - wieder das Muster der Ergänzung statt Ablösung. Die ehrliche Aussage lautet, dass der Luftverkehr in diesem Jahrzehnt keine vollständige technische Antwort zur Verfügung hat und der Emissionspfad des Sektors deshalb mehr davon abhängt, wie viel geflogen wird, als davon, woraus die Flugzeuge gebaut sind. Das ist ein unbequemer Schluss, und es ist der, den die Zahlen stützen.
Häufige Fragen
Warum können Flugzeuge nicht mit Batterien fliegen?
Weil Kerosin rund 12.000 Wattstunden je Kilogramm speichert und eine Lithiumzelle etwa 250. Ein Flugzeug muss seinen Energiespeicher heben und oben halten, schwererer Speicher heißt also mehr Auftrieb, mehr Flügel und mehr Schub. Ein betanktes Flugzeug wird im Flug zudem leichter, eine Batterie nicht, was den Aufschlag mit der Entfernung verstärkt.
Ist Fliegen ineffizienter als Fahren?
Je Kilometer nicht. Ein voller moderner Schmalrumpfjet liegt je Personenkilometer im selben Bereich wie ein Auto mit einer Person. Der Luftverkehr beherrscht die Energiebilanz von Vielfliegern wegen der Entfernung: ein Langstreckenhin- und -rückflug deckt mehr Kilometer ab als ein Jahr üblichen Pendelns.
Was sind Kondensstreifen und warum zählen sie?
Wasserdampf aus dem Abgas, der in großer Höhe kondensiert und gefriert. Wo Kondensstreifen bestehen bleiben und sich zu Zirren ausbreiten, halten sie abgehende Wärme zurück, mit einer Wirkung in etwa derselben Größenordnung wie das Kohlendioxid desselben Fluges und mit mehr Unsicherheit. Rechner, die nur Kohlendioxid zählen, untertreiben erheblich.
Könnte eine andere Streckenführung die Klimawirkung senken?
Ja, und es scheint zu den günstigsten Möglichkeiten im Luftverkehr zu gehören. Ein kleiner Teil der Flüge erzeugt den Großteil der beständigen Kondensstreifen, denn ihre Bildung hängt von den atmosphärischen Bedingungen auf Strecke und Höhe ab. Eisübersättigte Bereiche zu meiden kostet etwas mehr Treibstoff und vermeidet eine weit größere Erwärmungswirkung.
Lösen Wasserstoff oder synthetischer Kraftstoff den Luftverkehr?
In diesem Jahrzehnt keiner vollständig. Wasserstoff speichert je Masse gut und je Volumen selbst tiefkalt verflüssigt schlecht, was eine andere Flugzeugzelle und Flughafeninfrastruktur verlangt. Nachhaltiger Flugkraftstoff funktioniert in vorhandenen Flugzeugen, ist aber mengenbegrenzt: günstige Rohstoffe sind knapp und der synthetische Weg braucht viel sauberen Strom.
