Wie sieht eine gute Strategie für eine klimaneutrale Luftfahrt im Jahr 2070 aus?
Diese Frage bildete den Ausgangspunkt unserer jüngsten interdisziplinären Teamarbeit bei Bauhaus Luftfahrt mit dem Ziel, ein Szenario-Framework zu entwickeln. Konkret: Welchen Umfang an Investitionen und welche wirtschaftlichen Auswirkungen werden die verschiedenen Transformationspfade haben? Um diese Fragen zu beantworten, muss über einzelne Technologien hinausgeblickt und ein breites Spektrum möglicher technologischer Entwicklungen und wirtschaftlicher Rahmenbedingungen berücksichtigt werden.
Die Untersuchung verschiedener Zukunftsszenarien erfordert die Modellierung des komplexen Zusammenspiels dieser Elemente – Modelle, die die Energieversorgung, die Entwicklung des Luftverkehrsnetzes, der Flugzeugtechnologien und deren ökologische und gesellschaftliche Auswirkungen einbeziehen.
Unser Szenario-Framework wurde als modularer Ansatz entwickelt, um die Komplexität in überschaubare und transparente Elemente zu strukturieren. Das Framework integriert komplementäre Perspektiven, die gemeinsam eine kohärente technoökonomische Sicht auf verschiedene Pfade der langfristigen Transformation der Luftfahrt ermöglichen.
Ein modulares Rahmenwerk für den Wandel in der Luftfahrt
Jedes Modul legt zentrale Annahmen fest und behandelt eine spezifische Systemdimension. Dadurch lassen sich Erkenntnisse von breiten sozioökonomischen Entwicklungen bis hin zu konkreten technologischen Entscheidungen und deren gesellschaftlichen Folgen zurückverfolgen. Die fünf Module sind:
Luftfahrtnachfrage und Wirtschaftswachstum – Szenario: Definition des generellen sozioökonomischen Kontexts.
Technologieentwicklung im Flugzeugbau – Flugzeug: einschließlich der damit verbundenen Kosten, Vorteile und Leistungseinflüsse.
Entwicklung des Energiemixes – Treibstoff: Investitionsbedarf, Skalierungsanforderungen und Produktionskostenentwicklung für verschiedene Treibstoffarten.
Flottendynamik und Markteinführung – Markt und Flotte: Technologieakzeptanz und -betrieb im Wettbewerbsumfeld.
Klimafolgen und soziale Kosten – Klima: Verknüpfung der Transformation der Luftfahrt mit Umweltauswirkungen und gesellschaftlichem Wohlergehen.
Bei manchen Lösungen erfordert die Systemkomplexität iterative Interaktionen zwischen den Modulen anstelle einer einfachen sequenziellen Ausführung. Beispielsweise definiert die Optimierung der Flottenkosten die Anforderungen an die Treibstoffverfügbarkeit, während die Treibstoffkosten selbst von der Gesamtnachfrage abhängen. Diese zirkuläre Abhängigkeit verdeutlicht die enge Verknüpfung einiger grundlegender Entscheidungen, die die Zukunft der Luftfahrt prägen und nicht auf einfache, analytische Weise gelöst werden können.
Der modulare Ansatz des Scenario Framework unterteilt die Analyse in fünf Module, die jeweils einen entscheidenden Aspekt der Transformation der Luftfahrt beleuchten: Luftverkehrsnachfrage und Wirtschaftswachstum, Entwicklung der Flugzeugtechnologie, Entwicklung des Energiemix, Flottendynamik und Marktakzeptanz sowie Klimaauswirkungen und gesellschaftliche Kosten. Die Ergebnisse werden anhand von vier narrativen Luftfahrtstrategien interpretiert. Um die Auswirkungen zu bewerten, wird jede Strategie mit einem konservativen Basisszenario verglichen, wodurch ein konsistenter Kosten-Nutzen-Vergleich ermöglicht wird.
- Basisszenario – Gekennzeichnet durch moderate bis geringe Dekarbonisierungsbemühungen und eine fortgesetzte Abhängigkeit von fossilen Brennstoffen.
- SAF-basiert – Ein Pfad, der umfangreiche Investitionen erfordert, um den weltweiten Einsatz nachhaltiger Flugkraftstoffe (SAF) mit bis zu 100 % Substitution des fossilen Kerosins zu ermöglichen.
- H2-basiert – Ein Szenario, in dem bis 2050 Flugzeuge mit flüssigem Wasserstoff kommerziell verfügbar sind, unterstützt durch den parallelen Aufbau der erforderlichen Wasserstoffinfrastruktur und die Nutzung von SAF-Synergien.
- Flugzeugbasiert – Ein effizienzorientierter Pfad, der neue Flugzeuggenerationen einführt, die bis 2035 eine Effizienzsteigerung von ca. 30 %, bis 2050 weitere 15 % und bis 2060 diese erneut erreichen.
Bewertung von Übergangspfaden
Investitionen: Der kontinuierliche Ausbau erneuerbarer Energien und Kraftstoffe erfordert erhebliche globale Investitionen. Dies umfasst den Bau von Produktionsanlagen weltweit sowie die Entwicklung, Skalierung und ständige Verbesserung von Technologien zur Kraftstoffsynthese und -verteilung.
Biobasierter SAF mag in frühen Übergangsphasen wettbewerbsfähig sein, wird aber voraussichtlich im Laufe der Zeit einem zunehmenden Wettbewerb mit anderen Sektoren ausgesetzt sein. Selbst im konservativen Basisszenario wären für eine Beimischungsrate von 70 % bis 2050 weltweit erhebliche Investitionen in Höhe von mehreren Hundert Milliarden Euro jährlich erforderlich. Das SAF-basierte Szenario zeigt einen Anstieg der erforderlichen Investitionen um 30 %, um bis 2060 eine Beimischungsrate von nahezu 100 % zu erreichen.
Betriebskosten werden primär durch Kraftstoffpreise, CO2- Bepreisung, Flugzeugabschreibung und Flottenerneuerung bestimmt. Unter den Annahmen dieser Studie steigen die auf Passagierkilometer (RPK) normierten Betriebskosten in allen Szenarien, hauptsächlich aufgrund der höheren Kosten alternativer Kraftstoffe.
In den kommenden Jahrzehnten bleibt das Basisszenario etwa zehn Cent pro RPK günstiger als andere Wege. Diese Lücke verringert sich jedoch allmählich und kehrt sich nach 2050 schließlich um, wobei das Basisszenario die für die ambitionierteren Transformationspfade prognostizierten Kosten übersteigt. Dies deutet darauf hin, dass moderatere Investitionen nicht zwangsläufig zu geringeren langfristigen Kosten für den Sektor führen. Anders ausgedrückt: Eine Verzögerung der Transformation heute kann zukünftig höhere Betriebskosten zur Folge haben.
Investitionen in die Kraftstoffproduktion
Direkte Betriebskosten
Umweltauswirkungen: Die Klimawirkungen der Luftfahrt, gemessen anhand des wirkungsgewichteten Treibhauspotenzials (f-GWP), könnten bis 2070 bei moderaten Investitionsannahmen jährliche Emissionen von rund 2,8 Gt CO2- Äquivalent erreichen. Im Vergleich dazu könnte das SAF-basierte Szenario diese Auswirkungen auf rund 2,1 Gt reduzieren, während der flugzeugbasierte Pfad weitere Klimavorteile aufzeigt und etwa 1,7 Gt erreicht.
Das H2-basierte Szenario birgt aufgrund großer Unsicherheiten im Zusammenhang mit der Kondensstreifenbildung zusätzliche Herausforderungen. Obwohl diese Effekte mit zunehmender Verfügbarkeit experimenteller Daten erneut untersucht werden müssen, könnte die kombinierte Reduzierung flüchtiger und nichtflüchtiger Partikelemissionen durch Wasserstoff-Verbrennungstriebwerke in Verbindung mit betrieblichen Umleitungsstrategien die Klimabelastung deutlich verringern und bis 2070 potenziell etwa 0,75 Gt erreichen.
Die sozialen Kosten messen den monetären Wert der Auswirkungen eines schrittweisen Anstiegs der CO2-Emissionen, einschließlich der Folgen für die menschliche Gesundheit, die Landwirtschaft, die Energiesysteme und die Wettermuster – ein langfristiger Wohlfahrtsverlust, der weit über den Zeitpunkt der Emissionen hinausreicht. Diese Kennzahl konzentriert sich jedoch typischerweise nur auf klimabezogene Auswirkungen. Durch die gemeinsame Berücksichtigung von CO2-Emissionen, nicht-CO2-bedingten Klimaeffekten und lokalen Luftverschmutzungsfolgen ermöglichen wir eine umfassendere Bewertung der gesellschaftlichen Konsequenzen der Transformation der Luftfahrt.
Die jährlich bis 2070 akkumulierten sozialen Kosten bewerten den Nutzen verschiedener Wege hinsichtlich vermiedener Schäden im Vergleich zum Ausgangsszenario. Unter unseren Annahmen entspricht dies einem gesellschaftlichen Nutzen in der Größenordnung von mehreren Billionen Euro, wobei das Szenario mit Flugzeugen den größten gesellschaftlichen Nutzen bietet.
Auswirkungen des Luftverkehrs auf das Klima
setzen, zeigen ähnliche Reduktionen von - 30 %. Investitionen in Konzepte für hocheffiziente Flugzeuge weisen die größte Hebelwirkung für die Emissionsminderung auf und erreichen eine Reduktion von - 40 %.
Kumulative soziale Kosten
Strategische Implikationen
Weitreichende Konsequenzen heutiger Entscheidungen Diese Szenarien sollen keine einzelne Zukunft vorhersagen. Vielmehr veranschaulichen sie, wie sich heutige Entscheidungen weitreichend auf die Entwicklung der Luftfahrt in den kommenden Jahrzehnten auswirken können – und damit wiederum auf die globale Wirtschaftsentwicklung und das gesellschaftliche Wohlergehen.
Der Treibstoffwechsel führt zu steigenden Betriebskosten. Die kombinierte Wirkung der CO2-Bepreisung und der Einführung von SAF und flüssigem Wasserstoff wird die Betriebskosten in den verschiedenen Szenarien voraussichtlich um etwa 35 % bis 55 % pro RPK erhöhen.
Flüssiger Wasserstoff bietet trotz höherer Flugzeugkosten langfristige Kostenvorteile. Obwohl H2-Flugzeuge höhere Anschaffungskosten verursachen, können sie langfristig zu niedrigeren Betriebskosten führen, insbesondere wenn Synergien mit der Verfügbarkeit von SAF und der Weiterentwicklung des Energiesystems berücksichtigt werden.
Die Flugzeugeffizienz bleibt der wichtigste Hebel zur Kostensenkung. Hocheffiziente Flugzeuge der nächsten Generation bergen das größte Potenzial, treibstoffbedingte Kostensteigerungen abzumildern. Trotz hoher Entwicklungs- und Anschaffungskosten sinken die Betriebskosten, wodurch Effizienzsteigerungen zu einem entscheidenden Faktor für alle Transformationspfade werden.