Hydrogen-powered aviation – techno-economics of flying with green liquid hydrogen
Creators: name: Hölzen, Julian
Publisher: name: Hannover : Institutionelles Repositorium der Leibniz Universität Hannover
Year: 2024
Subjects: subject: Green Hydrogen
subject: Liquid Hydrogen
subject: Hydrogen-powered aviation
subject: contains research data
subject: Grüner Wasserstoff
subject: Klimafreundlichere Luftfahrt
subject: Wasserstoff-betriebene Luftfahrt
subject: enthält Forschungsdaten
subject: Dewey Decimal Classification::300 | Sozialwissenschaften, Soziologie, Anthropologie::330 | Wirtschaft::333 | Boden- und Energiewirtschaft::333,7 | Natürliche Ressourcen, Energie und Umwelt
subject: Dewey Decimal Classification::500 | Naturwissenschaften

description: The aviation sector set itself the target of net-zero CO2 emissions by 2050. However, there is no silver bullet such as a single technology to achieve this ambitious goal. New technologies like hydrogen (H2) propulsion do not only change future aircraft design but also fuel supply chains and operations of aircraft. In comparison to that, new fuels like drop-in synthetic kerosene imply mostly changes to the fuel production and supply infrastructure only, but might cause higher costs and lower resource efficiencies. The time for technology decisions is now. The sector’s main “workhorse” with the most take-offs and causing around 50% of all commercial aircraft emissions is the single-aisle aircraft segment. In this category, the next product launches are expected in the 2030s with final investment decisions by aircraft manufacturers already in less than 5 years. These new aircraft will shape the development of the sector’s climate impact in the following 20-30 years and will determine if the 2050 net-zero target can be reached. Consequently, a holistic techno-economic investigation is undertaken for this aircraft segment to evaluate the economic competitiveness of H2 propulsion concepts compared to other decarbonization options. It is derived that H2-powered single-aisle aircraft technology alone would lead to an average 5%-increase in total direct operating costs for airlines. Therefore, major technology developments are required targeting inter alia the onboard liquid H2 (LH2) tank, high-performing H2 combustion engines, and safe H2 fuel system integration. Moreover, the analysis shows that the main economic uncertainty arises from the supply costs for green LH2. Demand scenarios for 2050 indicate that larger-scale supply chains for aviation use might be needed. With annual demands of 100 ktLH2 or more, major national and intercontinental hub airports could take a H2 hub role dominating regional H2 consumption. Regarding the supply pathways for green LH2 to airports, three main options are identified: on-site, LH2 off-site, or gaseous H2 off-site production. In a first optimization task, it is derived that costs could reach 2.04 USD/kgLH2 in a 2050 base case scenario for locations with strong renewable energy source (RES) conditions and greater LH2 demands. This could lead to cost-competitive flying with H2 compared to fossil kerosene in combination with emission taxes. While the main costs are caused by the RES, water electrolysis, and H2 liquefaction, the costs for the LH2 refueling system only mark 3–5% of the total supply costs. If techno-economic uncertainties are reflected, the LH2 cost span ranges between 1.37–3.48 USD/kgLH2 at different airports with good and weaker RES conditions. For the latter, H2 imports from larger H2 markets/exporting countries are of special importance to achieve these costs – not only due to less performing RES locally, but also due to limited space availability. A European-centered case study is performed to combine the optimization of green LH2 supply and aircraft designs with the investigation of operational strategies in one specific air traffic network. In a 2050 scenario, it is calculated that LH2 could cost around 2–3 USD/kgLH2 at main European airports. Then, average total operating costs would be 3% less expensive than flying with synthetic kerosene in the considered network. Tankering, an operational strategy to save fuel costs, might only enable reduced operating costs for H2-powered aircraft in the early adoption phase when no larger-scale H2 import would be available. Finally, it is found that using LH2 for aircraft propulsion might lead to lower installation requirements for RES capacity when compared to the synthetic kerosene option. This resource efficiency aspect is another important criterion for choosing the future decarbonization technology in air travel since green electricity will most likely be a constraint resource in the next decades.
description: Der Luftfahrtsektor strebt die CO2-Neutralität bis 2050 an. Jedoch gibt es zum Erreichen des Ziels bisher keine einzelne, klar überlegende Technologie. Konzepte zur Dekarbonisierung wie neue Flugzeuge mit Wasserstoff-(H2)-Antrieben erfordern nicht nur einen neuen Flugzeugentwurf, sondern auch neue Energiebereitstellungsinfrastruktur sowie neue Betriebskonzepte im Luftfahrtsystem. Im Gegensatz dazu könnten existierende Flugzeuge beim Einsatz nachhaltiger Kraftstoffe (SAF) weiter genutzt werden, wobei aber deren Wirtschaftlichkeit aufgrund hoher Kraftstoffkosten im Vergleich zu H2-betriebenen Flugzeugen geringer sein könnte. Die Zeit zum Treffen der notwendigen Technologieentscheidungen ist jetzt. Denn eine neue Produktgeneration im „Single-Aisle“-Flugzeugsegment, das die meisten Starts und etwa 50% der Emissionen in der kommerziellen Luftfahrt ausmacht, wird schon in den 2030er Jahren erwartet. Dafür müssen die endgültigen Investitionsentscheidungen der Flugzeughersteller bereits in weniger als 5 Jahren getroffen werden. Diese neuen Flugzeuge werden die Entwicklung der Klimawirkungen des Sektors in den nächsten 20-30 Jahren prägen und darüber entscheiden, ob das Ziel der CO2-Neutralität bis 2050 erreicht werden kann. Folglich wird in dieser Dissertation eine umfassende techno-ökonomische Untersuchung für Wasserstoffantriebe in diesem Flugzeugsegment durchgeführt. Es wird gezeigt, dass die Betriebskosten für Fluggesellschaften allein durch neue H2-betriebene Single-Aisle-Flugzeuge um durchschnittlich 5% steigen würden. Dafür sind wesentliche technologische Entwicklungen erforderlich – unter anderem leichte und kompakte Flüssigwasserstoff-(LH2)-Tanks, effiziente H2-Verbrennungsturbinen und eine sichere Integration des H2-Treibstoffsystems. Darüber hinaus zeigt die Betriebskostenanalyse, dass die Versorgungskosten für grünen LH2 die Hauptunsicherheit zur Wirtschaftlichkeit dieser Flugzeuge ausmacht. Dabei deuten 2050-Nachfrageszenarien schon darauf hin, dass möglicherweise große H2-Liefermengen für den Luftverkehr erforderlich sein könnten. Mit jährlichen Bedarfen von 100 ktLH2 oder mehr könnten große nationale und interkontinentale Drehkreuzflughäfen eine besondere Rolle als H2-Hubs übernehmen und den regionalen H2-Verbrauch dominieren. Für die Luftfahrt sind drei Bereitstellungsketten von grünem LH2 von Relevanz: Vor-Ort-Produktion von LH2 sowie Import von LH2 oder gasförmigem H2 von Produktionsorten außerhalb des Flughafens. Im Basisfallszenario 2050 ergeben sich in einer ersten Optimierung Kosten in Höhe von 2,04 USD/kgLH2 an Standorten mit guten Bedingungen für erneuerbare Energieerzeugung. Dies würde zur Wettbewerbsfähigkeit von Flügen mit H2 im Vergleich zu fossilem Kerosin in Verbindung mit Emissionsabgaben führen. Die Hauptkosten für LH2 werden durch die erneuerbare Energieversorgung, Wasserelektrolyse und H2-Verflüssigung verursacht. Das LH2-Betankungssystem macht nur 3-5% der Gesamtkosten aus. Wenn zusätzlich technisch-wirtschaftliche Unsicherheiten reflektiert werden, ergibt sich eine Kostenspanne von 1,37–3,48 USD/kgLH2 an verschiedenen Flughäfen mit günstigeren und teureren erneuerbaren Energiequellen. Bei letzteren Standorten können niedrigere Kosten nur durch H2-Importe aus größeren H2-Märkten erreicht werden. Eine auf Europa ausgerichtete Fallstudie kombiniert die Optimierung der grünen Wasserstoffversorgung und des Flugzeugdesigns mit der Untersuchung operativer Strategien in einem bestimmten Luftverkehrsnetzwerk. Im Basisfallszenario für 2050 wird berechnet, dass LH2 an Flughäfen in Europa etwa 2–3 USD/kgLH2 kosten könnte. Damit wären die durchschnittlichen Gesamtbetriebskosten im betrachteten Netzwerk um 3% günstiger als beim Fliegen mit synthetischem Kerosin. Das "Tankering", eine betriebliche Strategie zur Senkung der Treibstoffkosten, könnte nur in der frühen Einführungsphase von H2-betriebenen Flugzeugen eine Reduzierung der Betriebskosten ermöglichen, wenn H2-Importe noch nicht im größeren Maßstab verfügbar wären. Außerdem ergibt sich, dass der Einsatz von LH2 für den Flugzeugantrieb zu geringeren Ausbauanforderungen für erneuerbare Energiekapazitäten führen könnte im Vergleich zur Nutzung von synthetischem Kerosin. Dieser Aspekt der Ressourceneffizienz ist ein weiteres wichtiges Kriterium für die Wahl der zukünftigen Dekarbonisierungstechnologie im Luftverkehr, da grüner Strom in den nächsten Jahrzehnten höchstwahrscheinlich eine stark limitierte Ressource sein wird.