Luftfahrtinfrastruktur für alternative Antriebe

Als Suche nach Lösungen Da die Bewältigung der Klimaauswirkungen des Luftverkehrs immer dringlicher wird, besteht großes Interesse an alternativen Antriebstechnologien wie wasserstoff-, batterieelektrischen und hybridelektrischen Flugzeugen. Flugzeuge, die mit Wasserstoff und batterieelektrischen Antrieben betrieben werden, könnten bis 2050 21 bis 38 Prozent der weltweiten Verkehrs- und Frachtflugzeugflotte ausmachen, basierend auf den Energieschätzungen der Mission Mögliche Partnerschaft für den Luftfahrtsektor.1Making Net-Null-Luftfahrt möglich: Eine von der Industrie unterstützte , 1,5°C-ausgerichtete Übergangsstrategie, Mission Mögliche Partnerschaft, Juli 2022. Auch wenn die Zeitpläne fern erscheinen mögen, werden die neuen Technologien in diesem Jahrzehnt auftauchen.

Es besteht Unsicherheit darüber, was diese Infrastrukturänderungen mit sich bringen und wie Flughäfen und andere Interessengruppen beginnen können, sich darauf vorzubereiten. „Target True Zero: Bereitstellung der Infrastruktur für batterie- und wasserstoffbetriebene Flüge“ ist ein Bericht von Target True Zero – einer Initiative des Weltwirtschaftsforums, die Führungskräfte aus der gesamten Luft- und Raumfahrtindustrie zusammenbringt – mit Unterstützung der Wissenspartner Aviation Environment Federation und McKinsey und der Aviation Impact Accelerator der Universität Cambridge. Es soll dazu beitragen, einige zentrale Überlegungen zu alternativen Antrieben zu beleuchten.

Der Bericht verfolgt drei Ziele:

Die hier zusammengefassten Ergebnisse des Berichts basieren auf zehn wichtigen Erkenntnissen, die durch McKinsey-Analysen entwickelt und durch Gespräche mit Branchenführern und Workshops von Target True Zero gestützt wurden.

Die Nachfrage nach sauberer Energie in der Luftfahrt könnte neue Höhen erreichen. Wir haben den Bedarf an Energie geschätzt, die für die Unterstützung von Flugzeugen mit alternativen Antrieben im Jahr 2050 erforderlich ist, und anschließend die Auswirkungen auf die Luftfahrtinfrastruktur untersucht.

Batterieelektrische und wasserstoffbetriebene Flugzeuge könnten bis 2050 zwischen 21 und 38 Prozent aller Flugzeuge ausmachen, was 15 bis 34 Prozent des gesamten Energiebedarfs des Sektors ausmacht. Alternative Antriebe könnten bis 2050 weltweit zwischen 600 und 1.700 Terawattstunden sauberer Energie erfordern, was der Energie entspricht, die von etwa zehn bis 25 der weltweit größten Windparks oder einem Solarpark von der Größe Belgiens erzeugt wird. Etwa 89 bis 96 Prozent der Energie würden für wasserstoffbetriebene Flugzeuge verwendet, während nur 4 bis 11 Prozent für den Antrieb kleinerer batterieelektrischer Flugzeuge wie Turboprops, Regionaljets und kleinerer Schmalrumpfflugzeuge verwendet würden ( Ausstellung 1).

Mit der zunehmenden Verbreitung alternativer Antriebe werden Flughäfen für ihren Betrieb vor Ort mehr Energie benötigen als heute. Für einen Flughafen, der ein großes Drehkreuz ist und in die Wasserstoffverflüssigung und das Laden von batterieelektrischen Flugzeugen vor Ort investieren möchte, könnte der Gesamtstromverbrauch vor Ort für Terminals, Bodenunterstützung und andere Anwendungen zwischen 1.250 und 2.450 Gigawatt liegen. Stunden pro Jahr, das ist etwa fünf- bis zehnmal mehr Strom, als London Heathrow derzeit verbraucht. Um diesen Anforderungen gerecht zu werden, müssen Flughäfen Maßnahmen ergreifen, um die Netzanschlüsse, die lokale Stromverteilungsinfrastruktur und ihre eigenen Kraftwerke zu verbessern.

Alternative Antriebe erfordern zwei neue Infrastruktur-Wertschöpfungsketten. Bei dem einen wird es sich um eine batterieelektrisch betriebene Luftfahrt handeln, bei dem anderen um eine wasserstoffbetriebene Luftfahrt. Diese Wertschöpfungsketten können viele neue Partner umfassen, die derzeit nicht Teil des Luftfahrt-Ökosystems sind, und sie werden mit der Infrastruktur koexistieren, die für nachhaltigen Flugkraftstoff und konventionellen Kraftstoff erforderlich ist. Der Sektor benötigt neue Verfahren für die Energiebeschaffung, -speicherung, -verarbeitung und -verwaltung sowie die Mittel zur Verteilung dieser Energie an Flugzeuge.

Die meisten Flughäfen verfügen über Platz für die Infrastruktur zur Wasserstoffverflüssigung und -speicherung, aber nicht über genügend Land, um die saubere Energie zu erzeugen, die für den Antrieb von Flugzeugen mit batterieelektrischen und wasserstoffbetriebenen Mitteln benötigt wird. Während Flughäfen als mögliche Energiedrehkreuze angepriesen werden, wird es aufgrund des Ausmaßes des Energiebedarfs für alternative Antriebe äußerst schwierig sein, die gesamte Energieproduktion auf Flughäfen durchzuführen. Wenn beispielsweise der Flughafen Paris-Charles De Gaulle als Beispiel für ein großes internationales Drehkreuz herangezogen wird, wären im Rahmen des umsichtigen Szenarios der Mission Mögliche Partnerschaft etwa 5.800 Hektar Solarpaneele erforderlich, um ausreichend Strom zu erzeugen, um seinen Bedarf zu decken. Dies übersteigt die Größe des Flughafens selbst, der mittlerweile 3.300 Hektar einnimmt, bei weitem. Angesichts dieses erheblichen Platzbedarfs werden die meisten Flughäfen wahrscheinlich auf Partnerschaften mit anderen Stromanbietern innerhalb ihrer regionalen Ökosysteme angewiesen sein, um diesen zu decken.

Die Bereitstellung der für alternative Antriebe erforderlichen Infrastruktur innerhalb und außerhalb des Flughafens erfordert erhebliche Investitionen von Flughäfen und anderen Interessengruppen. Unsere Analyse ergab mehrere Erkenntnisse im Zusammenhang mit dieser Investition.

Die Umstellung auf alternative Antriebe erfordert bis 2050 Kapitalinvestitionen zwischen 700 und 1,7 Billionen US-Dollar entlang der Wertschöpfungskette (Abbildung 2). Ungefähr 90 Prozent dieser Investitionen werden in die Infrastruktur außerhalb des Flughafens fließen – hauptsächlich in die Stromerzeugung sowie die Elektrolyse und Verflüssigung von Wasserstoff. Allein die Investitionen in die Erzeugung von Ökostrom für die Luftfahrt würden die aktuellen Prognosen für die weltweiten Flughafeninvestitionen verdoppeln (1,68 Billionen US-Dollar bis 2040, also 84 Milliarden US-Dollar pro Jahr). Dies macht es fast sicher, dass Luftfahrtakteure Partnerschaften mit Unternehmen in anderen Branchen eingehen müssen, etwa mit Energieversorgern und solchen in wasserstoffverbrauchenden Industrien, um die erforderlichen Investitionen sicherzustellen.

Die Investitionsausgaben für die Flughafeninfrastruktur, die die verbleibenden 10 Prozent der Gesamtinvestitionen ausmachen, werden sich bis 2050 auf insgesamt bescheidenere 66 bis 114 Milliarden US-Dollar belaufen. Dies entspricht einer inkrementellen Investition von 0,8 bis 1,4 Jahren Flughafenumbau und -erweiterung, basierend auf den aktuellen Durchschnittsausgaben.

Die für die Umstellung auf alternative Antriebe erforderlichen Investitionen in die Flughafeninfrastruktur werden bei großen Flughäfen deutlich höher ausfallen als bei kleineren Flughäfen, jedoch in ähnlicher Größenordnung wie andere Großinvestitionen, beispielsweise der Bau eines neuen Terminals. Ein interkontinentales Drehkreuz könnte damit rechnen, bis 2050 insgesamt rund 3,9 Milliarden US-Dollar in die gesamte Wertschöpfungskette zu investieren, einschließlich Energiebeschaffung und Wasserstoffproduktion, während die Investition für einen großen Regionalflughafen etwa 1,3 Milliarden US-Dollar betragen würde.

Im Vergleich dazu entsprächen die Investitionsausgaben für ein internationales Drehkreuz oder einen großen Regionalflughafen in etwa denen für die Terminalerweiterung des Flughafens LaGuardia oder etwa 20 Prozent der Kosten für das dritte Start- und Landebahnprojekt des Flughafens Heathrow. Die Kosten für kleinere Flughäfen werden viel niedriger sein, da sie keine größeren Flugzeuge unterstützen müssen, die eine fortschrittlichere Infrastruktur erfordern.

Von Betreibern alternativer Antriebe wird erwartet, dass sie Aufschläge von 76 bis 86 Prozent über dem Marktpreis für Ökostrom zahlen, was die zusätzlichen Betriebskosten der Luftfahrtinfrastruktur widerspiegelt. Ein weiterer wichtiger Gesichtspunkt für Flughäfen und Betreiber betrifft ihre Betriebsausgaben – insbesondere die Energiekosten, da diese den Umfang bestimmen, in dem batterieelektrische und wasserstoffbetriebene Flugzeuge eingesetzt werden. Die zusätzlichen Kosten für die Verarbeitung und Lieferung von Wasserstoff und Strom an Flughäfen führen zu einer Prämie für den Einsatz dieser Antriebsarten, die konzeptionell dem „Crack-Spread“-Unterschied zwischen dem Preis für ein Barrel Rohöl und dem für daraus raffinierte Erdölprodukte ähnelt .

Die Investitionen, die zur Erreichung der Infrastrukturziele für alternative Antriebe im Jahr 2050 erforderlich sind, müssen jetzt beginnen. Bis 2025 müssen die ersten Elemente der Flughafeninfrastruktur vorhanden sein, um den erwarteten Energiebedarf zu decken. Von der Investition bis zur Installation könnten die Entwicklungszeiträume für eine batterieelektrische Infrastruktur zwischen zwei und vier Jahren liegen (Abbildung 3). Flughäfen sind bereits an das Stromnetz angeschlossen und verfügen möglicherweise über elektrische Bodengeräte und Ladegeräte für Elektrofahrzeuge. Während mit der zunehmenden Beliebtheit batterieelektrisch angetriebener Flugzeuge wahrscheinlich eine Modernisierung der Netzanbindung und Energiespeichersysteme erforderlich sein wird, lässt sich die batterieelektrische Infrastruktur relativ einfach ausbauen.

Im Gegensatz dazu ist die Wahrscheinlichkeit, dass die Wasserstoffinfrastruktur schrittweise aufgebaut wird, weitaus geringer. Flughäfen müssen möglicherweise ihre Wasserstoffinfrastruktur vor Ort umbauen, wenn die Einführung wasserstoffbetriebener Flugzeuge zunimmt, oder sie können bestimmte Schritte auf der Grundlage von Wachstumsprognosen überspringen.

Der Übergang zu alternativen Flugzeugantrieben ist komplex und teuer, daher können Flughäfen diese Arbeit nicht isoliert bewältigen.

Um die Kraft der Netzwerkeffekte und der regionalen Konnektivität zu nutzen, ist eine Koordinierung der Infrastrukturinvestitionen erforderlich, um den Betrieb mit alternativen Antrieben möglich zu machen. Während große Flughäfen die höchsten Kosten bei der Umstellung auf alternative Antriebe tragen werden, werden die ersten Anwendungsfälle für die Kraftstoffe wahrscheinlich kleinere Flughäfen für batterieelektrische Flüge oder einzelne Punkt-zu-Punkt-Strecken zwischen großen und mittelgroßen Flughäfen für Flugzeuge mit elektrischem Antrieb sein Wasserstoff. Für den Betrieb batterieelektrisch angetriebener Flugzeuge ist daher eine Koordinierung der Investitionen an kleineren Flughäfen in kleineren geografischen Regionen erforderlich. Für wasserstoffbetriebene Flugzeuge ist eine Koordinierung zwischen großen und kleinen Flughäfen – möglicherweise über mehrere nationale Gerichtsbarkeiten hinweg – erforderlich und stellt daher eine größere Herausforderung dar. Um erfolgreich zu sein, müssen Flughäfen, Betreiber und andere Interessengruppen zusammenkommen, um Maßnahmen innerhalb und über Regionen hinweg anzustoßen.

Die Luftfahrtindustrie muss mit anderen Branchen zusammenarbeiten, um in einem Umfeld mit begrenztem Angebot ausreichend grünen Strom und Wasserstoff für alternative Antriebe zu sichern und eine Stimme in der Zukunft des Wasserstoffökosystems zu haben. Flughäfen könnten ausreichende Wasserstoffvorräte erwerben und die Zukunft der Branche mitgestalten, indem sie Partnerschaften mit Anbietern grüner Energie für die Stromerzeugung und Wasserstoffproduktion prüfen. Sie könnten sich auch mit stark nachgefragten Wasserstoffverbrauchern wie Raffinerien sowie Stahl- und Düngemittelherstellern sowie mit Herstellern nachhaltiger Flugkraftstoffe vernetzen, um Flughäfen direkt mit Wasserstoff zu versorgen. Dieser Ansatz würde es Flughäfen auch ermöglichen, in die Entwicklung effizienter Elektrolyse- und Verflüssigungstechnologie zu investieren, mit dem Ziel, Kosten zu senken und die Produktion näher an den Flughafen zu bringen.

Die Einführung und das Wachstum alternativer Antriebe im Luftfahrtsektor werden erhebliche Änderungen an den aktuellen Wertschöpfungsketten erfordern, was enorme Investitionen in die Produktion sauberer Energie, Flughafeninvestitionen und die Koordination mehrerer Interessengruppen innerhalb und außerhalb des traditionellen Luftfahrtsektors erfordert. Die ersten Änderungen könnten bald eintreten; Allerdings werden die erheblichen Veränderungen, die sich aus der Umstellung auf alternative Antriebe ergeben, schrittweise erfolgen, so dass Flughäfen und ihre Mitgliedsstaaten sich entsprechend vorbereiten können.

Sarina Carterist ein Kompetenz- und Erkenntnisanalyst im McKinsey-Büro in Waltham, Massachusetts;Jonathan Leeist Berater im Büro in Washington, DC;Adam Mitchellist Associate Partner im Büro in Toronto, woMichael Saposnikist Berater;Robin Riedel ist Partner im Bay Area-Büro; UndDavid Hydeist der Leiter von Luft- und Raumfahrtprojekten beim Weltwirtschaftsforum.

Dieser Artikel wurde von Alexandra Mondalek, Redakteurin im New Yorker Büro, herausgegeben.