Evaluation of system-level implications of introducing hydrogen-powered aircraft on the passenger air transportation network

Rau, Alexander; Hornung, Mirko; Stumpf, Eike

doi:44341

Evaluation of system-level implications of introducing hydrogen-powered aircraft on the passenger air transportation network = Auswertung der systemseitigen Auswirkungen durch die Einführung von Wasserstoff-betriebenen Flugzeugen auf das zivile Passagierflugnetzwerk

Rau, Alexander^RWTH*

2025

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Alexander Rau

ImpressumAachen : RWTH Aachen University 2025

Umfang1 Online-Ressource : Illustrationen

Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2025

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University

Genehmigende Fakultät
Fak04

Hauptberichter/Gutachter
Stumpf, Eike (Thesis advisor)^RWTH* ; Hornung, Mirko (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2025-02-17

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2025-04348
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/1010823/files/1010823.pdf

Einrichtungen

Lehrstuhl und Institut für Luft- und Raumfahrtsysteme (ILR) (415310)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Flugnetzwerk (frei) ; Nachhaltigkeit (frei) ; Wasserstoff (frei) ; aviation (frei) ; hydrogen (frei) ; model (frei) ; network (frei) ; sustainability (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620

Kurzfassung
Die globale Luftverkehrsindustrie steht vor der großen Herausforderung, ihren Beitrag zum anthropogenen Klimawandel einzudämmen. Der globale Anteil der Kohlenstoffemissionen aus dem Passagierflugverkehr wurde in 2019 noch auf etwa 3 % geschätzt. Da den hohen Leistungsanforderungen für Flugzeuge nur schwer CO2-neutral nachgekommen werden kann, könnte dieser jedoch zukünftig stark ansteigen. Eine Lösung, die in jüngster Zeit an Aufmerksamkeit in Forschung, Politik und Industrie gewinnt, ist die Verwendung von grünem Wasserstoff als kohlenstofffreiem Kraftstoff. Neben den bestehenden technologischen, infrastrukturellen und wirtschaftlichen Herausforderungen, würde dies zu einschneidenden Veränderungen im Luftfahrtökosystem führen, bei dem Sicherheit und Zuverlässigkeit im Mittelpunkt stehen. Diese Dissertation verfolgt einen ganzheitlichen Ansatz und untersucht diese Veränderungen aus der Perspektive des Flugnetzwerks, wobei der Schwerpunkt auf dem Personenverkehr in Europa liegt. Ein zweistufiger Ansatz wird dafür verwendet: Als erstes werden die „Top-Level Aircraft Requirements“ (TLAR) als Minimalanforderungen für ein Wasserstoff-Flugzeug bestimmt, um die Emissionsreduzierung in einem festen Netzwerk zu maximieren. Anschließend werden die Ver-änderungen ermittelt, die die gewählte Flugzeugkonfiguration für das Luftverkehrsnetzwerk in Europa mit sich bringen würde. Dafür werden Netzwerkmodellierung und lineare Programmierung eingesetzt. Die Arbeit bildet das Luftverkehrsnetzwerk allein durch die Optimierung der direkten Betriebskosten bei der Nachfrageallokation nach, ohne Berücksichtigung der Einnahmen und der fluglinienspezifischen Faktoren. Es wird demonstriert, dass ein Flugzeug mit 140 Sitzen und einer Reichweite von 2.000 km in der Lage wäre, über die Hälfte der durch innereuropäische Passagierflüge verursachten Kohlenstoffemissionen in 2050 zu adressieren. Es wird auch aufgezeigt, dass die Einführung von Wasserstoff-Flugzeugen erhebliche Auswirkungen auf die Netzwerkstruktur haben, einschließlich Flugfrequenz, Kapazität und Umsteige-Routen, je nach Sitzplatzkapazität und Reichweite der Wasserstoff-Flugzeugkonfiguration. Zu guter Letzt wird beleuchtet, dass Flughäfen, die über eine günstige Versorgung mit grünem Wasserstoff verfügen, von der Einführung von Wasserstoffflugzeugen profitieren können.

The global aviation industry faces a pronounced challenge to mitigate its contribution to anthropogenic climate change. While total carbon emissions contribution of passenger air travel was estimated to account for around 3% of the global carbon emissions in 2019, this is projected to increase due to the hard-to-abate character of emissions from jet fuel powered aircraft. One potential pathway that is recently gaining attention in research, policy, and industry is the transition towards using green hydrogen as zero-carbon fuel. Next to technological, infrastructural, and economical challenges, this would introduce a wide range of impactful changes to a system centred around safety and reliability. This thesis employs a holistic approach and examines these changes from a flight network perspective, focusing on passenger transport in Europe. It uses a two-step approach: first, top-level aircraft requirements (TLAR) for a hydrogen aircraft are determined to maximise the emissions reduction in a fixed network. Then, the changes the chosen aircraft configuration would impose on the air transportation network in Europe are identified. For this purpose, it utilises network modelling and linear optimisation techniques. The thesis recreates the air transportation network using demand and direct operating cost optimisation, without considering revenue and airline-specific factors. It illustrates that an aircraft with 140-seats and 2,000 km range could be able to address more than half of carbon emissions caused by intra-European passenger flights by 2050. The introduction of hydrogen aircraft will have substantial impact on network structure, including flight frequency, capacity, and stopover routes, depending on seat capacity and range of the hydrogen aircraft design. Lastly, it shows that air-ports that have a favourable green hydrogen supply could benefit from the introduction of hydrogen aviation.

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