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Flugzeugentwurf für mit Wasserstoff angetriebene Luftfahrzeuge

Erstellt am: 29.06.2011 | Stand des Wissens: 28.02.2024
Ansprechpartner
IKEM - Institut für Klimaschutz, Energie und Mobilität e.V.

Der Kryo-Treibstoff Wasserstoff (und Methan) muss in flüssiger Form gelagert werden (flüssiger Wasserstoff, LH2), was zu erheblichen Änderungen des Flugzeugentwurfs führt. Zur Verflüssigung muss der Wasserstoff auf 20 Kelvin (-253 Grad Celsius) abgekühlt werden. Aufgrund dessen müssen einzelne Komponenten wie Rohre, Ventile oder Kompressoren für diese Temperaturen ausgelegt sein [aire22]. Zusätzlich müssen die Wiederdampfungsverluste (Boil-Off-Gas) sowie Leckagen im gesamten Kraftstoffsystem möglichst minimiert werden. Insgesamt benötigen die Tanksysteme für Wasserstoff etwa das Vierfache des Volumens im Vergleich zu herkömmlichem Kerosin [aire22]. Demnach muss der Rumpfdurchmesser vergrößert werden, um den Tank unterzubringen [Hart23]. Zudem besitzen die Wasserstofftanks aufgrund der benötigten Isolierung eine wesentlich höhere Masse. Es ist daher erforderlich, die Masse in Zukunft erheblich zu optimieren. So ist durch den Einsatz von Leichtbaumaterialien eine Reduktion der Masse möglich. Eine Integration neuartiger Technologien ist stets mit einem Neuentwurf der Flugzeuge verbunden. [aire22]
Das Antriebssystem ist sowohl mit der heute verwendeten Gasturbine als auch mittels Brennstoffzellen entwickelt worden. Für die Nutzung in Gasturbinen wird der der Wasserstoff zur Erzeugung des Schubs verbrannt. Die kyrogene Kühlung des Wasserstoffs könnte die Effizienz der Gasturbine im Vergleich zu konventionellen Triebwerken leicht steigern [DLR20; aire22]. Für eine optimale Leistungserzielung muss die Gasturbine angepasst werden.
Bei dem Antrieb im Brennstoffzellensystem wird der Wasserstoff mittels der Brennstoffzelle in Strom umgewandelt. Der Strom treibt dann einen elektrischen Motor sowie den Fan oder Propeller des Triebwerks an. Diese Konzepte ermöglichen, im Vergleich zum Einsatz von Gasturbinen, leicht höhere Wirkungsgrade. [DLR20; aire22]
Ansprechpartner
IKEM - Institut für Klimaschutz, Energie und Mobilität e.V.
Literatur
[Hart23] Iestyn Hartbrich DLR-Studie: Wasserstoff auch für die Langstrecke eine Option, 2023/09/18
Weiterführende Literatur
[aire22] Nils Bullerdiek, Gunnar Quante, Stefan Bube, Ulf Neuling, Kaltschmitt Martin Non Drop-In Kraftstoffe im Luftverkehr - Ein gesamtsystemischer Vergleich von Nutzungs- und Einsatzmöglichkeiten, 2022/01
[DLR20] Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR), Bundesverband der Deutschen Luft- und Raumfahrtindustrie (BDLI) (Hrsg.) Zero Emission Aviation - emissionsfreie Luftfahrt
White Paper der deutschen Luftfahrtforschung, 2020
Glossar
CH4
= Methan. Es ist ein farbloses, geruchloses und leicht brennbares Gas, das zu Kohlendioxid und Wasser verbrennt. Methan ist Hauptbestandteil von Erdgas, Biogas, Deponiegas und Klärgas. Als Erdgas dient es hauptsächlich der Beheizung von Wohn- und Gewerberäumen, als industrielle Prozesswärmeenergie, zur elektrischen Stromerzeugung und in kleinem Umfang als Treibstoff für Kraftfahrzeuge.
Methan gehört zu den klimarelevanten Treibhausgasen. Methan entsteht bei allen organischen Gär- und Zersetzungsprozessen, wie z.B. in Sümpfen, Nassreisfeldern und Massenviehhaltung. (Der Verdauungstrakt von Wiederkäuern produziert Methan.)
Nach Kohlendioxid ist Methan mit einem Anteil von knapp 20 Prozent wichtigster Verursacher des Treibhauseffekts, wobei es ein 20- bis 30-mal wirksameres Treibhausgas als CO2 ist. Die weltweiten Methanemissionen werden auf 500 Mio. Tonnen/Jahr geschätzt, davon gehen rund 70 Prozent auf menschliche Aktivitäten zurück.
H2 Wasserstoff ("H2" = grch.-lat. für hydrogenium "Wassererzeuger") ist das chemische Element mit der Ordnungszahl 1. Wasserstoff stellt sowohl bezogen auf die Masse (75%) als auch bezogen auf die Zahl der Teilchen (91%) das häufigste aller im All vorkommenden Elemente dar. Wasserstoff ist ein farb- und geruchloses Gas welches in der Natur aufgrund der hohen Reaktivität nicht in seiner elementaren Form vorkommt. Wasserstoff liegt gebunden in Form von Erdöl und Erdgas, in Mineralien, in Biomasse, aber vorwiegend in Form von Wasser vor. Wasserstoff ist somit ein Sekundärenergieträger (Energiespeicher)und muss erst aus den oben genannten fossilen oder nicht fossilen Primärenergieträgern unter Einsatz von zusätzlicher Energie hergestellt werden.

Auszug aus dem Forschungs-Informations-System (FIS) des Bundesministeriums für Verkehr und digitale Infrastruktur

https://www.forschungsinformationssystem.de/?355791

Gedruckt am Donnerstag, 28. März 2024 13:15:41