Flugzeugtriebwerke für Wasserstoff
Erstellt am: 29.06.2011 | Stand des Wissens: 28.02.2024
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IKEM - Institut für Klimaschutz, Energie und Mobilität e.V.
Um Wasserstoff (H2) als Treibstoff verwenden zu können, sind eine Reihe von Modifikationen der Brennkammer und der Treibstoffzuleitungssysteme, wie Pumpen, Ventile und Leitungen nötig. Des Weiteren wird ein vorgeschalteter Wärmetauscher benötigt, der den kryogen gelagerten Wasserstoff verdampft und erhitzt, bevor er in die Brennkammer gelangt. Frühere Tests haben gezeigt, dass die Modifikationen am Wärmetauscher nicht so aufwendig sind, wie erwartet. Wasserstoff besitzt einen weiten Temperaturbereich, in dem er sich zünden lässt, was die Kontrolle der Verbrennung erheblich erleichtert.
Neben seinen vielen anderen Vorteilen ist seine Eigenschaft zu moderaten Schadstoffemissionen hervorzuheben. Es entstehen weder Kohlenstoff (CO) beziehungsweise Kohlenstoffdioxid (CO2), noch unverbrannte Kohlenwasserstoffe (UHC - Unburned Hydrocarbons). Stickoxide (NOx) werden allerdings weiterhin durch die Verbrennung mit der Luft erzeugt. In der folgenden Abbildung werden die Hauptbestandteile des Abgases für Kerosin, Methan und Wasserstoff vergleichend gegenüber gestellt.
Neben seinen vielen anderen Vorteilen ist seine Eigenschaft zu moderaten Schadstoffemissionen hervorzuheben. Es entstehen weder Kohlenstoff (CO) beziehungsweise Kohlenstoffdioxid (CO2), noch unverbrannte Kohlenwasserstoffe (UHC - Unburned Hydrocarbons). Stickoxide (NOx) werden allerdings weiterhin durch die Verbrennung mit der Luft erzeugt. In der folgenden Abbildung werden die Hauptbestandteile des Abgases für Kerosin, Methan und Wasserstoff vergleichend gegenüber gestellt.
Abb. 1: Emissionen für Kerosin, CH4 und H2 bei gleicher Energieerzeugung (10 Megajoule, entspricht 1,2 Liter H2 und 0,3 Liter Kerosin) [Walth]Die höhere NOx-Emission beim Wasserstoff resultiert aus der konventionellen Verbrennungstechnologie, wo die adiabatische Flammtemperatur um durchschnittlich 150 Kelvin erhöht wird. Die Reduzierung der Flammentemperatur wirkt sich vorteilhaft auf die thermische NOx-Produktion aus, sodass mit geeigneten Brennertechnologien auch im Wasserstoffbetrieb eine sehr NOX-arme Verbrennung möglich ist. [DLR20]
Die Verwendung von Wasserstoff als Treibstoff in Flugzeugtriebwerken ist technisch durchführbar. Dennoch muss die neuartige Brennstoff-Technologie noch erheblich weiter verbessert werden.Mit ausreichenden Fortschritten in der Entwicklung können die NOX-Emissionen so stark reduziert werden, dass sie praktisch keine nachweisbaren Auswirkungen auf das Klima mehr haben. Zusätzlich verändert sich durch die Verwendung von Wasserstoff die Zusammensetzung der Abgase, was zu unterschiedlichen Wärmeübertragungseffekten an den Bauteilen führt. Daher ist eine Anpassung der Kühlungskonzepte erforderlich. Die Folgen einer großen Menge an Wasserdampf in Kombination mit Verbrennungsprozessen auf die Teile der Gasturbine sind derzeit noch nicht ausreichend erforscht. [DLR20], bevor er eine Alternative zu konventionellen Treibstoffen werden kann.
Abb. 2: Langfristige Treibstoffalternativen könnten solar und/oder durch nukleare Fusion erzeugter Wasserstoff aus Wasser oder natürliches Methanhydrat sein [Dagg]
