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Flugzeugtriebwerke für Wasserstoff

Erstellt am: 29.06.2011 | Stand des Wissens: 23.02.2017
Synthesebericht gehört zu:
Ansprechpartner
IKEM - Institut für Klimaschutz, Energie und Mobilität e.V.

Um Wasserstoff 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 CO bzw. CO2, noch unverbrannte Kohlenwasserstoffe (UHC - Unburned Hydrocarbons). Stickoxide 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 MJ, entspricht 1,2 l H2 und 0,3 l Kerosin) [Walth]

Die höhere Stickoxidemission beim Wasserstoff resultiert aus der konventionellen Verbrennungstechnologie, wo die adiabatische Flammtemperatur um durchschnittlich 150K erhöht wird. Bei der Verwendung fortschrittlicher Technologien (Verwendung einer Verbrennungstechnologie, bei der nur sehr wenig NOx anfällt), kann der Stickoxidausstoß deutlich gesenkt werden (Low NOx Combustion).

Die Verwendung von Wasserstoff als Treibstoff in Flugzeugtriebwerken ist technisch durchführbar. Dennoch müssen sowohl die Technologie weiter verbessert als auch weitreichende Tests durchgeführt werden, 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]
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IKEM - Institut für Klimaschutz, Energie und Mobilität e.V.
Zugehörige Wissenslandkarte(n)
Auswirkungen herkömmlicher Luftverkehrskraftstoffe & Entwicklung alternativer Flugtreibstoffe (Stand des Wissens: 23.02.2017)
https://www.forschungsinformationssystem.de/?355970
Literatur
[Dagg] Daggett, D., Hadaller, O., Hendricks, R., Walther, R. Alternative Fuels and Their Potential Impact on Aviation, 2006
[Walth] Walther, R. Aero Engines for Alternative Fuels in Hydrogen and Other Alternative Fuels for Air and Ground Transportation, John Wiley & Sons, 1995
Weiterführende Literatur
[Dagga] Daggett, D., Hendricks, R., Walther, R., Corporan, E. Alternate Fuels for use in Commercial Aircraft, 2005
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.
HC = hydrocarbons, zu deutsch: Kohlenwasserstoffe. Als Kohlenwasserstoffe werden in der Chemie Verbindungen bezeichnet, die ausschließlich Kohlenstoff (C) und Wasserstoff (H) im Molekül enthalten.
CO
= Kohlenstoffmonoxid. CO ist eine chemische Verbindung aus Kohlenstoff und Sauerstoff und gehört damit neben Kohlenstoffdioxid zur Gruppe der Kohlenstoffoxide. Es ist ein farb-, geruch- und geschmackloses Gas. Kohlenstoffmonoxid beeinträchtigt die Sauerstoffaufnahme von Menschen und Tieren. Schon kleine Mengen dieses Atemgiftes haben Auswirkungen auf das Zentralnervensystem.
Es entsteht bei der unvollständigen Oxidation von kohlenstoffhaltigen Substanzen. Dies erfolgt zum Beispiel beim Verbrennen dieser Stoffe, wenn nicht genügend Sauerstoff zur Verfügung steht oder die Verbrennung bei hohen Temperaturen stattfindet. Kohlenstoffmonoxid selbst ist brennbar und verbrennt mit Sauerstoff zu Kohlenstoffdioxid. Hauptquelle für die CO-Belastung der Luft ist der Kfz-Verkehr.
NOx = Stickoxide. Ist die Sammelbezeichnung für die Oxide des Stickstoffs. Die wichtigsten Stickoxide sind Stickstoffmonoxid und Stickstoffdioxid. Es sind gasförmige Verbindungen, die sich nur wenig in Wasser lösen. Die wichtigsten Stickoxid-Quellen sind natürliche Vorgänge, wie z. B. mikrobiologische Umsetzungen im Boden, sowie Verbrennungsvorgänge bei Kraftwerken, Kraftfahrzeugen und industrielle Hochtemperaturprozesse, bei denen aus dem Sauerstoff und Stickstoff der Luft Stickoxide entstehen. Stickstoffdioxid ist ein Reizstoff, der die Schleimhäute von Augen, Nase, Rachen und des Atmungstraktes beeinträchtigt.
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/?355801

Gedruckt am Sonntag, 2. Oktober 2022 11:54:45