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Verwendung von Wasserstoff im Luftverkehr

Erstellt am: 03.07.2011 | Stand des Wissens: 23.02.2017
Synthesebericht gehört zu:
Ansprechpartner
IKEM - Institut für Klimaschutz, Energie und Mobilität e.V.

Wasserstoff wird oft als der umweltverträglichste Treibstoff dargestellt, da bei seiner Verbrennung kein CO2 entsteht. Da er in der Natur fast ausschließlich in gebundener Form vorkommt (zum Beispiel in Wasser), muss zu seiner Erzeugung Energie aufgewendet werden (zum Beispiel elektrische Energie).

Wasserstoff ist ein sehr leichtes Gas, welches in flüssiger Form gelagert werden muss. Die Lagerung, aber auch die Massenproduktion stellt die Industrie vor eine enorme Herausforderung. Neben speziellen Belüftungssystemen kommen auch teure Kühlsysteme zum Einsatz, da Wasserstoff bis auf weit unter -200 °C gekühlt werden muss, um flüssig zu bleiben. Seine volumenspezifische Verbrennungswärme ist im Vergleich zu Alkohol bzw. zu Kerosinen sehr gering. Sein großer Vorteil gegenüber den o.g. Alternativen ist seine massenspezifische Energie.

Die nächste Grafik verdeutlicht diese Eigenschaften, wobei sich Volumen und Gewicht auf ein Energieäquivalent beziehen. Flugzeugtreibstoffe sollten demnach einen hohen Energiegehalt pro Gewicht und Volumen vorweisen.

Abb. 1: Eigenschaften von Wasserstoff [Dagga]

Langfristig müssen die Emissionen der Treibhausgase drastisch verringert werden. Daher dürfen alternative Treibstoffe nur sehr wenig bis gar keinen Kohlenstoff beinhalten, wie beispielsweise Methan oder Wasserstoff.
Um diese Treibstoffe in flüssigem Zustand verwenden zu können, bedarf es erheblicher Modifikationen der Brennkammer und des Treibstoffsystems.

Frühere Tests mit kryogenen Treibstoffen zeigten, dass ein vor die Brennkammer geschalteter Wärmetauscher zur Treibstoffverdampfung verwendet wurde. Weiterhin werden spezielle Anforderungen an die Flugzeugtanks hinsichtlich Isolierung und Druckfestigkeit gestellt. Die Verwendung schwererer Tanks führt zu deutlichen Wirtschaftlichkeitsseinbrüchen bei Kurzstreckenflügen.

Andererseits existieren gewaltige natürliche Methanvorkommen, wo das Methan in Form von Methanhydrat gebunden ist. Dieser Rohstoff könnte schon in naher Zukunft sehr schnell zum Einsatz kommen. Beide Treibstoffe, CH4 und H2 erfordern einen enormen Aufwand sowohl beim Triebwerks- und Flugzeugentwurf als auch beim Aufbau einer geeigneten Infrastruktur.
Ansprechpartner
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
[Dagga] Daggett, D., Hendricks, R., Walther, R., Corporan, E. Alternate Fuels for use in Commercial Aircraft, 2005
Weiterführende Literatur
[Dagg] Daggett, D., Hadaller, O., Hendricks, R., Walther, R. Alternative Fuels and Their Potential Impact on Aviation, 2006
Glossar
O2
= Sauerstoff. Im Normzustand ist Sauerstoff ein farbloses, geruchloses und geschmackloses Gas. Es ist sehr reaktiv, fast jedes chemische Element, abgesehen von Edelgasen, reagiert mit Sauerstoff, um Verbindungen zu bilden.
Sauerstoff ist von großer Bedeutung, weil er wesentlich an den Atmungsprozessen der meisten lebenden Zellen und an Verbrennungprozessen beteiligt ist. Es ist das am häufigsten vorkommende Element der Erdkruste. Die Luft besteht zu fast einem Fünftel (Volumen) aus Sauerstoff. Ungebundener gasförmiger Sauerstoff besteht normalerweise aus einem zweiatomigen Molekül (O2), es gibt ihn  aber auch in dreiatomiger Form (O3,) besser bekannt unter dem Begriff Ozon.
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.
Treibhausgase Diese in der Atmosphäre sich befindlichen Gase verhindern, dass langwellige Infrarotstrahlung auf direktem Weg von der Erdoberfläche ins Weltall gelangt. Sie verhalten sich wie Glasscheiben eines Treibhauses und heizen die Atmosphäre auf. Natürliche Treibhausgase:
  • Wasserdampf
  • Kohlendioxid
  • Ozon
  • Methan
  • Stickoxid
Vom Menschen gemachte Treibhausgase:
  • FKW
  • HFKW
  • FCKW
  • SF6
Kohlenstoff = Kohlenstoff. Er kommt in der Natur sowohl in reiner Form als auch in großer Vielfalt chemisch gebunden vor. Kohlenstoffverbindungen bilden die molekulare Grundlage allen irdischen Lebens. Elementarer Kohlenstoff ist nichtmetallisch und kommt in mehreren Modifikationen vor, die beiden wichtigsten sind Diamant und Graphit. Bei Zimmertemperatur sind die Kohlenstoffmodifikationen stabil, bei höheren Temperaturen verbrennen sie zu Kohlenstoffdioxid (CO2), bei unvollständiger Verbrennung bildet sich das giftige Kohlenstoffmonooxid (CO).
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/?356394

Gedruckt am Sonntag, 2. Oktober 2022 11:05:05