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Innovativer Flugzeugbau zur Reduktion von Luftverkehrsstoffen

Erstellt am: 07.02.2004 | Stand des Wissens: 27.02.2024
Synthesebericht gehört zu:
Ansprechpartner
IKEM - Institut für Klimaschutz, Energie und Mobilität e.V.

Innovationen beim Flugzeugbau zur Reduktion von Luftverkehrsstoffen betreffen hauptsächlich zwei Bereiche: zum einen können die Triebwerke und zum anderen die Konstruktion der Flugzeugzelle verändert werden. Beide Maßnahmen sollen zu einer Verringerung des Brennstoffverbrauchs führen.

Durch die Verwendung von leichteren Werkstoffen kann das Gewicht der Flugzeugzelle stark reduziert werden. Zur Verringerung des Gewichts kann auch der Einsatz von elektronischen beziehungsweise optischen Signalübertragungssystemen (Fly-by-Wire/Fly-by-Light) beitragen. Der aerodynamische Widerstand der Zelle kann durch Laminarflügeltechnik (aktive beziehungsweise passive) verringert werden. Auf diese Weise erhöht sich der Auftrieb der Flügelflächen.

Untersucht wird gegenwärtig auch der Einsatz "Alternativer Brennstoffe". Als Alternative oder Neue Treibstoffe gelten Flüssig-Wasserstoff (LH2) und Flüssig-Methan (LCH4), sowie Kohlenstoffdioxid (CO2) und andere C1-reiche Gase wie Kohlenmonoxid (CO). Ein kürzlich veröffentlichter Bericht des nova-Instituts untersucht eingehend die Anwendung von CO2 für verschiedene Zwecke wie die Herstellung von Chemikalien, synthetischen Kraftstoffen, Polymeren, Proteinen und Mineralien. Der Bericht Carbon Dioxide (CO2) as Feedstock for Chemicals, Advanced Fuels, Polymers, Proteins and Minerals Technologies and Market, Status and Outlook, Company Profiles erforscht eingehend diese erneuerbare Kohlenstoffquelle und analysiert im Detail, welche Produkte durch die Nutzung von CO2 hergestellt werden können sowie die angewandten Verfahren [RCP23]. Dabei wird der Entwicklungsstand der entsprechenden Technologien betrachtet und ihre Umsetzung in Pilotprojekten, Demonstrationsanlagen und kommerziellen Einrichtungen bewertet. Des Weiteren werden Unternehmen identifiziert, die an Technologien zur Nutzung von CO2 als Rohstoff arbeiten. Der Bericht widmet sich auch den prognostizierten Trends in der CO2-Nutzung für die kommenden Jahre. 

Für Triebwerke, die mit Kerosin betrieben werden, bemüht man sich, technische Maßnahmen zu entwickeln, die den Brennstoffverbrauch und den Ausstoß von Schadstoffen reduzieren. Dafür existieren zwei unterschiedliche Konzepte. Die Brennkammerkonzepte sollen eine Veränderung der Brennstoff- und Luftaufbereitung mit dem Ziel, die Emission der Stickoxide zu reduzieren, bewirken.

Die vielfältigen technischen Maßnahmen haben Verbesserungen erzielen können, wodurch die moderne Flugzeuggeneration eine bessere Kraftstoffeffizienz aufweist als ein durchschnittlicher Mittelklassewagen. Der neue Airbus A380 wird nach dem heutigen Stand des Wissens einen Verbrauch von lediglich 2,9 Liter pro 100 Passagierkilometer haben.
Abb.1: Vergleichende Darstellung des Verbrauchs moderner Verkehrsflugzeuge und eines Mittelklassewagens. [DVF03a] (Grafik zum Vergrößern bitte anklicken)

Der Schadstoffausstoß eines Triebwerks hängt auch von deren Alter bzw. Wartungszustand ab. Die Effizienz der einzelnen Triebwerkskomponenten kann mittels Messungen mit dem Flugdatenschreiber (Flight Data Recorder - FDR) sowie Triebwerksüberwachungssystemen (ECM-Engine Condition) aufgezeichnet und bestimmt werden. So lassen sich für jede einzelne Triebwerkskomponente Daten zur Performance und Lebensdauer ermitteln. Mit diesen Daten ist es möglich, Simulationen zu erstellen, mit denen vorhergesagt werden kann, wann ein bestimmtes Triebwerk den Umweltanforderungen ohne Überholung nicht mehr entspricht. [EUKom01p]
Ansprechpartner
IKEM - Institut für Klimaschutz, Energie und Mobilität e.V.
Zugehörige Wissenslandkarte(n)
Maßnahmen zur Minderung von Luftverkehrsschadstoffen (Stand des Wissens: 28.02.2024)
https://www.forschungsinformationssystem.de/?34402
Literatur
[DVF03a] Bender, Dr. W., Kerkloh, Dr. M., Kaden, D., Mayrhuber, W., Puttfarcken, G., Initiative Luftverkehr für Deutschland, 2003/11/27
[EUKom01p] Norman, Peter D. Aircraft Environmental Impacts and Certification Criteria (AEROCERT) - Work Package 4: Characterisation of Through-life Deterioration Effects, 2001/04
[RCP23] Pauline Ruiz, , Pia Skoczinski, , Achim Raschka, , Nicolas Hark, , Michael Carus, Aylin Özgen, , Jasper Kern, , Nico Plum Carbon Dioxide (CO2) as Feedstock for Chemicals, Advanced Fuels, Polymers, Proteins and Minerals 

, 2023/04, Online-Referenz doi:10.52548/HKBS8158
Weiterführende Literatur
[Midd01] Middel, Jan AEROCERT - Final Report for Publication, 2001
[Rach98] Rachner, Michael Die Stoffeigenschaften von Kerosin Jet A-1, Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e. V. Abteilung Unternehmensorganisation und -information 51170 Köln, 1998/03, ISBN/ISSN ISSN 1434-8462
[LiNo03] Lister, David H., Dr., Norman, Peter D. EC-NEPAir: Work Package 1 - Aircraft engine emissions certification - a review of the development of ICAO Annex 16, Volume II, Qinetiq / Farnborough, 2003/07
[Wulf01] Wulff, Andreas Entwicklung eines Verbrennungsmodells für Brennkammern von Fluggasturbinen, TU Berlin / Berlin, 2001/07
[WuHo97] Wulff, Andreas, Hourmouziadis, Jean, Prof. Dr.-Ing. Technology review of aeroengine pollutant emissions, veröffentlicht in Aerospace Science and Technology, Ausgabe/Auflage 1997, No. 8, Elsevier / Paris, 1997/08, ISBN/ISSN ISSN 1270-9638
Glossar
FDR Der Flight Data Recorder ist ein Datenaufzeichungsgerät in einem Flugzeug. Er dient der Flugunfallanalyse.
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.
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 zum Beispiel 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/?74205

Gedruckt am Donnerstag, 30. Mai 2024 09:18:46