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Wasserstoff für Flugantriebe

Erstellt am: 29.06.2004 | Stand des Wissens: 27.02.2024
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IKEM - Institut für Klimaschutz, Energie und Mobilität e.V.

Als alternative oder neue Treibstoffe gelten Flüssig-Wasserstoff (LH2) und Flüssig-Methan (LCH4). Diese Stoffe kommen in der Erdatmosphäre in gasförmiger Form vor. Zur Mitführung als Treibstoff sowie zur Verringerung des Tankvolumens müssen sie stark gekühlt werden. Die angewandten Kühlverfahren bezeichnet man als Kryotechnik. Um Wasserstoff zu verflüssigen, muss dieser auf minus 235 Grad Celsius heruntergekühlt werden, bei Methan sind es minus 156 Grad Celsius. Setzt man den Energiegehalt in ein Verhältnis zur Masse (gemessen in Kilojoule pro Kilogramm, kJ/g), ergibt sich, dass ein vierfach größeres Volumen beim Flüssigwasserstoff sowie ein 1,6 -fach größeres Volumen beim Flüssigmethan zu transportieren ist, als dies beim Kerosin notwendig wird, um die gleiche Energiemenge zu speichern und zu befördern. Also führen Luftfahrzeuge, die mit Flüssig-Wasserstoff beziehungsweise -Methan betrieben werden, einen entsprechend größeren Tank, der in einer aerodynamischen Form konstruiert sein muss, mit sich. Außerdem kommt noch zusätzliches Volumen hinzu, weil diese Tanks entsprechend isoliert sein müssen, um gegen die aerodynamische Aufheizung geschützt zu sein.

Wasserstoff wandelt sich bei der Verbrennung in Wasserdampf (H2O) um und schädigt somit die Umwelt nicht. Außerdem sind die Vorräte des Rohstoffs Wasser auf der Erde nicht als so begrenzt anzusehen, wie die an Öl. Wasserstoff kann solar durch Elektrolyse gewonnen werden und gilt besonders aufgrund dieses Umstandes als "ökologisch alternativer Brennstoff". Ein wichtiges Forschungsthema beim Einsatz von Wasserstoff als Flugtreibstoff ist die Untersuchung der Auswirkungen von großen Mengen zusätzlichen Wasserdampfs in den oberen Bereichen der Atmosphäre. Flüssig-Methan entsteht aus Erdgas und wird schon deshalb lediglich als eine Übergangslösung betrachtet.

Im Jahr 2000 wurde der Antrieb mit Flüssig-Wasserstoff in einem Verkehrsflugzeug (genannt CRYOPLANE) von einer Internationalen Forschergruppe untersucht. An dem Programm war unter anderem die Daimler-Benz Aerospace (DASA), das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrttechnik (DLR) sowie der kanadische Triebwerkshersteller Pratt & Whitney of Canada (PWC) beteiligt. Projektiert wurde, den Wasserstoff durch den Einsatz kanadischer Wasserkraft zu gewinnen und ihn anschließend in flüssiger Form per Schiff an den jeweiligen Einsatzort zu transportieren. [EUKom03q]

Beim russischen Flugzeughersteller Tupolew wurde ein Mittelstreckenpassagierflugzeug für Versuchszwecke auf cryogene Kraftstoffe umgerüstet. Das Versuchsflugzeug wurde Ende der achtziger Jahre zum Betrieb mit Wasserstoff und Flüssiggas (Liquified Natural Gas, LNG) modifiziert. Das Rumpfinnere war zur Aufnahme der Tankbehälter umgebaut worden. Neben der Erprobung im Flug wurde auch die notwendige Bodeninfrastruktur zur Kraftstoffversorgung untersucht. Zur Aufnahme eines regulären Flugbetriebes kam es nicht. Ebenfalls auf Versuchsbasis wurden Hubschrauberantriebe mit Flüssiggastreibstoffen im Flug erprobt.
Abb. 1: Russisches Versuchsflugzeug Tupolew Tu-155, angetrieben mit Wasserstoff und Flüssiggas. [Tupolew]
Glossar
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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
[EUKom03q] o. A. Liquid Hydrogen Fuelled Aircraft - System Analysis (CRYOPLANE) - Final Technical Report (Publishable Version), Airbus Deutschland GmbH / Hamburg, 2003/09/24
Weiterführende Literatur
[ASEB02] Committee on Aeronautics Research and Technology for Environmental Compatibility, Dutton , John A.; , Bahr, Donald; , Berardino, Frank; , Cosgrove, Benjamin A.;, Guensler, Randall; , Hudson, S. Michael; , Krull, Nicholas P.; , Niedzwiecki, Rich; , Ravishankara, Akkihebal R.; , Sturtevant, Bradford; , Valeika, Ray; , Waitz, Ian A. For Greener Skies - Reducing Environmental Impacts of Aviation, National Academy Press / Washington, DC, 2002, ISBN/ISSN ISBN 0-309-08337-0
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 Verbrennungsprozessen 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.
LNG
Liquified natural gas = Flüssigerdgas (CH4) wie es zum Beispiel in Fahrzeugen getankt werden kann. Durch Abkühlen auf -164 Grad Celsius schrumpft das Volumen auf ein sechshundertstel des Normvolumens. Damit erhöht sich der Energiegehalt bezogen auf das Volumen und somit zum Beispiel die Reichweite eines Fahrzeuges bei gleichem Tankvolumen. Für die aufwendige Verflüssigung werden circa 10 bis 25 Prozent der im Erdgas gespeicherten Energie aufgewendet, daher findet man im Straßenverkehr hauptsächlich compressed natural gas = komprimiertes Erdgas (CNG).
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.
LPG = Liquified Petroleum Gas. Flüssiggas (Propan, Butan und deren Gemische) ist ein Kohlenwasserstoff, der unter relativ geringem Druck verflüssigt und dann nur etwa 1/260 seines gasförmigen Volumens einnimmt.
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/?93904

Gedruckt am Sonntag, 16. Juni 2024 10:02:53