In der Arbeit zum Thema Brennstoffzellenantriebe in der Luftfahrt werden verschiedene Konzepte für klimafreundliches Fliegen unter Einbezug der genannten Antriebsart und ihre Erprobung dargelegt. Als vertiefende Problemstellung wird analysiert und diskutiert, inwieweit die Speicherung von Wasserstoff im flüssigen Zustand Vorteile mit sich bringt.
2%1 der globalen Kohlenstoffdioxid-Emissionen sind im vergangenen Jahr auf die Luftfahrtindustrie zurückzuführen. Ursächlich dafür ist das Nutzen von fossilen und umweltschädigenden Brennstoffen. Neben einer steigenden Knappheit der Ressourcen wird auch der Klimawandel, ausgelöst durch die erhöhte Anzahl an Spurengasen in der Atmosphäre, zu einem immer merklicher werdenden Problem.
In den letzten Jahren haben Demonstrationen wie die der Fridays-for-Future Bewegung gezeigt, dass sich innerhalb unserer Gesellschaft ein stärkeres Umweltbewusstsein dafür ausgeprägt hat. Auch die Politik hat aus dem steigenden Öko- und Energieproblem ihre Schlüsse gezogen. Der Flightpath2050 gibt vor, dass im Vergleich zum Jahr 2000 der CO2-Ausstoß um 75 % und Stickoxide um 90 % pro Passagier verringert werden sollen.
Auch die Lärmbelastung durch die Luftfahrtindustrie soll um 65 % reduziert werden. Erste Maßnahmen, um diese Ziele zu erreichen, wurden bereits getroffen. Die Konferenz E2Flight, welche vom Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) in Zusammenarbeit mit der Universität Stuttgart jährlich zum Thema Elektrifizierung veranstaltet wird, wurde 2015 ins Leben gerufen. Auch die Flugzeugbauer wie Airbus haben erste Entwürfe für klimafreundliche Flugzeuge präsentiert.
Inhaltsverzeichnis
1.0 Einleitung
2.0 Die Wasserstoff- Brennstoffzelle
3.0 Konzepte und ihre Erprobung
3.1 HY4- Wasserstoffflugzeug
3.2 Phoenix- Wasserstoffflugzeug
4.0 Vertiefung Phoenix-Wasserstoffflugzeug
4.1 Beschreibung der Untersuchung
4.2 Ergebnisse und Wertung der Untersuchung
5.0 Schluss
6.0 Anhang
7.0 Literaturverzeichnis
1.0 Einleitung
In der vorliegenden Hausarbeit zum Thema Brennstoffzellenantriebe in der Luftfahrt werden verschiedene Konzepte für klimafreundliches Fliegen unter Einbezug der genannten Antriebsart und ihre Erprobung dargelegt. Als vertiefende Problemstellung wird analysiert und diskutiert, inwieweit die Speicherung von Wasserstoff im flüssigen Zustand Vorteile mit sich bringt. 2 %1 der globalen Kohlenstoffdioxid (CO2) -Emissionen sind im vergangenen Jahr auf die Luftfahrtindustrie zurückzuführen. Ursächlich dafür ist das Nutzen von fossilen und umweltschädigenden Brennstoffen.1 2 Neben einer steigenden Knappheit der Ressourcen wird auch der Klimawandel, ausgelöst durch die erhöhte Anzahl an Spurengasen3 in der Atmosphäre, zu einem immer merklicher werdenden Problem. In den letzten Jahren haben Demonstrationen wie die der Fridays-for-Future Bewegung gezeigt, dass sich innerhalb unserer Gesellschaft ein stärkeres Umweltbewusstsein dafür ausgeprägt hat.4 Auch die Politik hat aus dem steigenden Öko- und Energieproblem ihre Schlüsse gezogen. Der „Flightpath2050“ gibt vor, dass im Vergleich zum Jahr 2000 der CO2-Ausstoß um 75 % und Stickoxide um 90 % pro Passagier verringert werden sollen. Auch die Lärmbelastung durch die Luftfahrtindustrie soll um 65 % reduziert werden.5 Erste Maßnahmen, um diese Ziele zu erreichen, wurden bereits getroffen. Die Konferenz „E2Flight“, welche vom „Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt“ (DLR) in Zusammenarbeit mit der Universität Stuttgart jährlich zum Thema Elektrifizierung veranstaltet wird, wurde 2015 ins Leben gerufen.6 Auch die Flugzeugbauer wie Airbus haben erste Entwürfe für klimafreundliche Flugzeuge präsentiert.7
Eine Möglichkeit, das Problem bestehend aus den hohen Emissionen, der steigenden Ressourcenknappheit, dem anthropogenen Klimawandel, den Umweltzielen der Politik und dem Umweltbewusstsein der Gesellschaft zu lösen, ist das Nutzen von Brennstoffzellenantrieben in der Luftfahrt.
Im Folgenden wird zunächst die Funktionsweise einer Brennstoffzelle erklärt und anschließend auf zwei Konzepte, die sich dieser Technologie bedienen, eingegangen. Dabei wird auch ihre bis dato erfolgte Erprobung genannt. Zum Ende hin erfolgt analysierend eine Vertiefung der Problemstellung, inwiefern die Speicherung von Wasserstoff im flüssigen Zustand Vorteile mit sich bringt.
Bei dieser Hausarbeit werden nur Wasserstoffbrennstoffzellen und Antriebe betrachtet, da es keine ähnlich weit entwickelten Konzepte mit anderen Energieträgern wie Methanol gibt. Das Betankungskonzept wird bei den Konzepten nicht berücksichtigt.
Alle Informationen stammen aus Lehrbüchern sowie Primärliteratur. Auch Artikeln, welche einen hohen Wahrheitsgehalt besitzen, da diese von namhaften Unternehmen wie Airbus, staatlich finanzierten Unternehmen wie dem DLR oder von Wirtschaft und Politik unabhängiger Presse stammen, wurde Wissen entnommen. Für die weitere Vertiefung wurden Berechnungen durchgeführt, um daraus Eigenschaften des Speicherungskonzeptes ableiten und diskutieren zu können.
2.0 Die Wasserstoff-Brennstoffzelle
Eine Brennstoffzelle wandelt mittels eines Oxidationsmittels8, zum Beispiel Sauerstoff (O2), die in chemischer Form gespeicherte Energie, in diesem Fall im Wasserstoff (H2), in elektrische Energie und Wärme um. Als weiteres Produkt entsteht Wasser (H2O). Neben Wasserstoff (H2) können auch andere „wasserstoffhaltige Energieträger wie Methanol“9 in der Brennstoffzelle zusammen mit einem Oxidationsmittel verwendet werden.
Im Inneren der Brennstoffzellen10 befinden sich zwei Elektroden11: eine Kathode12 und eine Anode13, welche räumlich durch einen Elektrolyten14 voneinander getrennt sind. Die Elektroden sind über einen elektrischen Leiter miteinander verbunden.
Auf der Seite der Anode wird Wasserstoff (H2) und auf der, der Kathode, Sauerstoff (O2) hineingeleitet. Beide Stoffe können aufgrund des Elektrolyten nicht miteinander reagieren. Erst durch die Abgabe von Elektronen können die Wasserstoffkationen (H+-Ionen) durch den Elektrolyten wandern.
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Die Elektronen werden durch den Leiter zur Anode geleitet und dort von den Sauerstoff-Atomen aufgenommen.
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Es entstehen Sauerstoffanionen (O2--Ionen), die mit den Wasserstoffkationen (H+-Ionen) zu Wasser (H2O) reagieren.15
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Dadurch, dass die Elektronen von der Anode zur Kathode über den Leiter geflossen sind, entsteht elektrischer Strom. Diese Energie kann von einem zwischen den Elektroden verbauten Verbraucher umgewandelt werden. Entscheidend für einen dauerhaften Elektronenstrom ist die ständige Zufuhr neuer Edukte.16
3.0 Konzepte und ihre Erprobung
Wasserstoffbrennstoffzellen in der Luftfahrt als Antrieb zu nutzen, um so dem beschriebenen Umweltproblem entgegenzuwirken, ist seit mehreren Jahren in der Luftfahrtindustrie ein wichtiges Thema.17 Besonders die folgenden zwei Konzepte zeigen, dass komplett emissionsfreies Fliegen möglich ist und die Brennstoffzelle mit ihrer Funktionsweise in der zivilen Luftfahrt neue und besonders umweltfreundliche Möglichkeiten bereithält.
3.1 HY4- Wasserstoffflugzeug
Das HY4- Wasserstoffflugzeug18 ist ein Viersitzer-Kleinflugzeug des DLRs, welches mit einer Niedertemperatur-PEM-Brennstoffzelle19 betrieben wird. 2015 wurde das HY4 vom DLR der Öffentlichkeit als erstes Flugzeug, das ausschließlich mit Brennstoffzellen betrieben wird, vorgestellt.20 Ein Jahr später erfolgte der Erstflug, welcher erfolgreich in Stuttgart absolviert wurde. Ziel ist nun eine Hochskalierung auf bis zu 40 Passagiere und der Einsatz als Lufttaxi, um die Verkehrswege zu entlasten. Dafür wird aktuell an einer Zulassung gearbeitet.21
Zum Konzept lässt sich sagen, dass neben der eigentlichen Brennstoffzelle weitere Antriebskomponenten im HY4 vorhanden sind. Neben zwei Lithium-Batterien, die überschüssige Energie speichern, wurden auch zwei Wasserstoffdrucktanks mit je 8,2 kg gasförmigem Wasserstoff und ein 80 kW Elektromotor verbaut.22 „Die Doppelrumpfkonstruktion ermöglicht [dabei] eine optimale Verteilung der Antriebskomponenten.“23
Hinzu kommt das PEM-Brennstoffzellenkonzept.24 Die als Oxidationsmittel genutzte Umgebungsluft muss durch einen Filter von Verunreinigungen befreit werden. Anschließend wird sie verdichtet und befeuchtet, damit der Elektrolyt im Inneren der Brennstoffzelle nicht austrocknet. Der Wasserstoff (H2) kommt aus dem Wasserstoffdrucktank und wird ebenfalls in einem Befeuchter benässt. Erst nach diesen Schritten wird der Wasserstoff (H2) und der Sauerstoff (O2) in die eigentliche Brennstoffzelle, auch als Stack bezeichnet, geleitet. Die entstehende Reaktionswärme wird aus dem Stack herausgeleitet und direkt gekühlt, damit die Leistung des Systems nicht gehemmt wird.25 Das Produkt Wasser (H2O) wird unter anderem zurück zum Befeuchter geführt. Zusätzlich wird das überschüssige Wasser in den Wasserkreislauf an Bord eingespeist, sodass die Nutzlast26 erhöht werden kann, da keine zusätzlichen Wasserreserven notwendig sind. Die elektrische Energie wird, wenn nötig, umgewandelt und an den Elektromotor geleitet.27
Zusammenfassend kann gesagt werden, dass durch das ausschließliche Nutzen der PEM-Brennstoffzelle, keine Emissionen entstehen. Ein weiterer Vorteil des Konzeptes ist die Verwendung des Abfallproduktes Wasser, was zu einer Erhöhung der Nutzlast beiträgt. Hinzukommt, dass eine kleinere Batterie als bei vergleichbaren elektrischen Flugzeugen ohne Brennstoffzelle, verwendet werden kann. Dies führt zu einer geringeren Verwendung von fossilen Rohstoffen wie Lithium.
3.2 Phoenix-Wasserstoffflugzeug
Das Flugzeug „Phoenix“28, welches von einem Studententeam der Universität Delft entworfen wurde, wird ebenfalls mit einer Wasserstoffbrennstoffzelle betrieben. Es ist somit wie das HY4 komplett emissionsfrei, nutzt jedoch im Gegenteil zum Konzept des DLRs flüssigen Wasserstoff. Das „Phoenix“ ist also das erste emissionsfreie Flugzeug, welches den Wasserstoff (H2) in flüssiger Form speichert. Dies hat den Vorteil, dass ein geringeres Volumen, als in der Gasphase, vom Wasserstoff (H2) eingenommen wird. Es kann somit ein kleinerer Tank verwendet werden. Allerdings gilt es die Temperatur des Wasserstoffes (H2) konstant „bei -253 Grad [Celsius] zu halten, damit der Aggregatzustand unverändert bleibt.“29 Um das zu gewährleisten, sieht das Konzept des Studententeams eine 20 cm dicke Isolierung des Tanks vor.
Ähnlich wie beim HY4 sind auch Batterien im Konzept des „Phoenix“ vorgesehen. Diese können ebenfalls überschüssige Energie speichern. Zusätzlich sind sie Teil des Notfallplans. Da die Explosionsgefahr von flüssigem Wasserstoff (H2) aufgrund der hohen Energiedichte groß ist, kann der Tank im Notfall entleert werden und die Energieversorgung durch die Batterien erfolgen.
Sofern die Brennstoffzelle im Normalbetrieb Wasserstoff (H2) zusammen mit Sauerstoff (O2) zu Wasser (H2O) umwandelt, wird das Produkt in den Bordwasserkreislauf eingespeist.
Das oben beschriebene Konzept wurde bisher erfolgreich in einer kleineren Version des „Phoenix“ getestet und erprobt. Weitere Tests, darunter der Erste mit dem Originalkonzept, stehen jedoch noch aus.30
4.0 Vertiefung Phoenix- Wasserstoffflugzeug
Das Konzept des „Phoenix“- Wasserstoffflugzeugs unterscheidet sich hinsichtlich seiner Wasserstoffspeicherung entscheidend von dem des HY4. Im Folgenden wird dazu die Problemstellung, inwiefern die Speicherung von Wasserstoff (H2) in flüssiger Form einen Vorteil bringt, analysiert und diskutiert.
4.1 Beschreibung der Untersuchung
Für die Untersuchungen hinsichtlich des Speicherkonzeptes des „Phoenix“ werden mehrere Berechnungen, in Abhängigkeit zur benötigten Energie, mit Hilfe eines Python-Skripts31 vollzogen. Dies hat den Vorteil, das unterschiedliche Größendimensionen einfach und schnell berechnet werden können und eine direkte grafische Auswertung erfolgt.
Die erste Rechnung zielt auf das Gesamtgewicht der Tankeinheit, also inklusive der Isolierung ab. Die zweite Rechnung beinhaltet ausschließlich das Volumen des Wasserstoffs (H2). Die letzte Rechnung gibt die Masse des benötigten Wasserstoffes (H2) an.
Für einen Vergleich werden die Berechnungen auch für die Gasphase vorgenommen. Nach Beendigung dieser Schritte folgt die Auswertung der Berechnungen in den durch Python erstellten Diagramme und eine abschließende Bewertung der Ergebnisse.
Bei den Berechnungen muss beachtet werden, dass die Isolierschicht konstant bei 20 cm angenommen wird, da weitere Angaben zur benötigten Materialdicke, abhängig vom zu ummantelnden Volumen, gefehlt haben. Zusätzlich wird von carbonfaserverstärktem Kunststoff (CFK)32 als Material für die Isolierung ausgegangen.
Die Werte der Dichte für die Berechnungen stammen aus der Abbildung 6: Temperatur-Dichte-Druck Diagramm Wasserstoff, welche im Anhang zu finden ist und einem Artikel.33
[...]
1 Das sind 900 Millionen Tonnen.
2 AeroDelft, Niederländisches Studententeam entwirft Wasserstoffflugzeug, 2. Absatz
3 Spurengase sind Gase, die nur zu geringen Anteilen in der Luft vorkommen (z.B. CO2)
4 ZDF, Wo die meisten Menschen auf die Straße gingen.
5 Gerwert, Bernhard: Technologiestrategie der deutschen Luftfahrtindustrie, S.6
6 Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt: Klimafreundlich abheben: Elektrisches Fliegen mit Batterie, Wasserstoff und Hybridkonzepten, 1. Absatz
7 Spiegel-Wissenschaft: Airbus plant Wasserstoff-Flugzeug.
8 Synonym für Elektronenakzeptoren: Stoff der Elektronen aufnimmt und somit oxidiert wird.
9 Karamanolis, Brennstoffzelle, S. 25, Z. 3f.
10 Vgl. Abbildung 1 in Anhang, Aufbau Brennstoffzelle
11 Elektroden sind elektrische Leiter, die häufig aus Metall bestehen.
12 negativ geladene Elektrode
13 positiv geladene Elektrode
14 Synonym für Ionenleiter oder Elektrolytmembran: durch Elektrolyten können ausschließlich Ionen wandern.
15 Bei den Reaktionen fehlen die Aggregatzustände und der Energieumsatz, da diese Angaben nicht relevant für die Erklärung sind.
16 Karamanolis, Brennstoffzelle, S. 24-27 (Angabe gilt für gesamten Abschnitt 2.0)
17 Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt, Klimafreundlich abheben: Elektrisches Fliegen mit Batterie, Wasserstoff und Hybridkonzepten.
18 Vgl. Abbildung 2 in Anhang, HY4 PEM- Brennstoffzellen Flugzeug.
19 PEM= Proton Exchange Membrane-Brennstoffzelle
20 Penner, Zweites Brennstoffzellenflugzeug, 1 ./2. Abschnitt
21 Raabe, Der Traum vom sauberen Fliegen, Absatz zu HY4
22 Vgl. Abbildung 3 in Anhang, HY4 Flugzeug Antriebskomponenten.
23 Penner, Zweites Brennstoffzellenflugzeug, 2. Abschnitt
24 Vgl. Abbildung 4 in Anhang, PEM-Brennstoffzellen Konzept.
25 Durch die steigende Wärme würde der Widerstand im Leiter größer.
26 Nutzlast =Masse der Zuladung
27 Schwarz, Das Wasserstoffsubsystem, S.7 f. (Angabe gilt für die gesamte Beschreibung des PEM- Brennstoffzellenkonzeptes)
28 Vgl. Abbildung 5 in Anhang, Wasserstoffflugzeug Phoenix.
29 AeroDelft, Niederländisches Studententeam entwirft Wasserstoffflugzeug, Abschnitt: Flüssigwasserstoff
30 AeroDelft, Niederländisches Studententeam entwirft Wasserstoffflugzeug (Angabe gilt für gesamten Abschnitt 3.2)
31 Lösungen der Berechnungen: siehe Abbildung 7 in Anhang
32 Stoller , Flüssiger Wasserstoff als Treibstoff im Tank der Zukunft
33 Monteur: Gasherstellung
- Citar trabajo
- Anónimo,, 2020, Brennstoffzellenantriebe in der Luftfahrt. Konzepte und ihre Erprobung, Múnich, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/1315937
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