Gibt es Arbeiten zur Verbesserung von Kraftstofftanks, damit sie Wasserstoff speichern können?

Erstens, um einen Mythos über den Hindenberg zu entlarven, der immer dann auftaucht, wenn Wasserstoff erwähnt wird. Wasserstoff ist weniger sicher als Flüssigbrennstoff, aber nicht weniger sicher als Erdgas oder Propan. Wasserstoff hat eine höhere Flammenausbreitungsgeschwindigkeit als Kohlenwasserstoffgase, enthält jedoch viel weniger Energie pro Volumeneinheit als Kohlenwasserstoffgase. Ein riesiges mit Erdgas gefülltes Luftschiff wäre genauso gefährlich wie ein riesiges mit Wasserstoff gefülltes Luftschiff, aber wir haben Erdgasleitungen, die zu unseren Häusern führen, und mit angemessenen Kontrollen gibt es nur sehr wenige Zwischenfälle.

Dennoch ist Wasserstoff aus folgenden Gründen kein guter Treibstoff für Flugzeuge.

(Quelle: Wikipedia )

Oben zeigt, dass Wasserstoff etwa 142 MJ/kg Energie enthält, verglichen mit etwa 42 MJ/kg für Kerosin. Es enthält jedoch viel weniger Energie pro Volumeneinheit. Flüssiger Wasserstoff enthält nur 10 MJ/Liter, während Kerosin 33 MJ/Liter enthält. Daher müssten Wasserstofftanks mehr als dreimal so groß sein wie Kerosintanks. Gasförmiger Wasserstoff bei atmosphärischem Druck würde hundertmal mehr Platz einnehmen, während Wasserstoff bei 700 bar nur etwa um den Faktor 2 schlechter ist als flüssiger Wasserstoff, aber das Gewicht eines Behälters zur Aufnahme von 700 bar Druck würde den Gewichtsvorteil von Wasserstoff zunichte machen.

Daher wäre die praktischste Art, Wasserstoff in einem Flugzeug zu speichern, der flüssige Zustand, wie er in Raumfahrzeugen wie dem Space Shuttle verwendet wird. Die Verwendung von Wasserstoff würde zu Gewichtseinsparungen und damit zu Kraftstoffeinsparungen führen. Die Kraftstofftanks wären jedoch so groß, dass die Einsparungen teilweise durch den zusätzlichen Luftwiderstand zunichte gemacht würden (ganz zu schweigen vom zusätzlichen Gewicht der größeren Tanks).

Wasserstoff ist teuer in der Herstellung und Verflüssigung. Der meiste Wasserstoff wird durch Reformieren von Erdgas und Dampf zu Wasserstoff durch die Reaktion CH4 + 2H2O = CO2 + 4H2 hergestellt, was ein sehr energieintensiver Prozess ist. Obwohl ein mit Wasserstoff betriebenes Flugzeug möglicherweise weniger Energie verbraucht als ein mit Kerosin betriebenes Flugzeug, berücksichtigt dies daher nicht die Energie, die bei der Herstellung und Verflüssigung des Wasserstoffs verwendet wird, noch die damit verbundenen Kosten. Insgesamt dürfte Wasserstoff als Kraftstoff teurer sein.

Wasserstoff ist auch schwieriger zu handhaben. Wasserstofftanks sind nie perfekt isoliert, daher kocht Wasserstoff ab und die Tanks vereisen. Es ist auch gefährlicher als flüssiger Kraftstoff, wenn es zu einer Verschüttung kommt, da es verdunstet und mit der Luft ein explosives Gemisch bildet (obwohl dieses Problem, wie ich oben sagte, auch für Erdgas gilt). Flüssiger Wasserstoff ist viel kälter als verflüssigter Erdgas und verursacht so mehr Probleme mit Materialien, Abkochen und Vereisung.

Industrielle Gasturbinen können ohne allzu große Modifikationen mit Wasserstoff betrieben werden. Aber bei den umfangreichen Zertifizierungsverfahren für die Luftfahrt wird es ziemlich kostspielig sein, einen Flugzeugmotor für Wasserstoff umzurüsten. Auch bedeutet die schnellere Flammengeschwindigkeit von Wasserstoff, dass NOx schwieriger zu kontrollieren ist, und dies wird wahrscheinlich Probleme mit Emissionsvorschriften verursachen.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass Wasserstoff in der Luftfahrtindustrie im Allgemeinen nur dann rentabel sein wird, wenn sich herausstellt, dass er in einem brennstoffzellenbetriebenen Fahrzeug einfacher zu verwenden ist als ein Kohlenwasserstoffkraftstoff.

Wenn wirtschaftlich vertretbar, wäre ein Brennstoffzellen-/Elektromotorantrieb effizienter als ein Verbrennungsstrahltriebwerk. Die praktischen und sicherheitstechnischen Aspekte bedeuten jedoch, dass die Flugzeugindustrie einer der neuesten Anwender dieser Technologie sein wird.

In gasförmiger Form wäre die Menge – die Masse an – Wasserstoff, die Sie im Volumen von Flugzeugtreibstofftanks speichern könnten, vernachlässigbar. Um genug Masse an Wasserstoff zu speichern, müsste man ihn verflüssigt speichern, so wie er in Raketen gespeichert wird.

Damit dies jedoch nützlich ist, müssten die Motoren komplett neu konstruiert werden, um kryogene Kraftstoffe zu verbrennen, was ein gewaltiges Unterfangen wäre. Mir ist heute kein ernsthaftes Interesse am Einsatz kryogener Treibstoffe in Flugzeugen bekannt. Kerosin funktioniert gut und ist im Vergleich zu flüssigem Wasserstoff billig und relativ sicher zu transportieren und zu lagern.

Raketen verwenden kryogene Treibstoffe, weil sie absolut alles brauchen, was sie für das Geld bekommen können, so dass die hohen Kosten und zusätzlichen Sicherheitsmaßnahmen in diesem Bereich als notwendige Kosten für die Geschäftstätigkeit akzeptiert werden. Dieser Thread behandelt Raketen, die kryogene Treibstoffe oder eine Mischung aus kryogenen Treibstoffen und Kerosin verwenden. Unter dem Strich verwenden sie oft kryogene Treibstoffe – insbesondere in oberen Stufen – um mehr Nutzlast in die Umlaufbahn zu bringen.

Solange sich jedoch nichts an der Wirtschaftlichkeit von Kerosin gegenüber kryogenen Kraftstoffen ändert, scheint es unwahrscheinlich, dass Flugzeuge in großem Umfang auf flüssigen Wasserstoff umsteigen werden.

Betrachten Sie die Natur von flüssigem Wasserstoff . In flüssigem, nicht siedendem Zustand muss es eine Temperatur von 22 Kelvin haben, was -253 °C/-423 °F entspricht. Sehr kalt. Dies erfordert stark isolierte Behälter, und eine unbeabsichtigte Freisetzung könnte äußerst gefährlich sein. Ein paar Gallonen flüssiger Wasserstoff, die auf Sie verschüttet werden, würden Sie fast augenblicklich in einen Eiswürfel verwandeln.

Es stimmt, dass bei der Verbrennung von Wasserstoff mit Sauerstoff Wasser (plus etwas Ozon) entsteht. Wenn Wasserstoff jedoch mit atmosphärischer Luft verbrannt wird, die mehr Stickstoff als Sauerstoff enthält, entstehen auch einige unangenehme Stickoxide, sodass es sich nur dann um einen „sauberen“ Kraftstoff handelt, wenn er mit reinem Sauerstoff bereitgestellt oder in einer Brennstoffzelle verwendet wird .

Heutzutage wird flüssiges H als Brennstoff in einigen speziellen Situationen verwendet, die von seiner hohen Energiedichte profitieren: hauptsächlich Raketen, obwohl es auch (in Kombination mit Brennstoffzellen) in einigen AIP-U-Booten verwendet wurde. Dies sind Bereiche, in denen die zusätzliche Komplexität und der zusätzliche Aufwand durch den Nutzen aufgewogen werden.

Bei kommerzieller Verwendung würde es jeden Tag in großen Mengen gehandhabt, so dass die Komplexität des Umgangs mit dieser extrem kalten Substanz ebenso wie die Gefahren einer versehentlichen Freisetzung vergrößert würde. Und es gibt immer noch das Problem der Schadstoffe, die bei der Verbrennung von Wasserstoff in der Atmosphäre übrig bleiben.

In seinem Buch Skunk Works beschreibt Ben Rich einen Versuch, das A-12 Oxcart-Flugzeug (später SR-71) auf den Betrieb mit flüssigem Wasserstoff umzurüsten, um seine Reichweite zu erhöhen. Er berichtete, dass bis zum Hinzufügen der schweren isolierten Tanks die Reichweite der A-12 nur um ein paar Prozent erweitert worden wäre, zuzüglich der Komplexität des Auftankens in der Luft, also beendete Kelly Johnson das Projekt und schickte das Projektgeld zurück an die Regierung. Das war mit der Technologie der 1960er Jahre, heute sind vielleicht bessere Methoden verfügbar, aber das zeigt, dass Wasserstoff als Flugzeugtreibstoff nicht ganz die Wunderlösung ist, die es zu sein scheint.

Bedenken Sie außerdem, dass freier Wasserstoff auf der Erde nicht in großen Mengen vorhanden ist. Es muss durch Elektrolyse von Wasser hergestellt werden, was viel Strom verbraucht, und das erhöht die Kosten. Wasserstoff kann auch durch Katalysieren von Erdgas hergestellt werden, obwohl in großen Mengen viele übrig gebliebene Chemikalien entsorgt werden müssten.

Sollte ein praktischer Fusionsreaktor entwickelt werden, wäre es möglich, dass Wasserstoff als Brennstoff für allgemeine Transportzwecke rentabel würde. In Flugzeugen könnte es in Brennstoffzellen zum Antrieb von Elektromotoren verwendet werden, um das Umweltproblem zu umgehen.

Ein Wasserstofftank muss naturgemäß zylindrisch sein. Um Gewicht zu sparen, muss es kurz und dick sein, nicht lang und schmal.

Bei einem Flugzeug muss es sich auch im Schwerpunkt befinden , damit es das Flugzeug nicht aus dem Gleichgewicht bringt, wenn Treibstoff verbraucht wird. Dies erfordert auch einen kurzen Tank und keinen langen Rumpftank (der gesamte Wasserstoff würde während des Manövrierens nach vorne oder hinten rollen und das Flugzeug zum Absturz bringen).

Wasserstoff ist ein Kraftstoff mit sehr geringer Dichte, daher sind die Kraftstofftanks riesig. Der Löwenanteil des Tankraums des Shuttle-Haupttanks wurde für den Wasserstoff verwendet.

Das bedeutet, dass es in einem Flugzeug nur einen möglichen Platz für einen Wasserstofftank gibt: die Rumpfmitte (normalerweise über den Flügeln). So ziemlich die gesamte Breite des Rumpfes . Was bleibt den Passagieren zum Sitzen? Der vordere und hintere Rumpf. Das bedeutet auch getrennte Besatzungen - das Durchqueren des Tankbereichs wäre nicht praktikabel, es sei denn, das Flugzeug hätte oben eine "Blase" wie eine 747.

Dies macht auch alle Konstruktionseffizienzen des Tragens des Kraftstoffs in den Flügeln zunichte. Das bedeutet, dass die Flügel stärker sein müssen, um den Auftrieb dorthin zu tragen, wo das Kraftstoffgewicht ist. Das zählt.