Gibt es Programme zum Bau eines wasserstoffbetriebenen Flugzeugs?

Sogenannte „erneuerbare Energien“ sind heutzutage ein Schlagwort. Autohersteller beginnen mit der Einführung wasserstoffbetriebener Autos. Wasserstoff ist derzeit vielleicht nicht der effizienteste oder wirtschaftlichste Treibstoff für Düsentriebwerke, aber das bedeutet nicht, dass es Unternehmen gibt, die an diesem Thema oder gar an einem neuen Triebwerkstyp arbeiten.

Gibt es heute solche Programme?

Dabei ist zu beachten, dass Wasserstoff eigentlich gar keine „erneuerbare Energie“ ist. Tatsächlich ist es normalerweise nicht einmal eine Energiequelle. Es ist normalerweise ein Energiespeichermechanismus für Energie, die aus einer anderen Quelle erzeugt wird (normalerweise das Stromnetz, was hauptsächlich Kohle bedeutet). Ähnlich wie eine Batterie, nur viel schwieriger einzudämmen, aber mit weniger schädlichen Abfallprodukten.
@reirab - Nach dieser Logik ist die Sonne die einzig wahre Energiequelle. Mit Ausnahme von nuklearer und geothermischer Energie (beide durch radioaktiven Zerfall schwerer Elemente verursacht und uns daher von einem anderen Stern gegeben) und vielleicht Gezeitengeschirren (hauptsächlich verursacht durch die Anziehungskraft des Mondes auf die Ozeane, aber das erfordert immer noch flüssiges Wasser und also eine Wärmequelle), alle "Energiequellen", die wir derzeit haben, haben wir, weil diese Quelle die Sonnenenergie eingefangen und gespeichert hat (der Wasserkreislauf für die Wasserkraft, photosynthetische Reaktionen für die meisten fossilen Brennstoffe).
@KeithS Der Unterschied besteht darin, dass all diese Dinge von der Natur erledigt werden, während Wasserstoff anthropogen unter Verwendung von Energie aus einer dieser anderen Quellen erzeugt werden muss.

Antworten (2)

Die Luftfahrt ist sehr energiehungrig. Während Wasserstoff in Bezug auf Energie pro Masse ziemlich effizient ist ( 141,8 MJ/kg ), ist er in Bezug auf Energie pro Volumen schrecklich. Flugzeuge verwenden heute ihre Flügel zur Treibstoffspeicherung, was dazu beiträgt, Biegebelastungen zu reduzieren und ein Volumen zu verwenden, das für den Transport von Nutzlast ungeeignet ist. Bei Wasserstoff funktioniert das nicht.

Das größte Problem ist die Speicherung , und keine der Lösungen ist wirklich attraktiv:

  • Kryogen: Das Speichern des Wasserstoffs bei einer Temperatur, bei der er flüssig ist (unter 20 °K), reduziert den Volumenbedarf erheblich, aber jetzt müssen Sie eine Isolierung hinzufügen, und selbst dann beträgt die Energie pro Volumen nur ein Viertel im Vergleich zu Kohlenwasserstoffen. Das kommt bei Raketen zum Einsatz, weil sie sich vor dem Start auf umfangreiche Bodenunterstützung verlassen können und das Zeug in wenigen Minuten aufbrauchen. Verkehrsflugzeuge müssen ihren Treibstoff jedoch über Dutzende von Stunden lagern, sodass ihre Wasserstofftanks viel schwerer und sperriger sein werden als die von Raketen.
  • Komprimiert: Dies vermeidet den Energieaufwand für die Verflüssigung, aber jetzt brauchen Sie einen starken und schweren Druckbehälter. Die derzeitige Speicherung von gasförmigem Wasserstoff benötigt bis zu 700 bar Druck, aber selbst dann ist der Volumenbedarf sechsmal höher als der von Kerosin bei gleichem Energiegehalt.
  • Hydride: Einige Metalle wie Magnesium oder Natrium können Wasserstoff binden und beim Erhitzen freisetzen. Aber selbst in den effizientesten Verbindungen wie Natriumtetrahydroaluminat sind nur 7,4 % der Masse nutzbarer Wasserstoff, was ihn für massekritische Anwendungen wie die Luftfahrt absolut ungeeignet macht.

Derzeit sieht eine Mischung aus kryogener und komprimierter Speicherung am attraktivsten aus und wurde umfassend getestet.

Das erste (teilweise) wasserstoffbetriebene Flugzeug war der LZ-127 Zeppelin, der ein Gasgemisch mit der gleichen Masse pro Volumen wie Luft ( Blaugas ) zum Antrieb seiner Triebwerke verwendete.

Tupolev entwarf und flog 1988 die Tu-155 , das erste wasserstoffbetriebene Flugzeug, das schwerer als Luft war. Die Ergebnisse zeigten, dass das Prinzip funktionierte, aber nicht mit Kerosin konkurrieren konnte.

Derzeit sind mehrere Demonstratoren in Betrieb , aber keiner mit der Hoffnung auf eine breite Anwendung - die chemische Bindung von Wasserstoff an Kohlenstoff wird nach wie vor die beste Möglichkeit der Speicherung (flüssig und drucklos) für die Luftfahrt darstellen.

Wasserstoff wird nur dann zur besten Energiequelle, wenn die Verbrennungsgeschwindigkeit kritisch ist, wie beispielsweise in Überschall-Verbrennungs-Staujets ( Scramjets ).

Im Grunde läuft es also darauf hinaus, dass der Kraftstoff allein ein besseres Energie-Masse-Verhältnis hat, aber das Kraftstoff- und Speichersystem für den Kraftstoff ein schlechteres hat (und / oder mehr Volumen erfordert, was zu inakzeptablen Mengen an Formwiderstand führt)? Und das alles natürlich abgesehen von der zusätzlichen Komplexität des Designs und der daraus resultierenden erhöhten Wahrscheinlichkeit, dass etwas schief geht.
Um Zahlen hinzuzufügen, die Dichte von Kerosin beträgt ~800 kg/m³, während flüssiger Wasserstoff nur ~70 kg/m³ hat (komprimiert auf 700 bar nähert sich dieser Wert), sodass ein 11,5-mal höheres Volumen benötigt wird.
Bedenken Sie jedoch, dass Verdichtung und Verflüssigung praktisch ein und dasselbe sind, die Anforderungen an Isolierung und Kühlung sind daher sehr ähnlich, ebenso wie die Anforderungen an den Druckbehälter.
Um noch mehr Zahlen hinzuzufügen: Komprimierter gasförmiger Wasserstoff hat bei 700 bar eine Dichte von nur 40 kg/m³. Eine Verdichtung von 350 auf 700 bar erhöht die Dichte nur um 67 %, da es sich mit zunehmendem Druck immer weniger wie ein ideales Gas verhält.
Ein weiterer Datenpunkt auf der Kurve: Die dritte Stufe des Saturn V verwendete (flüssigen) Wasserstoff als Treibstoff, aber als es gezündet wurde, war das Fahrzeug kein Flugzeug mehr. Sie hatten gehofft, auch für die zweite Stufe Wasserstoff zu verwenden, aber das wäre selbst in diesem großen Maßstab zu schwierig und zu teuer gewesen.

Airbus hat behauptet, dass sie beabsichtigen, wasserstoffbetriebene Passagierflugzeuge zu produzieren, die bis 2035 in Betrieb sein könnten. Sie haben drei ZEROe-Konzeptdesigns entwickelt.

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Bei der Enthüllung seiner neuesten Entwürfe sagte Airbus, dass sein Turbofan-Design bis zu 200 Passagiere über mehr als 2.000 Meilen befördern könne, während ein Turboprop-Konzept eine um 50 % geringere Kapazität und Reichweite hätte.

Ein drittes Flugzeug mit "Blended-Wing-Body" war das auffälligste der drei Designs.

Alle drei Flugzeuge würden von Gasturbinentriebwerken angetrieben, die so modifiziert wurden, dass sie flüssigen Wasserstoff verbrennen, und von Wasserstoff-Brennstoffzellen, um elektrische Energie zu erzeugen.

Airbus räumte jedoch ein, dass Flughäfen große Summen in die Betankungsinfrastruktur investieren müssten, damit die Idee funktioniert.

„Der Übergang zu Wasserstoff als primärer Energiequelle für diese Konzeptflugzeuge wird entschlossenes Handeln des gesamten Luftfahrtökosystems erfordern“, sagte Herr Faury.

"Zusammen mit der Unterstützung von Regierungs- und Industriepartnern können wir uns dieser Herausforderung stellen, erneuerbare Energien und Wasserstoff für die nachhaltige Zukunft der Luftfahrtindustrie auszubauen."

Die neuen Airbus-Designs sind das Ergebnis eines gemeinsamen Forschungsprojekts, das Airbus im vergangenen Jahr mit EasyJet gestartet hat, um Hybrid- und Elektroflugzeuge in Betracht zu ziehen.

Der Vorstandsvorsitzende der Fluggesellschaft, Johan Lundgren, sagte: „EasyJet engagiert sich weiterhin uneingeschränkt für nachhaltigeres Fliegen, und wir wissen, dass Technologie die Antwort für die Branche ist.“

BBC News: „Airbus blickt mit Wasserstoffflugzeugen in die Zukunft“

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