Wasserstoffflugzeug

Die Antares DLR-H2, das weltweit erste bemannte und ausschließlich mit Brennstoffzellen angetriebene Flugzeug 2014 bei einem Demonstrationsflug

Als Wasserstoffflugzeug wird ein Flugzeug bezeichnet, das als Treibstoff Wasserstoff nutzt. Gemeint sind nicht Luftschiffe, sondern Flugzeuge schwerer als Luft.

Außer unmittelbarer Verbrennung könnte auch eine Verstromung des Wasserstoffs mithilfe von Brennstoffzellen angewandt werden, wodurch Elektromotoren als Vortriebsmittel verwendet werden können. Bei einer Nutzung von aus regenerativem Strom erzeugtem sogenanntem grünem Wasserstoff kann damit eine klimafreundliche Antriebsform geschaffen werden. Wasserstoff, insbesondere zusammen mit einer Brennstoffzelle verwendet, soll dabei ermöglichen die Nicht-CO2-Effekte zu senken, die beim Flugverkehr die größte Klimaschädigung ausmachen. Denn ein Flugzeug betankt mit Sustainable Aviation Fuel produziert annähernd genauso viele Nicht-CO2-Effekte wie eins betankt mit Kerosin.[1]

Geschichte

Unternehmen und Einrichtungen wie Tupolew, Boeing, das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR), Lange Aviation und Airbus erforschten den Wasserstoffantrieb zu unterschiedlichen Zeitpunkten.

Vor 2000

In den 1930er-Jahren gab es Versuche mit Raketenflugzeugen, deren Treibstoffgemische teilweise geheim blieben. Bei den Versuchen mit Flüssigkeitsraketenmotoren von Wernher von Braun und Hellmuth Walter wurden u. a. Gemische mit Wasserstoffverbindungen eingesetzt.

Bereits in den 1950ern gab es Pläne für ein mit Wasserstoff betriebenes Spionageflugzeug, die Lockheed CL-400 Suntan. Das Flugzeug sollte höher und schneller fliegen als die Lockheed U-2. Das Projekt wurde 1958 eingestellt.[2]

In den 1980er Jahren wurden bei Tupolew alternative Kraftstoffe für Strahltriebwerke im Rahmen der Weiterentwicklungen der Tu-154 in der Praxis erprobt. Dabei entstand der mit Flüssigwasserstoff bzw. Erdgas betriebene Prototyp Tu-155. Bei dieser dreistrahligen Maschine wurde das rechte Triebwerk nicht von Kerosin, sondern von Wasserstoff oder Erdgas angetrieben. Ihren ersten Flug mit Flüssigwasserstoff absolvierte die Tu-155 am 15. April 1988, ihren ersten Flug mit Erdgasantrieb am 18. Januar 1989.

2000 bis 2019

Unter dem Namen Cryoplane (deutsch Kälteflugzeug) lief von 2000 bis 2002 ein Großprojekt von 36 Firmen, Hochschulen und Behörden unter der Führung von Airbus mit dem Ziel, die technische und wirtschaftliche Machbarkeit sowie Sicherheitsaspekte und die Umweltverträglichkeit von flüssigem Wasserstoff als Flugzeugkraftstoff zu untersuchen sowie Strategien für einen möglichst reibungslosen Wechsel zu diesem neuen Treibstoff zu erarbeiten. Der Name des Projektes leitet sich aus der Notwendigkeit ab, Wasserstoff auf mindestens −253 °C abzukühlen, um ihn in flüssigem Zustand zu halten.[3][4]

An der Universität Stuttgart entwickelte das Institut für Flugzeugbau unter dem Projektnamen Hydrogenius einen mit Wasserstoff angetriebenen zweisitzigen Motorsegler. Die als gasförmiger Wasserstoff gespeicherte Energie sollte in Brennstoffzellen in Strom umgewandelt werden; ein Elektromotor sollte die Luftschraube antreiben. Mit dem Konzeptentwurf gelang dem Team um Rudolf Voit-Nitschmann im Jahr 2006 der Gewinn des Berblinger-Flugwettbewerbs der Stadt Ulm.[5] Das daraus entwickelte Flugzeug e-Genius flog im Mai 2011.

Eine von Boeing auf Elektroantrieb umgerüstete Diamond HK36, deren Brennstoffzellensystem genug Leistung für den Horizontalflug lieferte

Ab Februar 2008 testete Boeing mit der Phantom Works auf Basis einer Diamond HK36 ein bemanntes Elektro-Flugzeug, das durch Strom aus einer Batterie und einem Brennstoffzellensystem angetrieben wurde.[6] Die Leistungsabgabe der Brennstoffzellen war dabei für den Horizontalflug ausgelegt. Der Steigflug erfolgte mit zusätzlicher Energie aus einer Lithium-Ionen-Batterie.[7] Im Juli 2010 stellte Boeing den wasserstoffgetriebenen Phantom Eye vor, ein ausdauerndes, unbemanntes Aufklärungsflugzeug für große Höhen. Das Antriebssystem bestand nun aus zwei Verbrennungsmotoren, die mit Wasserstoff angetrieben wurden.[8]

Das von Brennstoffzellen angetriebene Elektro-Flugzeug Antares DLR-H2

Das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) hatte unterdessen auf Basis einer Antares 20E der Lange Aviation mit der Antares DLR-H2 das weltweit erste bemannte und auch beim Start ausschließlich mit Brennstoffzellen angetriebene Flugzeug entwickelt. Der Erstflug erfolgte am 7. Juli 2009 in Hamburg. Die Maschine hatte in zwei zusätzlichen Außenlastbehältern Wasserstofftanks und ein hocheffizientes Brennstoffzellensystem. Ein 42 kW bürstenloser Elektromotor lieferte eine maximale Leistung von 25 kW und eine Dauerleistung von über 20 kW. Die Gesamteffizienz H2 -> Welle E-Motor beträgt rund 44 %.[9] In den folgenden 2010er-Jahren wurde das Potential der Wasserstofftechnologie in der Luftfahrt aufgrund der nun forcierten Energiewende nochmals wichtiger.

(c) DLR, CC-BY 3.0
Das Wasserstoff-Brennstoffzellen-Flugzeug HY4 beim Erstflug am 29. September 2016 über dem Flughafen Stuttgart

Es folgte am 12. Oktober 2015 das Konzept eines viersitzigen Brennstoffzellen-/Batterie-Passagierflugzeuges HY4.[10] Dieses wurde mit Partnern aus öffentlichen Forschungseinrichtungen, Universitäten und Industrie entwickelt und kann je nach Speichertechnologie bei einer Reisefluggeschwindigkeit von 165 km/h eine Strecke von 750 bis 1500 km zurücklegen, mit 40 Passagieren.[11] Am 29. September 2016 gelang der Erstflug.[12][13]

Ab 2020

Eines der bis dahin größten bisherigen Brennstoffzellenflugzeuge war eine umgebaute Piper PA-46, die 2020 abhob.[14] Diese wurde von ZeroAvia[15] im Rahmen des britischen Projektes HyFlyer gebaut.[14]

Im Januar 2021 erfolgte ein Forschungsauftrag für das Projekt BALIS an die DLR für einen Versuchstand bzw. Antriebsstrang für ein Wasserstoffflugzeug auf Brennstoffzellenbasis mit 1500 kW aufzubauen. Diese Entwicklungsarbeiten werden vom deutschen Wirtschaftsministerium mit 26 Millionen Euro gefördert.[16][17]

Das bisher größte Wasserstoffflugzeug mit Brennstoffzellen hob etwa am 20. Januar 2023 vom Cotswold Airport im englischen Gloucestershire erstmals ab.[18] Es handelt sich dabei um eine von ZeroAvia umgebaute Dornier 228, im Rahmen des Programms HyFlyer II von der britischen Regierung.[18]

Planungen

Nach Planungen von Mitte Juni 2021 will Airbus bis 2025 mit einem Wasserstoffflugzeug in den Probebetrieb gehen, um schließlich bis etwa 2030 oder bis 2035 kommerzielle Flugzeuge auf den Markt bringen zu können.[19]

ZeroAvia plant 20-sitzige Regionalflugzeuge und später bis 100-sitzige Wasserstoffflugzeuge für Langstrecken auf den Markt zu bringen.[15]

Technologie

Verbrennung oder Elektroantrieb über Brennstoffzelle

Bei der konventionellen Verbrennung von Kerosin entsteht neben anderen Abgasen klimaschädliches CO2.[20] Alternativ kann Wasserstoff in einem Verbrennungsantrieb verwendet werden, wobei kein CO2 entsteht, weil im Brennstoff kein Kohlenstoff enthalten ist. Allerdings entstehen durch diese Verbrennung dennoch Abgase als Stickoxide und der Wirkungsgrad ist relativ gering.

Der technisch elegantere Weg ist die indirekte Nutzung des Wasserstoffs mithilfe von Brennstoffzellen, weil dabei keine Abgase entstehen, sondern nur Wasserdampf. Dabei wird aus dem Wasserstoff über die Brennstoffzellen zunächst Strom gewonnen, der dann ein Flugzeug über Elektromotoren antreibt. Beim Einsatz von H2-Zellen kann Strom, Wasser und Inertgas damit erzeugt werden.[21] Eine für die Luftfahrt besonders geeignete Brennstoffzellenart ist die Hochtemperatur-Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle (HT-PEFC).[21]

Vorteile

Da Wasserstoff bei gleicher Masse das 2,8-fache an Energie enthält wie Kerosin, würde ein Wasserstoffflugzeug bei gleicher Reichweite erheblich weniger Treibstoffmasse benötigen als eine heutige Maschine und könnte somit den Transport höherer Nutzlasten ermöglichen. Dennoch wäre das nötige Tank-Volumen für H2 flüssig um den Faktor 3,4 größer. D. h. für einen Atlantikflug einer Boeing 707 (90.000 l Kerosin), wären 304 m³ H2 liquid nötig, was technisch nicht zu machen ist. Allerdings wäre als Ersatz für eine Standard Airbus-A320-Familie oder eine Boeing 737 das Tankvolumen durchaus ausreichend.

Überblick über technische und ökonomische Parameter[22][23]
TechnologieEnergiedichte in MJ/kgVerbrauchskosten
Kerosin43ca. 0,50 Euro/Liter
Wasserstoff120ca. 9,50 Euro/kg

Wasserstoff verbrennt ohne Emission von Kohlendioxid, Kohlenmonoxid und Kohlenwasserstoffen, daher hätten Wasserstoffflugzeuge im Hinblick auf diese Stoffe deutlich geringere schädliche Auswirkungen auf die Umwelt. Ein möglicher wirtschaftlicher Vorteil ergibt sich hieraus, wenn Regierungen – z. B. zur Umsetzung der Vereinbarungen der Pariser Klimaziele zur Bekämpfung des Klimawandels – Förderungsmaßnahmen für emissionsarme Technologien beschließen. Allerdings entstehen bei der Verbrennung mit Luft weiterhin Wasserdampf (Kondensstreifen, bei gleicher Turbinenleistung sogar intensiver) und Stickoxide.

Im Brandfall wird die Tatsache als Vorteil angesehen, dass Wasserstoff bei Temperaturen über −253 °C gasförmig und leichter als Luft ist. Die Bildung von Brandteppichen, wie sie bei auslaufendem Kerosin auftritt, wäre ausgeschlossen, da austretender Wasserstoff schnell nach oben entweicht, sodass Rettungskräfte leichter zu einer am Boden havarierten Maschine vordringen könnten.

Nachteile

Das spezifische Volumen von Wasserstoff ist auch im flüssigen Zustand noch viermal größer als das von Kerosin. Dies hat zur Folge, dass entweder weniger Raum für Nutzlasten verbleibt oder dass die Rümpfe von Wasserstoffflugzeugen entsprechend größer ausgelegt werden müssten. Darüber hinaus müssen Tanks, in denen flüssiger Wasserstoff transportiert werden soll, beim heutigen Stand der Technik Kugel- oder Zylinderform haben. Damit ist eine Unterbringung der Tanks in den Tragflächen – wie es heute bei Kerosintanks der Fall ist – nur noch begrenzt möglich. Dies führt dazu, dass neue Positionen für die Unterbringung der Treibstofftanks gefunden werden müssen. Diskutiert wird derzeit (2006) z. B. über einen Einbau im Rumpf oberhalb der Passagier- bzw. Frachtkabine.

Das Clean-Sky-Forschungsprojekt geht davon aus, dass mittelfristig Wasserstoffflugzeuge nur bis 10.000 km Flugstrecke eingesetzt werden können, darüber hinaus nur Flugzeuge mit E-Fuels.[24]

Wenn Wasserstoff verbrannt wird, entstehen möglicherweise noch mehr langlebige Kondensstreifen-Zirren, die den größten Beitrag des Luftverkehrs zur globalen Erwärmung beisteuern. Bei der Verbrennung von Wasserstoff entsteht dreimal mehr Wasserdampf als bei Kerosin. Andererseits verursacht ein Wasserstoffantrieb keine Partikelemissionen, was die Klimawirkung wieder senkt. Bei Verwendung einer Brennstoffzelle entstehen außer Wasserdampf keine anderen Emissionen mehr. Da die Prozesse innerhalb der Brennstoffzelle auf deutlich niedrigerem Temperaturniveau ablaufen als bei der Wasserstoffverbrennung, tritt vermehrt flüssiges Wasser aus, welches wieder zur Brennstoffzelle zurückgeführt werden könnte, um der Brennstoffzelle eine gewisse Feuchtigkeit zuzuführen, die in großer Höhe nicht gegeben ist.[25]

Aufgrund der hohen Verbrennungstemperatur von Wasserstoff entstehen bei der Verbrennung mit Luft umweltschädliche Stickoxide.

Der Einsatz von Wasserstoff als Treibstoff bedingt neue Konstruktionen für Tanks, Kraftstoffsysteme und Triebwerke der Maschinen sowie eine neue Technik der Betankung an Flughäfen. Die für die Automobiltechnik entwickelten Konzepte, z. B. leichte Drucktanks, können abgewandelt auch in der Flugzeugtechnik eingesetzt werden.

Wasserstoff muss energieaufwändig hergestellt werden, dabei können weitere Nachteile auftreten. Derzeit (2006) geschieht dies aus Erdgas unter Kohlendioxid-Freisetzung. Die Herstellung aus Biomasse, die nur begrenzt zur Verfügung steht, ist im Versuchsstadium. Eine Herstellung durch Elektrolyse mit Strom aus erneuerbaren Energiequellen ist bei Überkapazitäten wirtschaftlich (Power-to-Gas).

Siehe auch

Literatur

Bücher
  • Luftfahrt. In: Sven Geitmann, Eva Augsten: Wasserstoff und Brennstoffzellen: Die Technik von gestern, heute und morgen, Hydrogeit Verlag, 4. komplett überarbeitete Auflage, Oberkrämer 2021, ISBN 978-3-937863-51-1, S. 181–185
  • Ralf Peters (Hrsg.): Brennstoffzellensysteme in der Luftfahrt. Springer Vieweg, Berlin/Heidelberg 2015, doi:10.1007/978-3-662-46798-5, ISBN 978-3-662-46797-8.
Artikel
  • Thomas Wagner-Nagy: Ohne Abgas durch die Lüfte. In: P.M., Nr. 1/2020, S. 44–49.
  • S. Steinke: Wasserstoff-Visionen. In: Flug Revue, Nr. 12/2020, S. 56–59
  • ZEROe – on cleaner flight. In: AIR International. Nr. 12/2020, S. 58–64.
  • Rainer W. During: Airbus setzt auf Wasserstoff: Konzepte für emissionsfreies Flugzeug. In: FliegerRevue, Nr. 12/2020, S. 15.
  • Heinrich Großbongardt: Pack die Sonne in den Tank: Treibstoffe der Zukunft. In: AERO International, Nr. 10/2020, S. 42–44.
  • Wasserstoffantrieb. In: Flug Revue, Nr. 3/2021, S. 64–71
  • Ulrike Ebner: Europa setzt auf Wasserstoff. In: Flug Revue, Nr. 10/2020, S. 74–75

Weblinks

Commons: Wasserstoffflugzeuge – Sammlung von Bildern
Allgemeines
Videos

Einzelnachweise

  1. ↑ Achim Michael Hasenberg: „Tante Ju“ neu gedacht: Der Traum vom klimaneutralen Fliegen – ist er ausgeträumt? In: berliner-zeitung.de. Berliner Zeitung, 13. Juli 2023, abgerufen am 13. Juli 2023.
  2. ↑ LOCKHEED CL-400 SUNTAN - Weapons and Warfare. In: weaponsandwarfare.com. 7. Mai 2020, abgerufen am 9. August 2021.
  3. ↑ Cryoplane – Hydrogen Aircraft. (PDF; 2,5 MB) 2003, abgerufen am 13. Juni 2006 (englisch).
  4. ↑ Wasserstoffflugzeug Cryoplane. In: diebrennstoffzelle.de. Abgerufen am 6. September 2005.
  5. ↑ Projekt des bemannten Brennstoffzellenflugzeugs “Hydrogenius” gewinnt an Fahrt. In: solarserver.de. 28. Juli 2007, abgerufen am 23. September 2020.
  6. ↑ Ion tiger hydrogen UAV. Sciencedaily.com, 15. Oktober 2009, abgerufen am 12. Dezember 2010.
  7. ↑ DLR Boeing testet Wasserstoff-Flugzeug. Erstmals mit Pilot. In: Kronen Zeitung. Krone Multimedia GmbH & Co KG, 4. April 2008, abgerufen am 3. Oktober 2016.
  8. ↑ Boeing’s 'Phantom Eye' Ford Fusion powered stratocraft. The Register, 13. Juli 2010, abgerufen am 14. Juli 2010.
  9. ↑ DLR Institut für Technische Thermodynamik: Abheben mit der Brennstoffzelle: Alles zur Antares DLR-H2. In: Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) Institut für Technische Thermodynamik. Abgerufen am 2. Oktober 2016.
  10. ↑ Der Traum vom sauberen Fliegen, Republik, 28. Januar 2020.
  11. ↑ H2Fly-Website. Abgerufen am 29. November 2016.
  12. ↑ DLR Presse Portal – Emissionsfreier Antrieb für die Luftfahrt: Erstflug des viersitzigen Passagierflugzeugs HY4. Abgerufen am 29. September 2016.
  13. ↑ Jürgen Schelling: HY4 in der Erprobung: Das erste viersitzige Wasserstoffflugzeug. In: Frankfurter Allgemeine Zeitung. 12. Oktober 2016, ISSN 0174-4909 (faz.net [abgerufen am 24. Oktober 2016]).
  14. ↑ a b V. K. Thomalla: Brennstoffzellenflugzeug aus Großbritannien und USA. In: aerobuzz.de. 28. Juni 2020, abgerufen am 14. Oktober 2020.
  15. ↑ a b Firmenwebsite: ZeroAvia. Abgerufen am 18. Oktober 2020.
  16. ↑ DLR-Projekt BALIS. 23. Januar 2021, abgerufen am 26. Januar 2021.
  17. ↑ Projekt BALIS – DLR entwickelt und testet Brennstoffzellen im Megawatt-Bereich für die Luftfahrt. In: Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt. 21. Januar 2021, abgerufen am 26. Januar 2021.
  18. ↑ a b Cora Werwitzke: ZeroAvia: BZ-Erstflug mit umgerüsteter Dornier 228. In: electrive.net. 20. Januar 2023, abgerufen am 20. Januar 2023.
  19. ↑ Airbus will 2025 erstmals mit Wasserstofftanks abheben. In: aeroTelegraph. Abgerufen am 14. Juni 2021.
  20. ↑ Deutsche Bundesregierung: Wie funktioniert der Antrieb von Flugzeugen mit Wasserstoff? 13. August 2020, abgerufen am 9. September 2020.
  21. ↑ a b Ralf Peters (Hrsg.): Brennstoffzellensysteme in der Luftfahrt. ISBN 978-3-662-46797-8; vom Klappentext des Buches
  22. ↑ M. Sterner, I. Stadler: Energiespeicher: Bedarf, Technologien, Integration. SpringerVieweg, 2. Auflage, Berlin 2017, ISBN 978-3-662-48892-8, S. 649 ff.
  23. ↑ Thomas Schmidt: Wasserstofftechnik: Grundlagen, Systeme, Anwendungen, Wirtschaft. Hanser, München 2020, ISBN 978-3-446-46001-0, S. 382, 384.
  24. ↑ Hanno Böck: Klimaneutrales Fliegen in weiter Ferne. In: klimareporter.de. Klimareporter, 16. Dezember 2020, abgerufen am 10. Oktober 2022.
  25. ↑ Denis Dilba: Wie Wasserstoffantriebe auf das Klima wirken. In: aeroreport.de. MTU Aero Engines, 1. Juni 2021, abgerufen am 10. Oktober 2022.

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