Boarding-Aufruf für die Brennstoffzelle
Die Zeit der lärmenden und spritschluckenden Hilfsturbinen zur Stromerzeugung im Flugbetrieb geht zur Neige: Es schlägt die Stunde der effizienten Brennstoffzelle. Sie hat zahlreiche technische Talente und kann sogar für einen ökonomischeren Triebwerksbetrieb sorgen. Die derzeitige Hauptentwicklungslinie für die Brennstoffzelle im Luftfahrtbereich sind Systeme, die im Niedertemperaturbereich zwischen 60 und 80 Grad Celsius arbeiten.
Die großen Hersteller wie Boeing oder Airbus suchen nach umweltverträglicheren Lösungen, nach anderen Systemen, die am Boden genügend Bordstrom liefern und die ausreichend Leistung bringen, um die Triebwerke zu starten. Auch das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt e. V. (DLR) arbeitet daran. Die von den Forschern favorisierte Lösung:
Brennstoffzellen-Systeme an Bord von Passagiermaschinen sollen zukünftig die Hilfsturbinen ersetzen. Dieser Ansatz hat gute Chancen, denn das Forscherteam im Institut für Technische Thermodynamik (ITT) unter der Leitung von Prof. Dr. Hans Müller-Steinhagen arbeitet in Stuttgart an einer herstellerunabhängigen und in allen Flugzeugmustern einsetzbaren Lösung. Einen wichtigen Beitrag dazu hat Prof. Dr. Andreas Friedrich schon geleistet. Er und sein Team um den Projektleiter Dr.-Ing. Josef Kallo stehen bereits in der praktischen Erprobung. Dazu wird unter anderem das größte Mitglied aus der DLR-Forschungsflugzeugflotte eingesetzt:
Der Airbus A320-232 D-ATRA (Advanced Technology Research Aircraft) ist eine fliegende Versuchsplattform und dient als Demonstrator. Die Praxistauglichkeit einer Niedertemperaturbrennstoffzelle (PEM), die im Temperaturbereich von 60-80 Grad Celsius arbeitet und die bisherigen Hilfsturbinen voll ersetzen kann, wurde in einer Testreihe und im Flugbetrieb bereits bewiesen. Das Institut kooperiert dabei mit den Airbus-Divisionen aus Deutschland, Frankreich und Großbritannien. Andreas Friedrich ist zuversichtlich: „Der Nachweis der Technologiereife wird gemeinsam mit unseren Partnern im September 2009 gelingen.” Im Airbus wurde dazu das Aggregat und die Steuertechnik noch im Frachtraum verbaut. In den nächsten Projekten arbeiten die Techniker daran, die Brennstoffzelle so in die Flugzeugarchitektur zu integrieren, dass das System den Platz nutzen kann, der durch den Wegfall der Hilfsturbine frei wird. Das ist ein wichtiger Schritt, denn es sollen in Zukunft mehrere Brennstoffzellen-Systeme so eingesetzt werden, dass die Hauptturbinen ausschließlich für den Flugbetrieb zuständig sind. Das hätte den Vorteil, dass die Triebwerke eigentlich nur noch unter den Lastzuständen arbeiten, in denen sie die Energie effizient nutzen. Der Wegfall der Hilfsturbinen wird die Lärmbelastung, die von Flughäfen ausgehen, stark reduzieren und die Verschmutzung der Luft durch schädliche Emissionen in deren Umgebung erheblich vermindern. Denn vor allem das extrem laute und hochfrequente Heulen der Hilfsaggregate – sie erreichen je nach Modell Drehzahlen im Bereich von 22.000 bis zu über 70.000 Umdrehungen pro Minute – belastet die Anwohner und, wie eine Studie des Flughafens Zürich jüngst ergab, es würden so etwa 20 Prozent der Stickoxidemissionen im Flughafenumfeld entfallen. Außerdem müssten mit einem Brennstoffzellensystem an Bord die Haupttriebwerke wirklich erst kurz vor dem Abheben angelassen werden. Das spart nicht nur Kerosin, sondern erhöht auch den Fluggast-Komfort. Denn im Gegensatz zur traditionellen Hilfsturbine vibriert dieses System nicht und der Hilfsturbinenlärm entfällt am Boden komplett. Die derzeitige Hauptentwicklungslinie für die Brennstoffzelle im Luftfahrtbereich sind Systeme, die im Niedertemperaturbereich zwischen 60 und 80 Grad Celsius arbeiten.
„Das ist für diesen Einsatzzweck momentan noch die reifere Technologie.” sagt Josef Kallo, „aber wir arbeiten im Versuch bereits mit Systemen, die im höheren Temperaturbereich zwischen 150 und 180 Grad Celsius chemische Energie aus der Reaktion von reinem Wasserstoff mit Sauerstoff umwandeln.” Die Membranbrennstoffzellen (PEM), die man im Institut favorisiert, sind in ihrer Handhabung relativ unkompliziert. Da sie mit dem Luftsauerstoff auskommen, sind keine aufwändigen Filter- und Reinigungsprozesse nötig.
Sie lassen sich bei Bedarf zügig aus- und wieder eingeschalten. Bei der PEM besteht der Elektrolyt aus einer Polymermembran, die nur Protonen durchlässt. Die Weiterentwicklung wird von der Suche nach neuen Kunststoffen für solche Membranen bestimmt und von Versuchen, möglichst wenig Platin an den Elektroden als Katalysator aufzutragen. Der Einsatz von Brennstoffzellen im höheren Temperaturbereich hätte einen höheren Wirkungsgrad und eine bessere Energieausbeute zur Folge. Es entsteht mehr Abwärme und die hätte einen weiteren Nutzen. Denn sie kann über einen Wärmetauscher ausreichend Energie für die Enteisungssysteme an den Tragflächen liefern. Aber auch im Niedertemperaturbereich sind die Vorteile der Brennstoffzelle eindrucksvoll. Denn so ausgerüstete Maschinen lassen sich auf dem Flughafen emissionsfrei betreiben. Das System stellt die Energie für den Start der Triebwerke und die Klimatisierung der Kabine bereit. Außerdem entsteht beim Betrieb der Brennstoffzelle Trinkwasser. Im Verlauf eines mehrstündigen Transatlantikflugs zum Beispiel wären somit je nach Flugzeugtyp zwischen 500 und 3.000 Liter reinsten Wassers wieder verwendbar und würden in dieser Größenordnung dann das Abfluggewicht reduzieren.
Ein weiterer Vorteil: In den sich leerenden Kerosintanks entsteht nach und nach ein gefährliches, weil explosives Gasgemisch. Das muss nach derzeitigem Stand der Technik durch Einbau eines den Sauerstoffgehalt reduzierenden Membransystems unschädlich gemacht werden. Das bringt zusätzliches Gewicht an Bord. Dazu sagt Andreas Friedrich: „Die bei der Energieumwandlung in der Brennstoffzelle entstehende Abluft enthält nur 12 Prozent Sauerstoff. Leitet man die in die sich leerenden Tanks, ist die Explosionsgefahr gebannt und man könnte die inertisierende Membran, deren Gewicht und den daraus resultierenden Treibstoffmehrverbrauch einsparen.” Wie vom DLR nicht anders zu erwarten, sind Prof. Friedrich und seine Kollegen aber schon einen großen Schritt weiter.
Jüngst übernahmen sie mit dem Forschungsflugzeug Antares DLR-H2 das weltweit erste startfähige, pilotgesteuerte Flugzeug mit Brennstoffzellenantrieb. Es basiert in wesentlichen Teilen auf dem seit einigen Jahren gebauten Motorsegler Antares 20E. In zwei zusätzlichen Außenlastbehältern werden das Brennstoffzellensystem und die Wasserstofftanks unter den dafür verstärkten Flügeln angebracht. In weiteren Schritten könnten die Leistungsdaten des Flugzeugs mit bis zu vier Außenlastbehältern und weiterentwickelten Brennstoffzellen, die im höheren Temperaturbereich arbeiten, noch signifikant gesteigert werden. Entwickelt und gebaut wird der fliegende Hochtechnologie-Versuchsträger vom Projektpartner Lange Aviation in Zweibrücken. Als primäre Energiequelle für das ‚Fliegen mit Strom’ wird ein Energieerzeugungssystem genutzt, das annähernd identisch mit dem im großen Airbus verwendeten Brennstoffzellensystem zur Bordenergieversorgung ist. Die elektrische Energie wird von einem von Lange Aviation entwickelten neuen Antriebsstrang zum Fliegen genutzt.
Er besteht aus der Leistungselektronik, Motor und Propeller. Der Einsatz einer weiter entwickelten Brennstoffzelle, deren elektrische Effizienz bei zu 52 Prozent liegt, macht den CO2-freien Antrieb dieses Flugzeuges möglich.
Das DLR hat mit dem Forschungsflugzeug Antares die eigene Versuchsflugzeugflotte noch einmal aufgestockt. Sie war ohnehin schon die größte in Europa. Andreas Friedrich ist von den damit gegebenen Möglichkeit begeistert: „Der A320 bleibt unser Hauptversuchsträger, aber sein Einsatz ist teuer. Durch Antares kommen wir mit den unterschiedlichsten Systemen schneller in die Wirklichkeit.” Und das heißt natürlich in die Luft. Denn bis ein neues System die luftfahrttechnische Zulassung bekommt, müssen jede Menge Testreihen absolviert werden.
Antares wird dazu demnächst mit einer Hochtemperatur-Brennstoffzelle abheben und so unter realen Flugbedingungen Daten über deren Tauglichkeit liefern. Denn das Team um Andreas Friedrich will mit dieser energiestärkeren Version bis Ende 2011 in den großen Airbus. Selbstverständlich kann das vom DLR entwickelte Brennstoffzellensystem weit mehr, als nur Bordstrom liefern. Daran wird auch schon gearbeitet, man kann gespannt sein, was das Team um Andreas Friedrich damit noch so alles erreicht. – Robert Wouters -
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