Luftransport mit Wasserstoff

Online-Vorträge an der HAW Hamburg

Vergleich der Umweltwirkung (äquivalentes CO2) von Strahlflugzeugen mit Kerosin gegenüber Wasserstoffverbrennung, berechnet mit einem einfachen 1D-Klimamodell. Es wird unterstellt, dass bei der Wasserstoffverbrennung durch verschiedene Effekte Stickoxide nur noch 35 % und AIC nur noch 60 % ihrer üblichen Wirkung haben.

Ende September 2020 kam Airbus mit einer Nachricht an die Öffentlichkeit, die viel Aufsehen erregte: Bis 2035 will der Flugzeughersteller das erste emissionsfreie Verkehrsflugzeug entwickeln. Im Rahmen des Programms "ZEROe" werden Wasserstofftechnologien getestet, mit denen das emissionsfreie Fliegen Realität werden soll. Das Interesse am Thema Fliegen mit Wasserstoff war nach der Präsentation des Programms  enorm groß. Die AeroLectures.de an der HAW Hamburg organisierten innerhalb von wenigen Wochen  zwei Vorträge zum Thema. Den ersten Vortrag hielt Prof. Dr. Dieter Scholz am 19. November 2020. Ein zweiter Vortrag zum Thema folgte am 6. Mai 2021, gehalten von Dr. Bobby Sethi, Associate Professor der britischen Cranfield University. Beide Online-Vorträge machten das Potenzial von Wasserstoff als Antrieb für Passagierflugzeuge deutlich, zeigten aber auch die derzeit noch offenen Fragen auf.

Der erste Vortrag begann mit einem Blick in die Geschichte: Das erste Passagierflugzeug mit Wasserstoffantrieb war die russische TU-155, die 1988 zu ihrem Erstflug abhob. Von 2000 bis 2002 führte Airbus ein Konsortium im EU-Forschungsprojekt CRYOPLANE, das Alternativen zu fossilem Treibstoff untersuchte. Der EU-Bericht "Hydrogen-Powered Aviation" wurde im Mai 2020 veröffentlicht und legt die Basis für die heutigen Aktivitäten und Diskussionen.

Spätestens wenn die fossilen Energien knapp und teuer werden, werden andere Energieträger für die Luftfahrt benötigt. Synthetisches Kerosin hat den Vorteil, dass es im derzeitigen Luftverkehrssystem genutzt werden kann. Wasserstoff erfordert im Vergleich dazu eine neue Infrastruktur in der Luft und am Boden und damit hohe Investitionen. Der Wirkungsgrad bei der Umwandlung von Elektrizität in Wasserstoff beträgt etwa 58 %. Der Umwandlungswirkungsgrad für synthetisches Kerosin liegt bei nur 22 %. Bei gleich wirksamen Flugzeugen wird beim Fliegen mit Wasserstoff also die 1,7-fache Menge Energie benötigt, bezogen auf die elektrische Energie. Elektrische Energie ist pure wertvolle Exergie. Bei einem Vergleich muss daher der Primärenergiefaktor für die Stromproduktion im Jahr 2030 mit etwa zwei berücksichtigt werden. Damit beträgt der Faktor 3,4 für Wasserstoff und 9,2 für synthetisches Kerosin bezogen auf die Primärenergie. Für die Herstellung von synthetischem Kerosin benötigt man 2,7-mal so viel Energie wie für die Herstellung von Wasserstoff. Um die Energiemenge im Tank eines Airbus A350 einmal am Tag bereitzustellen, wären 52 Windräder mit 4,6 Megawatt Nennleistung erforderlich (Höhe etwa 250 Meter). Global gesehen müsste die Windenergiemenge mindestens verdoppelt werden, um den Bedarf einer Wasserstoffflotte zu decken. Synthetisches Kerosin ist damit keine flächendeckende Lösung. Dies erklärt, warum die Luftfahrt trotz der hohen Investitionen den Weg mit Wasserstoff gehen muss.

Wasserstoff hat den Vorteil gegenüber Kerosin, dass es ohne CO2 verbrennt. Allerdings sind die Nicht-CO2-Effekte der Verbrennung weiterhin vorhanden. Hier sind insbesondere die Stickoxide und Wasser in Form von Kondensstreifen und Kondensstreifen-Zirren (Aviation-Induced Cloudiness, AIC) zu nennen. Bei der Verbrennung von Kerosin dominiert bereits der Anteil der AIC und Stickoxide an der gesamten Umweltwirkung und macht circa zwei Drittel aus. In anderen Worten, die Umweltwirkung ist dreimal so groß wie vom CO2 allein. Drei Viertel der AIC entfallen etwa auf die Kondensstreifen-Zirren. CO2 ist extrem langlebig in der Atmosphäre und belastet dadurch auch noch zukünftige Generationen. Es wäre daher wichtig und fair, möglichst schnell auf eine Wasserstoffflotte umzustellen, um keine CO2-Altlasten zu hinterlassen. Die Wasserstoffverbrennung hat aber das fundamentale Problem, dass 2,6-mal so viel Wasser bei der Verbrennung der gleichen Energiemenge entsteht. Wasser ist dann ein Problem, wenn es in Form von AIC sichtbar wird. Kondensstreifen entstehen beim Wasserstoffflugzeug schon in geringeren Höhen und damit häufiger. Aufgrund der entfallenen Rußemissionen entstehen deutlich weniger, dafür aber größere Eiskristalle. Der Kondensstreifen hat dadurch eine geringere optische Dichte und die Kristalle fallen eher in tiefere Luftschichten. Es treten also entgegengesetzte  Effekte auf. AIC sind in Summe wärmend, können am Tag aber auch kühlend wirken.

Die Bildung von Stickoxiden bei der Verbrennung ist das Spezialgebiet von Dr. Bobby Sethi. In seinem Online-Vortrag machte er deutlich, dass Wasserstoff heißer verbrennt als Kerosin und mehr Stickoxide erzeugen würde, wenn man die Verbrennung nicht anpassen würde. Wasserstoff muss und kann magerer verbrannt werden. Dadurch sinkt die Menge an Stickoxiden gegenüber der Kerosinverbrennung. Ungünstig ist, dass bei angestrebtem geringen  Kraftstoffverbrauch durch erhöhtes Gesamtdruckverhältnis (Overall Pressure Ratio, OPR) die Menge an Stickoxiden pro Schub zunimmt. Durch eine Zuführung des Wasserstoffs über viele kleine Bohrungen (Micromix Combustion) soll die Stickoxidmenge weiter abgesenkt werden. Auch hier gibt es noch keine belastbaren Zahlenwerte.

Es ist jedoch möglich, die teils gegenläufigen Effekte der Wasserstoffverbrennung wohlwollend abzuschätzen und einem etablierten 1D-Klimamodell zuzuführen wie es im Flugzeugentwurf üblicherweise zur Anwendung kommt. Dieses Modell berücksichtigt nur den Höheneffekt von Stickoxiden und AIC und gilt für mittlere Breiten. Es kann damit abgeschätzt werden, dass die Umweltwirkung der Wasserstoffverbrennung bei üblichen Flughöhen etwa gleich groß ist wie die der Kerosinverbrennung – allerdings mit dem wichtigen Effekt der Vermeidung von CO2-Altlasten. Für Wasserstoffflugzeuge wäre es demnach noch wichtiger und auch noch wirksamer, klimaoptimierte Flugrouten zu wählen als für Kerosinflugzeuge. Das kann durch die Anpassung der Flughöhe erfolgen (in der Regel niedriger, an den Polen aber eventuell auch höher) oder durch das Umfliegen von eisübersättigten Regionen (Ice SuperSaturated Regions, ISSR). Sowohl die Flughöhenanpassung als auch die Umwege führen bei Kerosinflugzeugen zu leicht erhöhten CO2-Emissionen. Das ist bei Wasserstoffflugzeug nicht der Fall, weil grundsätzlich kein CO2 bei der Verbrennung entsteht. Eine leichte Erhöhung des Kraftstoffverbrauchs tritt natürlich schon ein.

Flugzeuge, die für den Betrieb mit flüssigem Wasserstoff ausgelegt sind müssen viermal so große Tanks aufnehmen können. Durch die großen Tanks ist mehr Struktur erforderlich und es ergibt sich ein Flugzeug mit einer größeren umspülten Oberfläche. Als Folge davon steigen der Nullwiderstand des Flugzeugs und die Leermasse. Die Abflugmasse des Flugzeugs ist in etwa gleich, weil der Kraftstoff bei gleicher Energiemenge nur ein Drittel der Masse hat. Allerdings ist die Landemasse höher im Vergleich zum Kerosinflugzeug. Gemittelt über den Flug wird also mit einem schwereren Flugzeug geflogen. Daher hat das Wasserstoffflugzeug einen höheren Energiebedarf und höhere Energiekosten und aufgrund der umfangreicheren Struktur und der technologischen Herausforderungen auch einen höheren Anschaffungspreis und höhere Wartungskosten. Dadurch steigen die Betriebskosten. Die Kostensteigerungen halten sich im Rahmen, sodass Fliegen weiterhin möglich bleibt.

So brachten die beiden Online-Vorträge den Teilnehmern das Thema Lufttransport mit Wasserstoff aus verschiedenen Perspektiven näher. Das pandemiebedingte Online-Format erhöht das Einzugsgebiet von Teilnehmern und damit die Teilnehmerzahl. Auch die Einbindung von internationalen Referenten gestaltet sich für die Organisatoren einfacher als bei Präsenzveranstaltungen.

 

Vortragsreihe an der HAW Hamburg: http://AeroLectures.de

Vortrag Scholz, 19.11.2020: https://doi.org/10.5281/zenodo.4301103

Vortrag Sethi, 06.05.2021: https://doi.org/10.5281/zenodo.4747806

Umweltwirkung "Fliegen mit Wasserstoff" (Grafik): https://doi.org/10.7910/DVN/DLJUUK

Vortrag zum Forschungsprojekt CRYOPLANE (2001): https://bit.ly/3waYxL1

EU-Bericht "Hydrogen-Powered Aviation" (2020): https://doi.org/10.2843/471510

Die Wirkungsgrade der Umwandlung von Elektrizität in Wasserstoff bzw. in synthetisches Kerosin wurden diesem Bericht entnommen.

 

Kontakt

Prof. Dr. Dieter Scholz, MSME

Leiter Aircraft Design und Systems Group (AERO)
Professor für Flugzeugentwurf, Flugzeugsysteme und Flugmechanik
Department Fahrzeugtechnik und Flugzeugbau
Berliner Tor 11
20099 Hamburg
T +49 40 181 19-881
http://www.ProfScholz.de
dieter.scholz (@) haw-hamburg.de

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