FLUG REVUE Februar 1977: Wasserstoff für den Flugzeugantrieb?

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Warum erst übermorgen?

Wasserstoff als Flugzeugantrieb

Aus dem Bereich der Luftfahrt-Technik hört man in diesen Tagen wieder unterschiedliche Meinungen zum Thema Wasserstoff. Die einen sagen: Wasserstoff kommt bestimmt. Oder: Das ist nur eine Frage der Zeit. Besonders für den Antrieb von Überschallflugzeugen erwarten wir eines Tages Triebwerke, die mit Wasserstoff angetrieben werden. Aber andere Fachleute, z. B. aus der DFVLR, äußern sich skeptisch.

Worauf warten die Befürworter? Wird Wasserstoff tatsächlich die Energiequelle der Zukunft sein, wenn die Ölquellen eines Tages versiegen? Bei Daimler-Benz gibt es ein Versuchsauto, das mit Wasserstoff betrieben wird. Es gibt Modellrechnungen für den Antrieb eines Airbus mit Wasserstoff. VFW hat Vergleichsrechnungen zwischen Wasserstoff und konventionellem Kerosin für den Flugzeugantrieb aufgestellt, und auch die Amerikaner haben für die Verwendung von Wasserstoff umfangreiche Vorstellungen. (Sie haben schon vor 20 Jahren (!) versuchsweise einen Motor einer Martin B-57 mit Wasserstoff angetrieben.)

Andererseits spricht die Technik vom Jahre 2000 als einem wahrscheinlichen Termin für die Einführung von Wasserstoff. Da der Grundstoff für H, Wasser ist, das praktisch unbegrenzt zur Verfügung steht, drängt sich die Frage auf: Warum noch 25 Jahre zusehen, wie das knapper werdende Öl immer teurer und teurer wird? Offensichtlich sind die Probleme beachtlich. Problemstellung Nr. 1 Wie kann man H2 in großen Mengen - und im Vergleich zum Öl - einigermaßen preiswert herstellen? Problem Nr. 2: Wie kann man H2 lagern? Problem Nr. 3: Wie kann man es im Flugzeug unterbringen?

Das Problem der Herstellung

Zur Wasserstofferzeugung braucht man Energie. Es muß sogar ein dreimal größerer Energiebetrag bei der Herstellung aufgewendet werden, als H2 wieder abgibt. Um beispielsweise den gesamten Energiebedarf der Bundesrepublik mit Wasserstoff zu decken, würde man 300 bis 400 Kernkraftwerke benötigen, die für diesen Zweck entsprechende Mengen Elektrizität anbieten müßten. Uran-Reserven in derartigen Größenordnungen stehen aber gar nicht zur Verfügung.

Schon aus diesem Grund wird Wasserstoff wohl kaum Erdöl und Erdgas ersetzen können. Außerdem ergibt bei heutigen Methoden der hohe Energiebedarf einen Preis, der im Vergleich zum Öl viel zu hoch liegt.

Trotzdem geben viele Fachleute dem H2 gute Chancen für den Antrieb von Flugzeugen und Fahrzeugen. Obgleich es verschiedene Wege gibt, H2 herzustellen, bietet sich für die großtechnische H2-Erzeugung bisher nur das Wasser-Elektrolyseverfahren an, bei dem Wasserstoff aus Wasserdampf gewonnen wird. Der Energiebedarf müßte von Hochtemperatur-Reaktoren kommen. Entsprechende Großanlagen gibt es jedoch noch nicht, und man glaubt, daß die Forschung mindestens 15 Jahre für eine entsprechende Darstellung benötigen wird. Also: Vor Anfang der neunziger Jahre ist mit dem Treibstoff H2 nicht zu rechnen.

Mit der Möglichkeit, Wasserstoff in großen Mengen und unter bestimmten Voraussetzungen eventuell sogar zu annehmbaren Preisen herzustellen, wäre aber erst eines von vielen Problemen gelöst: Das nächste Sorgenkind in der Problemreihe ist die Speicherung, die Lagerung am Boden also - z. B. am Flughafen - und auch die Speicherung im Flugzeug selbst.

Normalerweise ist Wasserstoff gasförmig und für die Lagerung deshalb viel zu voluminös. Man müßte also H2 verflüssigen (auch dafür sind wieder große Energiemengen, die den Produktpreis beeinflussen, nötig). Aber das verflüssigte H2 hat den Nachteil, daß es nur bei –252 Grad Celsius aufbewahrt werden kann. Steigt die Temperatur, so verdampft der Wasserstoff. Die Tanks müßten also wie überdimensionale Thermosflaschen konstruiert sein. Im Flugzeug müßte man dementsprechend Doppelwandrohre und Spezialventile vorsehen. Erfahrungen aus der Raumfahrt können hier den Konstrukteuren helfen.

Die zweite Möglichkeit zur Speicherung von Wasserstoff ist der Kryoabsorber. Es handelt sich dabei um eine Absorptionsspeicherung, bei der aktivspeicherfähige Elemente zur Bindung des H2 verwendet werden. Ein guter Absorber für H2 ist z. B. Aktivkohle mit einem Speicherwirkungsgrad von 61 %.Unter Speicherwirkungsgrad ist die thermische Güte des Stoffes zu verstehen, d. h. die Fähigkeit zur Abführung der Absorptionswärme. Ein weiterer guter Kryoabsorber ist Nickelsilikat mit 43% Wirkungsgrad.

Die Speicherung im Kryoabsorber mag für den Antrieb von Landfahrzeugen brauchbar sein. Für die Luftfahrt jedoch kommt wohl nur Wasserstoff in flüssiger Form in Frage.

Bezüglich des Sicherheitsrisikos bei H2 wurde in letzter Zeit in Veröffentlichungen von Explosionsgefahren gesprochen. Es stimmt zwar, daß chemische Explosionen bei H2 nicht grundsätzlich ausgeschlossen werden können. Primäre und sekundäre Sicherheitsvorkehrungen wären fraglos erforderlich.

Für eine Explosion sind prinzipiell drei Vorbedingungen nötig:
1. Vorhandensein eines oxydierbaren Stoffes (als H2 vorhanden).
2. Vorhandensein eines Oxydationsmittels (als Luft vorhanden).
3. Vorhandensein einer Zündquelle.

Da bei der Handhabung von H2 prinzipiell alle drei Voraussetzungen vorhanden sind, muß die Möglichkeit einer Explosion als gegeben angesehen werden. Bei der Explosion sind zwei Arten zu unterscheiden: die Deflagration (auch Verpuffung) und die Detonation. Bei der Deflagration bewegt sich die Reaktions front mit Unterschallgeschwindigkeit, bei der Detonation hingegen mit Überschallgeschwindigkeit.

Bei der Zündung eines H2/Luft-Gemisches durch elektrische Funken tritt im allgemeinen keine Detonation auf, da die Zündquelle punktförmig ist und sich die Flammenfront kugelförmig ausbreitet. Bei der Flammenzündung hingegen entstehen von Beginn an hohe Flammgeschwindigkeiten mit der Möglichkeit zur Flammfrontbeschleunigung durch Turbulenzen oder durch Fokussierung von Stoßwellen (Überschall!). Damit ist die Voraussetzung für eine Detonation gegeben.

Grundsätzlich ist zwischen Explosion in der freien Atmosphäre (Explosion in der freien Wolke) und in geschlossenen Behältern und Rohren zu unterscheiden. Bei Explosionen in geschlossenen Behältern treten große Druckanstiege auf, wobei die Enddrucke immer gleich sind - unabhängig von der Behälterform und Größe. Lediglich die Zeit bis zum Erreichen des Enddruckes hängt von der Behältergröße ab. Bei ruhendem Medium wurde ein mittlerer Explosions-Enddruck von 7,2 bar bei Normaltemperatur festgestellt.

Dieser Wert ist aber abhängig vom Vordruck und von der Ruhetemperatur des Mediums. Im allgemeinen treten in Behältern keine Detonationen auf, doch können Einbauten im Behälter zu Turbulenzen führen, die ihrerseits eine höhere Flammgeschwindigkeit erzeugen. Die Drucke bleiben in diesem Fall aber fast gleich, da durch die Turbulenzen ein Energieabbau eintritt.

Die Verbrennungsgeschwindigkeit in der Flammfront liegt für H2 bei ca. 2 m/sec, in Turbulenzen jedoch höher. Bei Explosionen in axial durchströmten Rohren liegen die Verhältnisse anders. Bei einem kurzen, einseitig offenen Rohr (H2/Luft-Gemisch vorhanden) entsteht bei Zündung am offenen Ende eine laminare Verbrennung mit gleichmäßiger Flammfront ohne Detonation.

Bei langen, einseitig offenen Rohren entsteht - z. B. bei Zündung am geschlossenen Ende - ein Verdrängungseffekt der Flammfront auf das Frischgas. Dadurch entstehen Turbulenzen und Vorkompressions-Effekte mit Temperaturerhöhung, die zu einem Wellenaufstau und zu Detonationen führen können. Grenzschichteffekte erhöhen ebenfalls eine Detonation infolge höherer Turbulenzgrade.

Die Drucke in Rohren bei Explosion eines H2/Luft-Gemisches liegen ungefähr bei 20 bar. Die Anlaufstrecke bis zur Explosion bzw. Detonation in Rohren beträgt ca. 30 m, jedoch ist dies von den einzelnen Parametern abhängig.

Die Explosion in der freien Wolke (z. B. bei Verschütten von Flüssigwasserstoff oder Ausströmen von Wasserstoffgas) ist noch ungenügend erforscht. Die Möglichkeit einer Detonation ist umstritten. Das Fazit ist, daß alle Sicherheitsaspekte im Zusammenhang mit H2 beherrschbar sein werden. Trotz der vielen Probleme der Herstellung und Lagerung, die eingangs angeschnitten wurden, und trotz möglicher Sicherheitsrisiken, wie sie hier etwas näher erläutert wurden, glauben nach wie vor viele Fachleute - besonders in Amerika-, daß H2 als Flugkraftstoff eines Tages Verwendung finden wird.

Was die Triebwerke angeht, wird man bei der Umstellung von Kerosin auf H2 natürlich auch auf einige Schwierigkeiten stoßen, deren Ausmaße noch nicht übersehbar sind. Andererseits sind auch viele Vorteile beim Verbrennungsvorgang von H2 bekannt. Prinzipiell jedenfalls wird die Umstellung möglich sein.

H2-Lagerung im Flugzeug

Die Dichte des flüssigen Wasserstoffes liegt bei nur einem Elftel der Dichte des Kerosins. Aber deshalb müßten Wasserstofftanks im Flugzeug nicht elfmal so groß sein. Der Heizwert von H2 ist nämlich dreimal so groß wie der Heizwert des Kerosins. Und das ist der fundamentale Vorteil, den Wasserstoff gegenüber Kerosin hat. Der spezifische Treibstoffverbrauch wäre bei der Verwendung von Wasserstoff sehr viel günstiger. Immerhin viermal so groß wie heute müßten die H2 Tanks sein. Und da sich wenige große Tanks besser gegen Kälteverlust isolieren lassen als viele kleine Tanks, käme eine Anordnung der Tanks in konventionellen Tragflächen kaum in Frage, ausgenommen im Deltaflügel. Die Alternative: Große Tanks vor und hinter der Passagierkabine oder Gondeltanks auf den Tragflächen.

Warum, so wird sich nach Einsicht dieser vielen Probleme mancher fragen, befaßt man sich denn trotzdem mit dem Wasserstoffantrieb? Die Antwort ist simpel. Verglichen zu H2 sind andere Alternativen zu Kerosin, wie z. B. Methanol, noch weniger empfehlenswert. Ein sehr großer Vorteil übrigens bei Verwendung von H2: keine Schadstoffe. Also keine Umweltverschmutzung, kein CO2„ kein Rauch, kein Schwefel und keine der anderen lästigen Rückstände bei der Kerosinverbrennung. Die Forderungen des Umweltschutzes nach industriellen Prozessen, die wir in der Natur im geschlossenen Kreislauf ablaufen, werden bei der H2-Verbrennung in einer idealen Form des Recycling erfüllt, denn das Verbrennungsprodukt ist identisch mit dem Rohstoff.

Die ersten Nutznießer von H2 als Flugkraftstoff werden voraussichtlich amerikanische Überschallflugzeugesein, denn für das komplizierte Lagerungsverfahren werden Flüssigwasserstoff-Depots wahrscheinlich nur an wenigen Großflughäfen rentabel sein. Für die Verwendung von H2, im Unterschallbereich hat die deutsche Industrie zwar schon Modellrechnungen, bisher jedoch nur für Langstreckenflugzeuge und Großraum-Mittelstreckenflugzeuge aufgestellt.

Für den Airbus hat man die Möglichkeit der Verwendung von Flügelendtanks durchgerechnet. Bei einem Tankgewicht von 3,8 Tonnen und einem Gondelgewicht von 3,4 Tonnen können 12,8 Tonnen Flüssigwasserstoff aufgenommen werden. Trotz des Mehrgewichts von 7 Tonnen kann eine Gesamtgewichts einsparung von ca. 7 Tonnen (Mindestgewicht gegenüber Kerosin-Zuladung) erreicht werden. Dieses Mindergewicht kann entweder in Nutzlast oder Reichweite (mehr Kraftstoff) umgesetzt werden.

Solche Projekte für umgerüstete Flugzeuge sind natürlich nur als Übergangslösung anzusehen. Speziell für die Verwendung von Flüssigwasserstoff konstruierte Flugzeuge würden zu besseren Ergebnissen führen, da man die Vorteile des H2-Betriebs konstruktiv umsetzen kann (z. B. leichteres Flugzeug und damit geringere Flügelfläche, kleinere Triebwerke etc.).

Für umgerüstete Flugzeuge rechnet VFW aus, daß die DOC (Direct Operating Costs) bei ca. 4000 km für ein LH2-Flugzeug und ein konventionelles Jet-A-Flugzeug gleich sein werden, wobei für –H2 ein Preis von 1 DM/kg und für Jet-A 0,4 DM/kg angesetzt wurden.

Die Anordnung der Tanks im Rumpf wird hauptsächlich von amerikanischen Herstellern untersucht, während die deutschen Hersteller offenbar den anderen Lösungen den Vorzug geben. Die Tanks könnten sowohl als normale Einbautanks als auch in Form von Integraltanks ausgeführt werden. Die Wärmeabschirmung der Tanks kann in Form von porenfreiem Hartschaum (z. B. Polyurethan) als Außenummantelung oder als Innenauskleidung erreicht werden oder durch eine Doppelwandkonstruktion der Tanks (hohes Gewicht) mit einer entsprechenden Ausfüllung des Zwischenraumes zwischen den Wänden mit einem Wärmedämmstoff.

Mit Hilfe dieser Auslegung und der relativ geringen Verweildauer des H2 im Flugzeug (max. ca. 11 - 12 Stunden) könnten die Verdampfungsverluste relativ klein gehalten werden. Dennoch auftretende H2 Dampfmengen können entweder in einem APU verwendet werden (am Boden) oder durch geeignete Anlagen zurückgekühlt werden. Es wäre auch denkbar, daß die Motoren der mit LH2 betriebenen Flugzeuge sowohl H2-Dampf als auch flüssiges H2 verarbeiten können. LH, könnte auch in der Air Conditioning-Anlage und zur Kühlung von Motorteilen angewendet werden.

Während in Europa in letzter Zeit die Stimmen der Skeptiker zunehmen, scheint man in den USA noch weiter auf positivem Kurs zu sein. Vor wenigen Wochen erst erhielt die Lockheed California Co. von der NASA einen Millionen-Auftrag zum Studium der Verwendung von LH2 bei Unterschallflugzeugen.

Viele Fachleute befürchten, daß die Verknappung von konventionellen Treibstoffen eher eintreten wird, als meist angenommen wird. Wenn sie recht behalten, wird es tatsächlich bald Zeit, die Entwicklung zur Verwendung von H2 mit Nachdruck über das jetzige Stadium der Grundlagenforschung und der Modellrechnung hinaus voranzutreiben.

In den sechziger Jahren wurde noch viel vom Hyperschall-Transport gesprochen. Um dieses Thema ist es still geworden, denn die Kopfschmerzen, die der Überschalltransport mit sich brachte, sind noch lange nicht überwunden. Trotzdem wird immer wieder darauf hingewiesen, daß flüssiger Wasserstoff für den Antrieb von Hyperschallflugzeugen geradezu prädestiniert sei: Er würde den zusätzlichen Vorteil bieten, daß man die aerodynamisch erhitzte Zelle mit Treibstoff kühlen könnte. Da mit der Verwendung von Wasserstoff als Antrieb von Unter- und Überschallflugzeugen frühestens in den letzten Jahren unseres Jahrhunderts gerechnet werden kann, dürfte allerdings der Traum von Wasserstoff angetriebenen Hyperschalltransportern sicherlich erst Jahrzehnte später Wirklichkeit werden. W. H. Kuhl

Last updated 4 April 2002

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