Wasserstoff-Brennstoffzellen (BZ) entwickeln sich zu einer möglichen Alternative zu Gasturbinen (GT)-Triebwerken in den unteren Leistungsklassen der Flugzeugantriebe. Die GT-Technologie bildet nach wie vor das Rückgrat fortschrittlicher Antriebssysteme für Großflugzeuge. Die BZ-Technologie könnte jedoch auch in diesen großvolumigen Marktsegmenten der Schlüssel zu deutlichen Emissionsreduktionen sein.
Die Festoxid-Brennstoffzelle (SOFC) – ein aussichtsreicher Technologiekandidat für einen Gasturbinen-Hybrid.
Daher untersuchen die Forscher*innen des Bauhaus Luftfahrt aktuell vielversprechende Kombinationen aus BZ- und GT-Technologie. Hierbei lassen sich drei Stufen der Systemintegration unterscheiden: ein einfaches, diskretes Parallelsystem, das lediglich die elektrische Leistung der BZ nutzt (Stufe 1), ein wasserintegriertes System, bei dem auch das Produktwasser der BZ eingesetzt wird, um die GT-Leistung zu erhöhen und die NOx-Emissionen drastisch zu senken (Stufe 2), und eine vollständig in den GT- Zyklus integrierte Anordnung, die auf eine vollständige Nutzung der thermischen Energie der BZ abzielt (Stufe 3).
In allen Fällen kann die elektrische Leistung der BZ genutzt werden, um verschiedene Verbraucher an Bord zu versorgen. Je nach Größe der BZ sind Szenarien denkbar, die von einer reinen Versorgung der vollelektrischen Subsysteme des Fluggeräts bis hin zu einem radikalen Antriebssystem mit einer einzigen GT reichen.
Erste Analysen zeigen: Ein Antrieb mit nur einer GT könnte für Flugzeuge im Kurz- / Mittelstreckensegment attraktiv sein. Hybride Antriebs- systeme, bei denen die BZ einen grenzschichteinsaugenden Rumpffan antreibt, könnten auf der Langstrecke hocheffizient sein. Bei hoher Temperatur betriebene Festoxid-Brennstoffzellen (SOFC) sind für BZ-GT-Hybridsysteme besonders geeignet. Dies wurde für wasserintegrierte Systeme gezeigt (siehe Studie zur Erstbewertung im Bauhaus Luftfahrt Jahrbuch 2021), gilt aber auch für GT-Zyklus-integrierte Varianten. Eine Kombination von SOFC-Technologie und Kraftstoffreformierung an Bord könnte sogar kerosinähnliche nachhaltige Flugkraftstoffe für BZ-GT-Hybridantriebe erschließen.
Drei Stufen der Brennstoffzellen-Gasturbinen-Systemintegration
Auf allen drei Stufen kann die elektrische Leistung der BZ genutzt werden, um verschiedene Verbraucher an Bord zu versorgen. Je nach Größe der BZ sind Szenarien denkbar, die von einer reinen Versorgung der vollelektrischen Subsysteme des Fluggeräts bis hin zu einem radikalen Antriebssystem mit einer einzigen GT reichen.
Wasserintegrierte Brennstoffzellen-Gasturbinen-Hybride
Nutzungsmöglichkeiten der elektrischen Leistung der Brennstoffzelle und Auswirkung ihres Produktwassers auf die NOx-Emissionen im Reiseflug.
Antrieb mit nur einer Gasturbine für den Kurz-/Mittelstreckenbereich
Auswirkungen auf die dimensionierende Leistung und den thermischen Wirkungsgrad der Gasturbine.
Glossar: FC / BC fuel cell / Brennstoffzelle, GT gas turbine / Gasturbine, NOx nitrogen oxides / Stickstoffoxide, SOFC solid oxide fuel cell / Festoxid-Brennstoffzelle