Wasserstoffflugzeug

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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 mit einem Triebwerk fliegt, das durch Wasserstoff angetrieben wird. Unternehmen und Einrichtungen wie Tupolev, Boeing, das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR), Lange Aviation und Airbus erforschen den Wasserstoffantrieb für bemannte und unbemannte Flugzeuge.

Vorteile[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Da Wasserstoff bei gleicher Masse das 2,8fache 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.

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 des Kyoto-Protokolls 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[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Das Volumen von Wasserstoff ist auch im flüssigen Zustand noch viermal größer als das von Kerosin. Das 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.

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 selber 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 aus Solarstrom ist bei Überkapazitäten wirtschaftlich (Windgas).

Entwicklungen[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Tupolew Tu-155[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

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.

Boeing[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

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

Ab Februar 2008 testete Boeing mit der Phantom Works (Kennung: EC-003) auf Basis einer Diamond HK36 ein bemanntes Elektro-Flugzeug, das durch Strom aus einer Batterie und einem Brennstoffzellensystem angetrieben wurde.[1] Die Leistungsabgabe der Brennstoffzelle war dabei für den Horizontalflug ausgelegt. Der Steigflug erfolgte mit zusätzlicher Energie aus einer Lithium-Ionen-Batterie.[2]

Im Juli 2010 stellte Boeing den wasserstoffgetriebenen Phantom Eye vor, ein ausdauerndes, unbemanntes Aufklärungsflugzeug für große Höhen. Das Antriebssystem besteht aus zwei Verbrennungsmotoren die mit Wasserstoff angetrieben werden.[3]

Antares DLR-H2[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Das von Brennstoffzellen angetriebene Elektro-Flugzeug Antares DLR-H2

Das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) hat auf Basis einer Antares 20E der Lange Aviation mit der Antares DLR-H2 das weltweit erste bemannte und ausschließlich mit Brennstoffzellen angetriebene Flugzeug entwickelt. Die Maschine wurde im September 2008 vorgestellt. Der offizielle Erstflug erfolgte am 7. Juli 2009 in Hamburg. Die Maschine hat in zwei zusätzlichen Außenlastbehältern einen Wasserstofftank und ein hocheffizientes Brennstoffzellensystem. Mit einer maximalen Leistung von 25 kW und einer Dauerleistung von über 20 kW wird damit ein 42 kW bürstenloser Elektromotor betrieben. Die Gesamteffizienz beträgt rund 44 %.[4]

Antares H3[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Das DLR und die Lange Research Aircraft GmbH entwickelten den Motorsegler Antares H3, der bei einer Flugdauer von 50 Stunden eine Reichweite von 5500 km erreichen sollte. Dabei sollten Nutzlasten von bis zu 200 kg getragen werden, die Abflugmasse betrug 1500 kg. Elektromotor und Brennstoffzelle waren zum Antrieb vorgesehen, mit Wasserstofftanks in 4 stromlinienförmigen Behältern unter den Tragflächen. Als Basis für die Entwicklung diente der bereits seit 2004 fliegende Elektrosegler Antares 20E und das Wasserstoffflugzeug Antares DLR-H2.[5] In einer weiteren Ausbaustufe sollte das Flugzeug auch unbemannt fliegen. Der Erstflug war für 2011 geplant, wurde jedoch nicht durchgeführt.[6][7][8]

HY4[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Das Wasserstoff-Brennstoffzellen-Flugzeug HY4 beim Erstflug am 29. September 2016 über dem Flughafen Stuttgart

Das DLR stellte der Öffentlichkeit am 12. Oktober 2015 das Konzept eines viersitzigen Wasserstoffbrennstoffzellen-Passagierflugzeuges HY4 vor. Dieses wird mit Partnern aus öffentlichen Forschungseinrichtungen, Universitäten und Industrie entwickelt und kann bei einer Reisefluggeschwindigkeit von 165 km/h eine Strecke von 750…1500 km je nach Speichertechnologie zurücklegen.[9] Am 29. September 2016 gelang der Erstflug.[10][11]

Das Cryoplane-Projekt[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

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.

Das Hydrogenius-Projekt[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

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 wird in einer Brennstoffzelle in Strom umgewandelt; ein Elektromotor treibt die Luftschraube an. Damit gelang dem Team um Rudolf Voit-Nitschmann im Jahr 2006 der Gewinn des Berblinger-Flugwettbewerbs der Stadt Ulm.[12]

Siehe auch[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Weblinks[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

 Commons: Wasserstoffflugzeuge – Sammlung von Bildern

Einzelnachweise[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

  1. Ion tiger hydrogen UAV. Sciencedaily.com, 15. Oktober 2009, abgerufen am 12. Dezember 2010.
  2. DLR Boeing testet Wasserstoff-Flugzeug. Erstmals mit Pilot. In: Kronenzeitung. Krone Multimedia GmbH & Co KG, 4. April 2008, abgerufen am 3. Oktober 2016.
  3. Boeing's 'Phantom Eye' Ford Fusion powered stratocraft. The Register, 13. Juli 2010, abgerufen am 14. Juli 2010.
  4. DLR Institut für Technische Thermodynami: 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.
  5. Lange Aviation: Forschungsflugzeuge, abgerufen am 27. Januar 2017.
  6. 50 Stunden Flugdauer mit Antares H3 HZwei-Magazin für Wasserstoff und Brennstoffzellen, Blogeintrag 17. November 2010, abgerufen am 27. Januar 2017.
  7. Lange Aviation: Antares H3 – Lange und DLR entwickeln zweite Generation des Brennstoffzellenflugzeugs (Memento des Originals vom 17. Dezember 2010 im Internet Archive) i Info: Der Archivlink wurde automatisch eingesetzt und noch nicht geprüft. Bitte prüfe Original- und Archivlink gemäß Anleitung und entferne dann diesen Hinweis.@1@2Vorlage:Webachiv/IABot/www.lange-aviation.com, Erstflug „für 2011 geplant“, abgerufen am 8. September 2013.
  8. H2international – Launch of Emission-Free Passenger Aircraft Hy4, abgerufen am 29. September 2016.
  9. H2Fly-Website, abgerufen am 29. September 2016.
  10. DRL Presse Portal – Emissionsfreier Antrieb für die Luftfahrt: Erstflug des viersitzigen Passagierflugzeugs HY4, abgerufen am 29. September 2016.
  11. 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]).
  12. Mit Batterieantrieb in die Lüfte. In: uni-stuttgart.de. 13. April 2011, abgerufen am 29. Januar 2017.