Neben der bekannten Möglichkeit, Wasserstoff in klassischen Gasturbinentriebwerken zu verbrennen, tragen die technologischen Fortschritte bei elektrochemischen Energiewandlern zur dynamischen Entwicklung wasserstoffbasierter Visionen für den zukünftigen Luftverkehr bei. Die Fähigkeit, neuartige Technologiekonzepte früh systemisch bewerten zu können, ist daher von entscheidender Bedeutung für eine klare Orientierung weitergehender Forschung und Entwicklung.
Forscher*innen des Bauhaus Luftfahrt haben nun eine erste technische Bewertung einer synergetischen Kombination aus Brennstoffzellen- und Gasturbinentechnologie vorgenommen, die im Bauhaus-Luftfahrt-Jahrbuch 2020 erstmals vorgestellt wurde. Das vorgeschlagene Hybridkonzept nutzt den von einer Brennstoffzelle erzeugten Wassermassenstrom, um den Wirkungsgrad, die Leistung und die NOx-Emissionseigenschaften des Gasturbinentriebwerkes durch Dampfeinspritzung in der Brennkammer zu verbessern.
In der integrierten Designstudie für eine künftige Wasserstoffanwendung auf der Kurz-/Mittelstrecke wurden neueste, im Labormaßstab erfolgreich getestete Brennstoffzellentechnologien mit moderner Gasturbinentechnologie kombiniert. Für ein optimales Design auf Festoxidbrennstoffzellenbasis wurden Kraftstoffeinsparungen von etwa 7 % ermittelt. Das optimale Systemdesign weist hierbei einen Gesamtleistungsanteil von 43 % für die Brennstoffzelle auf, was zu einem Wasser-LuftVerhältnis von 6 % in der Gasturbine führt und eine Verringerung der NOx-Emissionen im Reiseflug um rund 60 % bewirkt. Die festgestellten erheblichen Emissionseinsparungspotenziale motivieren weitere, detaillierte Untersuchungen dieses Hybridantriebes.
Schematische Darstellung des untersuchten Hybridkonzeptes
Die untersuchte Konfiguration besteht aus einem Brennstoffzellensystem und zwei Gasturbinen. Das Produktwasser der Brennstoffzelle wird durch einen Prozess aus Kondensation, Flüssigbedruckung und Verdampfung für die Gasturbineneinspritzung aufbereitet.
Flugzeugintegrierte Bewertungsergebnisse für Hybridkonzept
Abhängigkeit des Flugzeug-Kraftstoffverbrauchs von der Antriebsleistungsaufteilung für ausgewählte Brennstoffzellentechnologien: Der untersuchte SOFC-Technologiefall zeigt etwa 7 % Verbesserung bei 43 % Leistungsanteil.