Was sind die größten Herausforderungen von Wasserstoff?

Bevor wasserstoffbetriebene Flugzeuge Realität werden, müssen die Herausforderungen in den Bereichen Wasserstoffspeicherung, Lieferkette und Infrastruktur bewältigt werden.

Wasserstoff hat eine dreimal höhere Energiedichte als Kerosin. Wasserstoffbetriebene Motoren produzieren kein Kohlendioxid und keine Stickoxide. Flüssiger Wasserstoff kann für den Verbrennungsprozess in Turbinentriebwerken verwendet werden.

Alternativ versorgt elektrische Energie, die durch Wasserstoff-Brennstoffzellen erzeugt wird, die Motoren mit Strom. Obwohl Wasserstoff eine vielversprechende Alternative zu Flugzeugtreibstoff ist, bleiben die größten Herausforderungen bestehen.

Eine der größten Herausforderungen von flüssigem Wasserstoff ist seine volumetrische Dichte. Da Wasserstoff deutlich leichter ist als Kerosin, ist seine Volumendichte viermal schlechter. Mit anderen Worten: Flüssiger Wasserstoff benötigt im Flugzeug viermal mehr Volumen als Kerosin. Daher stellt die Bordspeicherung von flüssigem Wasserstoff für Flugzeughersteller eine Herausforderung dar.

Kryoflaschen werden benötigt, um flüssigen Wasserstoff zu speichern und dabei das Volumen auf ein Minimum zu beschränken. Kryozylinder können Wasserstoff bei etwa -250 °C (-420 °F) speichern. Tiefkühltemperaturen erfordern spezielle Materialien, dickere Wände und eine ausreichende Isolierung zwischen den Flaschenstapeln.

Das erforderliche Gewicht von Wasserstoff beträgt möglicherweise nur etwa ein Drittel des Kerosins, aber der Bedarf an einem viel höheren Volumen erhöht das Strukturgewicht des Flugzeugs. Während Düsentreibstoff bequem in Flügeltanks gelagert werden kann, hätten Wasserstoffflaschen einen zu großen Durchmesser, um in Flügel zu passen.

Eines der älteren von Airbus vorgeschlagenen Kryoflugzeug-Designs bestand aus Wasserstofftanks im Rumpf über der Passagierkabine. Ein alternativer Entwurf sah auch große zylindrische Tanks vor, die an den Außenflügeln angebracht waren.

Wasserstoff schmilzt bei -434 Grad F (-259 Grad C) von fest zu flüssig und siedet bei -423 Grad F (-253 Grad C) in den gasförmigen Zustand. Der ideale Zustand zum Speichern und Verbrauchen von Wasserstoff ist der flüssige Zustand. Die Verflüssigung von Wasserstoff verbraucht fast ein Viertel seiner Energie, was die Gesamteffizienz des wasserstoffbasierten Systems verringert.

Es ist nicht nur wichtig, die Temperatur zu kontrollieren, sondern auch die Vermeidung von Leckagen während der Lagerung, des Transports und des Auftankens zu verhindern. Wenn die Temperatur -253 °C (-423 °F) übersteigt, kann sich im Tank eine Schicht aus Wasserstoffgas bilden. Beim Tanken kann gasförmiger Wasserstoff durch Verdampfung verloren gehen.

Obwohl Wasserstoff aufgrund seiner Ungiftigkeit in die Atmosphäre abgegeben werden kann, bedeutet dies zweifellos einen Verlust potenzieller Energie, wenn er nicht richtig gehandhabt wird.

Wasserstoff verbrennt viel schneller als Erdgas und erfordert einen kontrollierten Verbrennungsprozess. Airbus schlägt in seinem ZEROe-Projekt Wasserstoff als „Kraftstoff“ für die Verbrennung als eine der Anwendungen der Wasserstofftechnologie vor. In einem solchen Fall muss eine aktive Verbrennungskontrolle erzwungen werden, um eine breitere Entflammbarkeit und hohe Verbrennungsgeschwindigkeit von Wasserstoff zu berücksichtigen.

Bemerkenswert ist, dass die Verwendung von Wasserstoff als Beimischung von etwa 15–20 % zu Erdgas mit der vorhandenen Technologie machbar ist. General Electric betreibt zahlreiche Gasturbinen, die die Stromerzeugung mit unterschiedlichen Wasserstoffkonzentrationen unterstützen.

Eine weitere Herausforderung ist der Aufbau der Infrastruktur für wasserstoffbetriebene Flugzeuge. Während Airbus davon ausgeht, bis 2025 den technologischen Reifegrad für ein Antriebssystem mit Wasserstoffverbrennung zu erreichen, kann die Schaffung der Infrastruktur komplex sein.

Der sichere und wirtschaftliche Transport des flüchtigen flüssigen Wasserstoffs zu weltweiten Standorten wird eine logistische Herausforderung sein. Darüber hinaus würden Sicherheitsparameter im Zusammenhang mit der regelmäßigen Handhabung, Lagerung und Betankung von Flugzeugen strenge Vorschriften erfordern. Flughäfen weltweit müssen ihre Infrastruktur für die Bereitstellung und Speicherung von Wasserstoff neu erfinden.

Während die Hersteller umfangreiche Untersuchungen zum Einsatz der Wasserstofftechnologie zum Antrieb von Flugzeugen durchführen, müssen Herausforderungen in den Bereichen Wasserstoffspeicherung, Lieferkette und Infrastruktur bewältigt werden.

Glauben Sie, dass Flugzeughersteller effiziente Lösungen für die Herausforderungen der Wasserstofftechnologie finden werden? Teilen Sie es uns im Kommentarbereich mit.

Autor – Omar ist ein Luftfahrt-Enthusiast und hat einen Doktortitel. in Luft- und Raumfahrttechnik. Omar verfügt über zahlreiche Jahre Erfahrung in Technik und Forschung und möchte sich auf forschungsbasierte Luftfahrtpraktiken konzentrieren. Neben der Arbeit liebt Omar das Reisen, den Besuch von Luftfahrtstandorten und das Beobachten von Flugzeugen. Sitz in Vancouver, Kanada