Umweltfreundliche Antriebstechnologien
Im Rahmen des nationalen zivilen Luftfahrtforschungsprogramms (LuFo) betreut die Fachabteilung Umweltfreundliche Antriebstechnologien Forschungsprojekte mit Bezug zu alternativen, meist wasserstoffbasierten und/oder (hybrid-)elektrischen Antriebssystemen sowie zu konventionellen Antriebstechnologien aus dem Bereich der Fluggasturbinen.
Die Schwerpunkte liegen dabei insbesondere auf der Steigerung der Antriebseffizienz bzw. auf der Verringerung klimarelevanter Emissionen sowie der Vermeidung von Nicht-CO2-Effekten. Erreicht werden soll dies bspw. durch die Verwendung neuartiger Energieträger wie Wasserstoff sowie durch eine zunehmende Hybridisierung und Elektrifizierung der Antriebe. Im Bereich der konventionellen Luftfahrtantriebe sollen Effizienzsteigerungen u.a. durch die Verwendung neuer (hochtemperaturfester) Werkstoffe sowie die Erforschung und Entwicklung fortschrittlicher Kreisprozesse erreicht werden. Darüber hinaus beschäftigt sich das Fachgebiet mit neuen Simulations-, aber auch Fertigungs- und Reparaturverfahren für klimafreundliche Luftfahrtantriebe.
Beweggründe für die Forschung
Um die Anforderungen und Ziele des Green Deals der EU-Kommission sowie des Klimaschutzgesetzes der deutschen Bundesregierung zu erfüllen und die gesellschaftliche Akzeptanz zu stärken, sind in Abstimmung mit den Förderprogrammen der EU (Horizon Europe, Clean Aviation) intensive Anstrengungen zur Vermeidung klimaschädlicher Emissionen sowie zur weiteren Reduzierung des Material- und Ressourcenverbrauchs in der Produktion notwendig. Die erwartete Zunahme des Luftverkehrsaufkommens und die Einbindung neuer unbemannter Fluggeräte in den Luftraum wird zukünftig nur durch effizientere und klimafreundliche Lufttransport- und Produktionssysteme bedient werden können. Neuartige Kreisprozesse bspw. unter Zufuhr und Rückgewinnung von Wasser oder die zunehmende Hybridisierung klassischer Flugantriebe bieten ein signifikantes Potential für Effizienzsteigerungen und ermöglichen somit die Reduktion sowohl des Ausstoßes von klimaschädlichen Treibhausgasemissionen als auch der Nicht-CO2-Effekte. Insbesondere die Verwendung von alternativen Energieträgern in Form von brennstoffzellenbasierten oder Wasserstoffverbrennungskonzepten stellen Schlüsselaspekte für die zeitnahe Realisierung zukunftsfähiger und klimafreundlicher Antriebssysteme dar.
Aktuelle Forschungsschwerpunkte
Zur Erreichung der internationalen und nationalen Klimaziele ist die Erforschung von alternativen klimafreundlichen Antriebssystemen ein wesentlicher Baustein. Hierbei stehen die Verwendung von neuen Energieträgern und die Umsetzung neuer Prozesse im Vordergrund, die dediziert auf eine Reduzierung der luftfahrtinduzierten Klimawirkung abzielen. Die aktuellen Forschungsschwerpunkte im Bereich der alternativen Antriebssysteme lassen sich wie folgt zusammenfassen:
- Verbesserung der Leistungsparameter von Brennstoffzellen
- Kühlkreislauf/Thermalmanagement von brennstoffzellenbasierten Antriebssystemen
- Brennstoffzellen- und Kühlsystemintegration
- Wasserstoffdirektverbrennung sowie Technologien zur Multi-Fuel-Fähigkeit
- Methoden für die Wasserrückgewinnung und -abscheidung
- Entwicklung tauglicher volumen- und gewichtssparender Energiespeicher mit Pumpen, Ventilen oder Verteilsystemen für LH2
- Werkstoffalterungsprozesse, insbesondere unter H2-Einfluss
- Energiemanagement (hybrid-)elektrischer Systeme
- Supraleitungstechnik und kryogene Systeme
Auf dem Gebiet der konventionellen Luftfahrtantriebe werden Themen aus den Bereichen der Reduzierung des Kraftstoffbedarfs sowie der Effizienzsteigerung in der Auslegung, Entwicklung und Überholung von Antriebssystemen gefördert. Es werden folgende Forschungsschwerpunkte adressiert:
- Effiziente Propulsoren (open fan, counter-rotating open rotor (CROR), boundary layer ingestion (BLI), electric distributed propulsion (eDP) etc.)
- Erhöhung der Leistungsdichte durch kompakte Kerntriebwerke sowie leichte und effiziente Niederdrucksysteme (Getriebe, Niederdruckturbine, variable Düse)
- Maßnahmen zur Lärmreduzierung und aktiven Verbesserung der Aerodynamik
- Emissionsarme Brennkammern
- Neue thermodynamische Kreisprozesse
- Neuartige Kühlkonzepte (intermittierend, Transpirationskühlung)
- Hybridisierungskonzepte
- Qualifizierung leistungsfähiger Werkstoffe (keramische / metallische Hochtemperaturwerk-stoffe, Faser-Kunststoff-Verbunde)
- Fortschrittliche Fertigungsverfahren (Additive Manufacturing, ECM, Automatisierung, Fügeverfahren, Reparaturverfahren etc.)
- Verbesserung der numerischen Auslegungs- und Bewertungstools in der Methoden-Entwicklung (Optimierung, skalenauflösende Simulation CFD/FEM, ROM, Vorauslegungswerkzeuge, multiphysics simulation)
- Nutzung von Big Data, virtuelles Triebwerk, digitaler Zwilling (predictive maintenance, KI-basierte Simulation, Design-Feedback)
Neben den oben genannten Technologien befasst sich die Fachabteilung Umweltfreundliche Antriebstechnologien des Projektträgers Luftfahrtforschung mit Projekten aus dem Kontext des UpLift-Programms des Bundesministeriums für Wirtschaft und Klimaschutz zur Beschleunigung der Entwicklung klimafreundlicher Technologien unter Nutzung der dafür eingerichteten Versuchsplattformen. Die Forschungsschwerpunkte dabei lauten bspw.:
- Erprobung und Validierung von brennstoffzellenbasierten Antriebssystemen unter realistischen Einsatzbedingungen
- H2-Speicherintegration, H2-Verteilsysteme
- H2-Direktverbrennung
- Thermalmanagementsystem einschließlich Kühlsystemintegration
- Validierung Kondensator/Wasserabscheider, Wasserhandling
- Steuerung und Avionik
- Werkstoffalterungsprozesse und Erprobung nachhaltiger Materialien
Ziele
Zentrales Ziel des nationalen zivilen Luftfahrtforschungsprogramms ist die signifikante Reduzierung der Klimawirkung der Luftfahrt durch luftfahrtinduzierte Treibhausgase und Nicht-CO2-Effekte. Der Weg hin zur klimaneutralen Luftfahrt bedeutet einen vollständigen Verzicht auf fossile Energieträger wie Kerosin bei Luftfahrzeugen. Da alternative Energieträger auf Basis von Wasserstoff teuer in der Herstellung und von geringerer Energiedichte sind, ergeben sich zwei zentrale Forschungsansätze. Zum einen müssen Energieträger so sparsam wie möglich verwendet werden und zum anderen müssen Technologien für die ökonomisch und ökologisch sinnvollste Nutzung der alternativen Energieträger optimiert werden. Die Luftfahrtbranche steht damit vor einem erheblichen Transformationsprozess.
Vor diesem Hintergrund werden Technologieentwicklungen unterstützt, die das Fliegen bis 2045 unter Beibehaltung und Ausbau der Sicherheitsstandards nachhaltig klimaneutral machen. Die entwickelten technischen Lösungen und Konzepte stellen einen wesentlichen Beitrag für einen nachhaltigen Luftverkehr dar und stärken somit die Wettbewerbsposition des Luftfahrtstandorts Deutschlands.
Im Einklang mit den europäischen Zielen sollen in einem Zwischenschritt bis 2035 Technologien entwickelt werden, die einen um bis zu 30% reduzierten Kraftstoffverbrauch und damit eine um über 80% reduzierte Emissionsreduktion (Treibhausgas- sowie Nicht-CO2-Effekte) für die Mittelstrecke ermöglichen.
Bis 2045 ist die Verfügbarkeit von klimaneutralen Technologien für die Mittelstrecke erforderlich. Um dies zu erreichen, werden grundsätzlich folgende primäre Zielgrößen angestrebt:
- Einsatz von nachhaltigen Kraftstoffen
- Reduktion des Energiebedarfs um bis zu 50%
- Signifikante Reduzierung der Entwicklungs-, Fertigungs- und Betriebskosten um bis zu 30%
- Gleichzeitig soll eine Reduzierung des wahrgenommenen Lärms erreicht werden, sodass die Anzahl der lärmbetroffenen Menschen halbiert wird.
Im Kontext der umweltfreundlichen Antriebstechnogien liegen die Forschungsschwerpunkte dabei auf der Einführung neuer Energieträger wie Wasserstoff im Zusammenhang einer Direktverbrennung oder eines brennstoffzellenbasierten hybridelektrischen Systems in Verbindung mit den notwendigen Verteil- und Tanksystemen zur Konditionierung und Speicherung des meist flüssigen Wasserstoffs. Darüber hinaus werden u.a. durch aerodynamische Optimierungen der Gasturbinenbeschaufelung sowie die Realisierung innovativer Kreisprozesse signifikante Treibstoffersparnisse erwartet, die eine deutliche Reduktion der Treibhausgasemission ermöglichen. Fortschrittliche Entwicklungs-, Fertigungs- und Reparaturmethoden wie Additive Manufacturing tragen zudem zu einer Senkung der Ressourcen zur Produktion und im Betrieb von Flugantrieben bei.
Kontakt
Adrian Klassen