Mehrphasenströmungen und alternative Treibstoffe
DLR/NASA/Florian Friz
Die Forschungsaktivitäten der Abteilung konzentrieren sich darauf, den Übergang zu nachhaltigen Flugkraftstoffen in der Luftfahrt (SAF) effektiv zu gestalten.
Das Ziel ist, nachhaltige Kraftstoffe zu entwickeln, die eine minimale Klimawirkung haben. Dafür setzt die Abteilung auf die ganzheitliche Bewertung und Optimierung von nachhaltigen Kraftstoffen durch Kraftstoffdesign und digitale Methoden.
Ohne Sustainable Aviation Fuels (SAF) kann die Luftfahrt nicht klimaneutral werden
Alle Studien, die sich damit beschäftigen, wie die zivile Luftfahrt klimaneutral werden kann, sind sich einig: ohne sustainable aviation fuels (SAF, zu deutsch: nachhaltige Treibstoffe) wird es nicht gehen. Denn diese Treibstoffe können die Klimaauswirkungen der Luftfahrt erheblich reduzieren, und zwar sowohl die CO2- als auch die Nicht-CO2-Emissionen. Ein großer Vorteil ist außerdem, dass diese Kraftstoffe problemlos in bestehenden und zukünftigen Flugzeugtriebwerken sowie in den derzeitigen Vertriebsnetzen verwendet werden können. Dies wird im allgemeinen als Drop-in-Konzept bezeichnet.
Zu den nachhaltigen Flugkraftstoffen gehören biobasierte und nicht-biobasierte synthetische Jet-Kraftstoffe, auch bekannt als erneuerbare Kraftstoffe nicht-biologischen Ursprungs (RFNBOs). Das CO2 wird für diese Kraftstoffe aus der Atmosphäre abgeschieden oder aus unvermeidlichen Quellen in industriellen Prozessen gewonnen, der Wasserstoff stammt aus erneuerbaren Quellen. Kraftstoffe aus dieser Kategorie werden oft auch als e-Fuels und Power-to-Liquid (PtL)-Kraftstoffe bezeichnet, wenn der Wasserstoff durch Elektrolyse von Wasser mit erneuerbarem Strom gewonnen wird.
Obwohl die Nachfrage nach SAF durch den Markt und die Gesetzgebung steigt, ist die Einführung dieser Kraftstoffe mit großen Herausforderungen für die Luftfahrtindustrie verbunden. Einerseits ist es wünschenswert, so viele SAF wie möglich zuzulassen, auch um die Palette der Einsatzstoffe zu erweitern. Andererseits muss sichergestellt werden, dass die Verwendung der neuen Kraftstoffe keine Risiken mit sich bringt. Die Gewährleistung der Sicherheit ist das oberste Gebot in der Luftfahrt.
Die Abteilung hat sich entlang der vier großen Herausforderungen in diesem Forschungsfeld wie folgt strukturiert:
Sicherheit
Um in einem Flugzeug verwendet werden zu können, muss jeder neue Produktionsweg für eine synthetische Mischungskomponente (SBC) ein strenges Qualifizierungs- und Zulassungsverfahren durchlaufen, das von der Standardisierungs-Organisation ASTM International entwickelt worden ist. Dieses Verfahren ASTM D4054 ermöglicht es, den Produktionsprozess, die Spezifikationen des SBC und sein maximales Mischungsverhältnis mit fossilem Düsenkraftstoff zu definieren. Der daraus resultierende Anhang in ASTM D7566 stellt sicher, dass das SBC und der gemischte Treibstoff (SAF) alle erforderlichen technischen und sicherheitstechnischen Kriterien erfüllen und somit sicher als Drop-in-Treibstoff in der bestehenden Infrastruktur und in Flugzeugen verwendet werden können.
In diesem Zusammenhang muss eine Vielzahl von Treibstoffeigenschaften getestet und kritisch bewertet werden. Dieser Prozess ist in der Regel zeitaufwändig und teuer und erfordert große Mengen an Treibstoff, die Hersteller in der Anfangsphase der Entwicklung eines neuen Treibstoffherstellungsprozesses oft nicht haben. Gemeinsam mit der University of Dayton und der Washington State University hat unser Team ein Prescreening-Verfahren entwickelt, das dem offiziellen ASTM-Zulassungsverfahren vorgeschaltet wird. Auf der Grundlage geringer Mengen des Treibstoffs (wenige Milliliter genügen) und probabilistischer maschineller Lernmodelle bewerten wir neue Kraftstoffkandidaten im Hinblick auf ihre Eignung für die Kraftstoffzulassung.
Bewertung der Auswirkungen von Treibstoffen
Was das komplexe Zusammenspiel zwischen Treibstoff, Flugzeug und Klima betrifft, sind noch viele Fragen offen. Wir untersuchen, wie sich Änderungen in der Zusammensetzung eines Treibstoffs auf verschiedene Aspekte der Flugzeugleistung auswirken, einschließlich der Treibstoffeffizienz und der Emissionen von Schadstoffen wie Kohlendioxid, Stickoxiden und Feinstaub. Ziel ist es, die Vorteile der Verwendung von SAF zu maximieren und den zusätzlichen Nutzen zu ermitteln, den sie in Bezug auf die lokale Luftqualität, die ökologische Nachhaltigkeit, die Verringerung des CO2-Ausstoßes und die Leistung von Flugzeugen bieten. Wir erreichen dies durch den Einsatz von Computermodellen, koordinieren aber auch Flugtests, die speziell auf die Bewertung von Emissionen und Klimaauswirkungen zugeschnitten sind. So haben wir bereits gezeigt, dass nachhaltige Flugkraftstoffe, die aus erneuerbaren Quellen wie Altspeiseöl und landwirtschaftlichen Abfällen hergestellt werden, die Auswirkungen auf das Klima erheblich reduzieren und gleichzeitig die Luftqualität verbessern können.
Optimierung zukünftiger Raffinerien
Wir wollen die Produktion von klimaoptimierten Kraftstoffen effizienter machen, indem wir Produktionsprozesse und Raffineriekonfigurationen optimieren. Das erreichen wir durch die Anwendung der Prescreening-Methode und -Tools, die ein direktes und iteratives Feedback zum Produktionsprozess geben. Dies zielt insbesondere auf die Anfangsphase der Entwicklung von Produktionsprozessen ab, wenn nur begrenzte Mengen für experimentelle Tests zur Verfügung stehen und den Kraftstoffherstellern Informationen zur Eignung ihres Kraftstoffs für die Zulassung fehlen. Wir verbessern unsere Tools für die Kraftstoffentwicklung fortlaufend, indem wir zusätzliche Prozessmodelle einbeziehen, um den Einfluss verschiedener Produktionsschritte auf die Kraftstoffqualität zu bewerten, angefangen bei Veredelungsprozessen wie Hydrotreatment und Destillation. Mit Hilfe dieser Informationen bieten wir Feedback zum Prozessdesign zukünftiger Raffineriekonzepte und tragen so zur Verbesserung bei. Unser oberstes Ziel ist es, die Auswirkungen des Luftverkehrs auf das Klima zu minimieren, indem wir helfen, SAF-Raffinerien so zu konzipieren, dass durch die gemeinsame Optimierung des Produktionsprozesses und des Kraftstoffs eine optimale SAF-Qualität erreicht wird.
ALIGHT
Intelligente Nutzung von SAF
Wir erforschen außerdem zahlreiche Möglichkeiten, die Klimaauswirkungen von SAF während der Flugmissionen maximal zu reduzieren. Dazu gehören die Nutzung der verfügbaren SAF-Mengen für Flüge mit hohen Klimaauswirkungen und optimierte Betankungsstrategien. Zu diesem Zweck müssen Informationen und Daten über den gesamten Lebenszyklus eines SAF gesammelt und zur Verfügung gestellt werden. Da sich risikobezogene Entscheidungen auf diese Informationen stützen, ist es von entscheidender Bedeutung, Unsicherheiten in Daten und Modellen systematisch zu dokumentieren und zu bewerten. Um dies zu erleichtern, wird ein digitaler Faden, der die Prozess- und Informationskette darstellt, zusammen mit digitalen Zwillingen für SAF verwendet.
Untersuchung spezifischer Teilprozesse der Brennstoffnutzung und -herstellung
Die Brennkammer ist ein wesentlicher Bestandteil von Gasturbinen, den am häufigsten verwendeten Triebwerken in der Luftfahrt. Eine effiziente Verbrennung führt nicht nur zu einem geringeren Kraftstoffverbrauch, sondern auch zu deutlich weniger Schadstoffemissionen. Mit Hilfe von Mehrphasensimulationen untersuchen wir, wie der Treibstoff die Teilprozesse der Verbrennung wie Zerstäubung, Dispersion, Verdampfung, chemische Reaktionen und schließlich die Emissionen beeinflusst.
Darüber hinaus erforschen wir modernste Technologien für die Kraftstoffherstellung, wie z.B. Direct Air Capture (DAC). Durch den Einsatz numerischer Simulationen konzentriert sich unsere Forschung auf die komplizierten mehrphasigen Teilprozesse. Wir wollen Fortschritte bei DAC-Systemen vorantreiben und das Systemdesign, die Effizienz, Skalierbarkeit und Kosteneffizienz zu verbessern.