Brennstoffzellensysteme in der Luftfahrt

Die ersten Kraftstoffe, die in der Luftfahrt Verwendung fanden kamen, wie die Motoren selbst, aus der Entwicklung des Automobils. Von Beginn an wurde jedoch für die moderne Luftfahrt nach dem „günstigsten“ Kraftstoff gesucht. Zunächst standen natürlich rein praktische Aspekte im Vordergrund, wie das günstige Verhalten im jeweiligen Verbrennungsprozess, Energieinhalt, Handhabbarkeit, Sicherheit und natürlich auch Verfügbarkeit bei niedrigen Preisen. Zukünftige Kraftstoffe für die Luftfahrt müssen sich, wegen ihrer weltweiten Verbreitung an den gleichen Maßstäben messen. In erster Linie wird in Richtung eines nachhaltigen, aber sehr kerosinähnlichen Kraftstoffes gesucht. Einige solcher alternativen Kraftstoffe sind bereits getestet und nach Erreichung der Zulassung in der Praxis erfolgreich eingesetzt worden. Grundsätzlich gilt es zuvor zu klären ob es um die gleichen Energie-zu-Leistung-Wandlungs-Prozesse geht. Hierbei sind rein thermische Wandlungen im Sinne der Carnot Gesetze und chemische Wandlungen wie die, die in einer Brennstoffzelle ablaufen zu unterscheiden.

Die ACARE-Ziele für 2020 forderten vom Luftverkehr eine Reduktion des Kraftstoffverbrauchs um 50 %, eine damit verbundene Reduktion der spezifischen CO₂-Emissionen um 50 %, eine Reduktion der limitierten Emissionen – insbesondere Stickoxid (NOx) - um 80 %, sowie die Reduktion des subjektiv empfundenen Lärmpegels um die Hälfte. Das Kerosin der Zukunft wird dem heutigen fossilbasierten Turbinenkraftstoff Jet A-1 sehr ähnlich sein, muss aber im Hinblick auf die geforderte CO₂-Reduktion biobasiert hergestellt werden. Prozesstechniken zur Nutzung der Biomasse der 2. Generation sind noch nicht ausgereift, so dass eine eindeutige Priorisierung bestimmter Pfade nicht erfolgen kann. Die für die Produktion von Energiepflanzen benötigten Flächen sind zudem limitiert. Durch den Anbau von KUP-Hölzern wie Weide oder Pappel oder von Energiegräsern lassen sich hohe Erträge pro ha erreichen. Für Pflanzenöl, inkl. Algenöl, stellt sich die Hydrierung im HVO-Verfahren auf Grund der chemischen Struktur des Öls als idealer Prozess dar.

Phosphorsäure ist ein thermisch stabiler und preiswerter Elektrolyt für die HT-PEFC. Weiterhin ist sie ungiftig, besitzt einen sehr geringen Dampfdruck (geringe Verluste durch Gasströmung) und benötigt aufgrund der hohen Betriebstemperatur kein aktives Management von flüssigem Wasser. Jedoch ändert sich die Leitfähigkeit als Funktion des Wassergehaltes. Demzufolge ändert sich der Widerstand mit den Betriebsbedingungen. Diese Änderung kann durch die Wahl eines geeigneten Flowfield-Designs der Brennstoffzelle günstig beeinflusst werden. Die Medienführung hat auch einen wesentlichen Einfluss auf die Stromdichteverteilung von Zellen bei Betrieb mit CO-haltigem Brenngas. Vorteilhaft ist eine Führung der Gase im Gegenstrom mit gleichzeitiger Gleichstromführung des Kühlmediums. Große Gradienten in der Stromdichteverteilung bedingen eine beschleunigte Alterung. Aufgrund der Betriebstemperatur von ca. 160 °C stellt die HT-PEFC nur geringe Anforderungen an die Reinheit von Wasserstoff als Brenngas. Es können CO-Gehalte bis 3 Vol.-% am Brenngaseingang toleriert werden. Geringe Methan-Konzentrationen (bis 1 Vol.-%) haben keinen Einfluss auf die Leistung.

Hochtemperatur-Polymerelektrolyt-Brennstoffzellen-Stacks sind prädestiniert, Bordstrom für Luftfahrtanwendungen bereitzustellen. Aus verfahrenstechnischer Sicht ist diese Technologie vorteilhaft, da auf der einen Seite eine vereinfachte Systemtechnik mit nicht erforderlicher Gasbefeuchtung und effizienter Wärmeein- und auskopplung und auf der anderen Seite die direkte Verwendung des Brennstoffs Kerosin (in Verbindung mit geeigneter Brenngaserzeugung) steht. In diesem Kapitel werden auf der Basis von technischen und regulativen Vorgaben mögliche und bevorzugte Konzepte für den Aufbau, die Auslegung und den Betrieb von Stacks für die Anwendung im Luftfahrtbereich dargestellt und diskutiert. Für die Hauptkomponenten Membran-Elektroden-Einheit und Bipolarplatte wird ein Schwerpunkt auf die Verwendbarkeit alternativer Materialien in Bezug auf die Anwendung gelegt. Die Beschreibung möglicher Stackkonzepte umfasst thematisch die Bereiche Spanntechnik, Dichtung, Stacktemperierung sowie Strömungsmechanik. Abschließend folgt noch ein kurzer Blick in die Zukunft, der die notwenige Weiterentwicklung der Zell- und Stacktechnik in Bezug auf eine notwendige Erhöhung der Performance und Leistungsdichte anreißt.

Unter dem Begriff „Brenngaserzeugung“ wird die Umwandlung von Kraftstoffen, die aus sehr unterschiedlichen Kohlenwasserstoffen zusammengesetzt sein können, in ein Gasgemisch verstanden, das zu einem erheblichen Anteil aus Wasserstoff besteht und in die Anode einer Brennstoffzelle geleitet werden kann. Es werden die drei wesentlichen Komponenten der Brenngaserzeugung vorgestellt. Der autotherme Reformer wandelt den flüssigen Kraftstoff in einem katalytischen Prozess zusammen mit Wasserdampf und Luft in ein wasserstoffreiches Gasgemisch, das sogenannte Reformat, um. Der Wasser-Gas-Shift Reaktor hat die Funktion, die Konzentration an Kohlenmonoxid im Reformat deutlich zu verringern. Zu hohe Konzentrationen an Kohlenmonoxid im Eduktgasstrom der Brennstoffzelle führen zu einer adsorptiven Vergiftung der katalytisch aktiven Zentren in der Anode der Brennstoffzelle. Der katalytische Brenner hat zwei wesentliche Funktionen. Zum einen werden in seinem katalytischen Teil die brennbaren Komponenten zu Kohlendioxid und Wasser umgesetzt. Zum anderen wird im Wärmeaustauscher des katalytischen Brenners ein wesentlicher Teil des Wasserstroms, der für die autotherme Reformierung benötigt wird, verdampft und überhitzt.

Bei der Entwicklung der Reaktoren für ein Brenngaserzeugungssystem ist eine Vielzahl an Vorgaben zu erfüllen. Dabei sind zunächst die rechtlichen Anforderungen an die Sicherheit der als Druckgeräte ausgeführten Apparate zu berücksichtigen. Dazu wird ein Einblick in die Auflagen an die Apparate durch die Druckgeräterichtlinie gegeben. Die Reaktoren müssen aber weitere äußere und verfahrenstechnische Randbedingungen erfüllen, um im Zusammenspiel miteinander in einem Brenngaserzeugungssystem optimal zu funktionieren. Aufbauend auf den rechtlichen und verfahrenstechnischen Anforderungen werden exemplarisch die Wandstärken einzelner Bauteile von Apparaten eines Brenngaserzeugungssystems berechnet. Hierzu wird das AD 2000-Regelwerk, ein einfaches FEM-Tool für eine Belastungsanalyse in einem CAD-Programm und eine vollwertige FEM-Software eingesetzt. Die verschiedenen Berechnungsmethoden für die Wandstärken der Bauteile werden gegenübergestellt und nach ihrer Verwendbarkeit und Praktikabilität bewertet. Dies geschieht mit dem Ziel, die Anforderungen durch die Druckgeräterichtlinie einzuhalten. Weiterhin werden einige der verfahrenstechnischen Randbedingungen, denen die Apparate genügen müssen, dargestellt und diskutiert.

Kapitel 7 beschreibt eine Methodik zur Entwicklung und Charakterisierung eines Brennstoffzellen-Gesamtsystems für Luftfahrtanwendungen. Um die Entwicklungsschritte besser erläutern zu können, wurde ein Beispielsystem aufgebaut. Das System wurde anschließend umfangreich getestet, um einen besseren Einblick in das Gesamtsystem zu ermöglichen. Die angestrebte elektrische Leistung von 5 kW wurde bei unterschiedlichen Parameterkombinationen demonstriert. Die Ergebnisse stimmten sehr gut mit den Ergebnissen der Prozesssimulation überein. Es war möglich, einen autarken Systembetrieb ohne externe Wärmezufuhr zu realisieren. Dadurch konnte das integrierte Systemkonzept im Rahmen der Gesamtsystemversuche validiert werden. Die experimentellen Ergebnisse mit dem integrierten HT-PEFC-System mit der Reformierung von GTL-Kerosin stellen einen Machbarkeitsnachweis für diese Technologie dar. Dabei war es möglich, die Kombination der autothermen Reformierung mit der HT-PEFC-Technologie in einem integrierten Gesamtsystem mit 5 kW_e Leistung zu realisieren.

Brennstoffzellen produzieren mehr als elektrischen Strom. Bei der elektrochemischen Umwandlung von chemischer Energie in elektrische Energie entstehen als stoffliche Produkte Wasser, sauerstoffarmes Kathodenabgas und ein an Wasserstoff abgereichertes Brenngas. Die freigesetzte chemische Energie wird zum Teil als Wärme freigesetzt. Das Flugzeug bietet neben der Bordstromversorgung die Anwendungsoptionen: Wasserproduktion, Brandbekämpfung und Inertisierung von Kerosintanks für Brennstoffzellensysteme an. Es werden in diesem Kapitel vor allem thermodynamische und verfahrenstechnische Berechnungen durchgeführt, um die verschiedenen Potentiale in Abhängigkeit von der Systemkonfiguration darzustellen. Ein Schwerpunkt liegt dabei auf der Wasserproduktion an Flughäfen mit unterschiedlichen klimatischen Bedingungen und während des Fluges. Zwei Systemen gilt dabei besondere Aufmerksamkeit: der wasserstoffbetriebenen PEFC und der kerosinbetriebenen HT-PEFC. Auf Basis des heutigen Entwicklungsstands und zukünftiger Zielwerte werden Volumen- und Massenbilanzen für die Teilsysteme Brennstoffzelle, Brenngaserzeugung und Kerosin- und Flüssigwasserstoffspeicherung durchgeführt. Aus den in diesem Buch gezeigten Analysen lässt sich ableiten, dass die Flugdauer eine wichtige Rolle bei der Systemauslegung spielt.