Identifikation, Analyse und Bewertung von Konzepten der Abwärmenutzung Festoxid-Brennstoffzellen-angetriebener elektrifizierter Luftfahrtantriebe für Regionalflugzeuge

Abstract

In der modernen globalisierten Welt besteht eine hohe Nachfrage nach flexiblen und nachhaltigen Transportmitteln. Dies trifft insbesondere auch auf die Luftfahrt zu. Hierbei werden mit Einführungsdatum 2050 erste mit Wasserstoff betriebene Regionalflugzeuge auf Brennstoffzellenbasis geplant. Zum Erreichen dieses Ziels sind vielfältige Untersuchungen im Vorfeld notwendig. Unter anderem gehören dazu auch technoökonomische Bewertungen verschiedener Subsysteme des Flugzeugs. Ein mögliches Subsystem stellt dabei die Restenergienutzung im Abgasstrang der Brennstoffzelle dar. Dies ist insbesondere relevant, da nachhaltig produzierter Wasserstoff ein knappes Gut ist. Eine möglichst vollständige Nutzung des Wasserstoffs in einem System ist deshalb anzustreben. Daher ist zu untersuchen, ob die Integration von Systemen zur Restenergienutzung im Abgasstrang von Festoxidbrennstoffzellensystemen vorteilhaft ist. Im Rahmen der technoökonomischen Bewertung ist dabei zu analysieren, ob solche Systeme aus wirtschaftlicher, als auch aus technischer Sicht vorteilhaft in der Anwendung sind. Dazu wird in der vorliegenden Arbeit zuerst die theoretische Basis der betrachteten Brennstoffzellensysteme sowie möglicher, zu integrierender Technologien strukturiert erstellt. Außerdem wird eine Methodik zur interdisziplinären Bewertung der möglichen Systeme erarbeitet und vorgestellt. Des Weiteren sind mögliche Konzepte zur Nutzung der Restenergie im Abgas zu identifizieren, erstellen und analytisch auszulegen. Im Anschluss daran wird die entwickelte Bewertungsmethodik auf die erstellten Konzepte angewandt. Mit den so ermittelten Ergebnissen werden die Konzepte abschließend auf ihre Vorteilhaftigkeit in der Luftfahrt untersucht. Bei der Untersuchung sind vier Konzepte identifiziert und erstellt worden. Diese unterscheiden sich in Art und Anordnung der zu integrierenden Komponenten. Das beste Ergebnis in der Bewertung erhielt ein Konzept unter Verwendung einer rekuperativen Vorwärmung der Gase der Brennstoffzelle sowie einer Expansionsturbine mit angeschlossenem Synchrongenerator. Dieses Konzept war insgesamt vorteilhafter als das zugrundeliegende Referenzkonzept. Somit könnten diese Technologien im Abgasstrang zukünftiger Regionalflugzeuge eine Schlüsselrolle bei der Steigerung der Effizienz und Ermöglichung nachhaltiger Flugverbindungen spielen