Technische und wirtschaftliche Analyse von CO2-Abscheidungssystemen für Festoxidbrennstoffzellen-basierte Luftfahrtantriebe

Abstract

Die Klimaschutzstrategie der internationalen und europäischen Luftfahrt sieht bis zum Jahr 2050 eine neutrale Kohlendioxidbilanz des Luftverkehrs vor. Diese soll vorrangig durch neue Flugzeugkonzepte, alternative Triebstoffe und Antriebe realisiert werden. Zu den möglichen Lösungen zählen Brennstoffzellen, Batterien und nachhaltig hergestellte Treibstoffe. Auch Technologien zur Kohlendioxidabscheidung können einen Beitrag zur Reduzierung der Emissionen leisten. In Rahmen der vorliegenden Arbeit wird die technische und wirtschaftliche Machbarkeit der Implementierung von Kohlendioxidabscheidungssystemen in einen Luftfahrtantrieb auf Basis von Festoxidbrennstoffzellen analysiert. Dazu wurde exemplarisch ein für das Mittelstreckenflugzeugmodell ATR-42-600 konzipiertes hybrid-elektrisches Antriebssystem untersucht und für den Einsatz von Kohlenwasserstoffen adaptiert. Auf Basis der Massen- und Volumen Restriktionen des Flugzeugs sowie einer minimalen Abscheidungseffizienz von 80 % wurden geeignete Abscheidungssysteme ausgewählt. Diese wurden an Hand der Luftfahrtanforderungen Masse, Integrierbarkeit, Systemleistung und Effizienz, Sicherheit, Wirtschaftlichkeit und Umweltwirkungen sowie Zuverlässigkeit und Stabilität anschließend miteinander der verglichen. Die Vergleichskriterien wurden über eine Punktbewertung gegeneinander gewichtet. Unter Abwägung der Kriterien erweist sich die Verwendung funktionalisierter Membranmaterialien als vorteilhafteste Technologie, wobei auch andere Verfahren wie Adsorptionsprozesse und der Rectisol Prozess in Betracht gezogen werden können. Dagegen sind chemische Absorptionsprozesse aufgrund der schweren Sorbentien und des hohen apparativen Aufwands weniger geeignet. Die Ergebnisse der Analyse zeigen, dass die Implementierung von Technologien zur Kohlendioxidabscheidung in den betrachteten Luftfahrtantrieb prinzipiell realisierbar ist. Aufgrund des geringen technologischen Reifegrads der Membrantechnologie und der derzeit noch zu geringen Kohlendioxidabgaben ist eine Kommerzialisierung jedoch erst zwischen 2030 und 2050 zu erwarten. Das Erzielen hoher Abscheidungseffizienzen erfordert zudem signifikante Veränderungen und Verbesserungen der Architektur von Flugzeugen, um die während des gesamten Flugs anfallenden hohen Massen an Kohlendioxid speichern und transportieren zu können.