Strukturmechanische Qualifizierung eines Brennstoffzellensystems für den Flugbetrieb

Kurzfassung

Der Weltenergiebedarf ist seit der Industrialisierung gegen Ende des 19. Jahrhunderts exponentiell angestiegen. Aufgrund der heutzutage immer spürbareren Auswirkungen des großen Energiebedarfs hat sich in den letzten Jahren ein immer stärkeres Energiebewusstsein entwickelt. Dies gilt auch für die Luftfahrt. Obzwar der Luftverkehr momentan nur für ca. 2% der gesamten CO2-Emissionen verantwortlich ist, führt der dramatische Anstieg des Luftverkehrs zu einer generellen Besorgnis über eventuelle Umweltauswirkungen. Dabei sind die Effekte der Emissionen in der Reiseflughöhe und ihre Wirkung in Tropos- als auch Stratosphäre noch gar nicht ausreichend verstanden. Aber auch die Luft- und Lärmbelastung an stark frequentierten Flughäfen hat Ausmaße erreicht, die Gegenmaßnahmen und Einschränkungen erforderlich machen. Für Emissionen müssen Flugzeugbetreiber künftig mit zusätzlichen Steuern, begrenzten Kontingenten und zusätzlichen Flughafengebühren rechnen. An kommende Flugzeuggenerationen werden daher höhere Anforderungen bezüglich Umweltverträglichkeit aber auch Robustheit gestellt. Aufgrund dessen hat die ACARE (Advisory Council for Aeronautics Research) Ziele für die Luftfahrt vereinbart, welche eine Reduktion der CO2-Emissionen um 50%, der NOx-Emissionen um 80% sowie eine Verringerung des wahrgenommenen Lärms um 50% vorsehen. Einen möglichen Ansatz um Lärm- sowie Schadstoffemissionen zumindest in flughafennahen Bereich zu reduzieren stellen Brennstoffzellensysteme dar. Diese könnten aufgrund ihrer hohen Effizienz eine attraktive Lösung für die Verbesserung der Umwelteigenschaften und Energieeffizienz der Flugzeugsysteme darstellen. Der Einsatz von Brennstoffzellen bietet neben der reinen Stromversorgung noch weitere Vorteile: Beispielsweise wäre eine Frischwasserversorgung der Bordtoiletten mit dem bei der Brennstoffzelle als Reaktionsprodukt entstehendem Reinstwasser denkbar. Das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt arbeitet derzeit an mehreren Projekten in Kooperationen mit Airbus und Lange Aviation an der Charakterisierung von Brennstoffzellensystemen in Großflugzeugen und Segelfliegern. Gemeinsames Ziel ist es, durch die Konzeption innovativer elektrischer Flugzeugsystemarchitekturen für die Energiebereitstellung und insbesondere für die multifunktionelle Brennstoffzellenanwendung die Technologieführerschaft langfristig auszubauen. Die in dieser Zusammenarbeit entwickelten Ergebnisse werden gezielt in die nächsten Flugzeugprogramme einfließen, um eine neuartige innovative Technologieplattform zu schaffen und konsequent weiterzuentwickeln. 1.1. Aufgabenstellung Die vorliegende Arbeit ist in ein Projekt eingebettet, das sich im Wesentlichen aus drei Aufgabenschwerpunkten zusammensetzt: Der erste Schwerpunkt beinhaltet die Integration eines H2/O2 betriebenen Brennstoffzellensystems zur Bereitstellung von elektrischer Energie im Notfall. Dieses Teilprojekt wurde in Kooperation mit Airbus und Michelin bereits 2007 realisiert. Dabei konnte erfolgreich demonstriert werden, dass die im Cargo-Bereich des Airbus A320 eingebaute Brennstoffzelle in der Lage ist, für eine Stunde die Notstromversorgung zu übernehmen. Neben der Bereitstellung von Energie haben von Airbus durchgeführte Studien ergeben, dass insbesondere multifunktionale Systeme von kommerziellem Interesse sind. Der zweite Schwerpunkt des Projektes beinhaltet daher die Entwicklung eines H2/Luft betriebenen Brennstoffzellen-Systems. Der Fokus der Entwicklung liegt hierbei in der Bedienung mehrerer Systemfunktionen wie z.B. die Bereitstellung von elektrischer Energie, Inertgas und Produktwasser. Die Arbeiten beinhalten neben der flugrelevanten Qualifizierung des Systems die Entwicklung von Subsystemen, welche die Bedienung der unterschiedlichen Systemfunktionen ermöglichen. Es ist geplant das System in den Laderaum eines Airbus A320 einzubauen und dort während eines Standardfluges zu charakterisieren. Der dritte Schwerpunkt befasst sich mit der Validation eines Brennstoffzellen-Verbundsystems aus vier gekoppelten Brennstoffzellen mit dem Ziel, einen emissionsarmen Rollantrieb für den Airbus A320 zu realisieren. Neben der Kopplung von vier Brennstoffzellensystemen stellt die Entwicklung eines Radnabenmotors für das Bugrad, der die elektrische Energie des Verbundsystems in Bewegung umsetzt, eine weitere technische Herausforderung dar. Neben der Verbesserung der Umweltverträglichkeit der Flugzeuge im Flughafenbereich stellt diese Anwendung eine weitere, praktische Möglichkeit für die Demonstration der Leistungsfähigkeit von Brennstoffzellensystemen in der Luftfahrt dar. Thematisch ist die vorliegende Masterarbeit im zweiten Projektschwerpunkt angesiedelt mit der zentralen Aufgabe, ein Package für ein multifunktionales, Wasserstoff-Luftbetriebenes Brennstoffzellensystem zu erarbeiten und konstruktiv umzusetzen. Kernpunkte der Arbeit sind dabei, neben der konstruktiven Entwicklung des Testsystems, die Planung und Realisierung des Versuchsaufbaus sowie die strukturmechanische Festigkeitsbetrachtung des Gesamtsystems unter flugsicherheitsrelevanten Gesichtspunkten.