Der niedrige Umgebungsdruck in großen Flughöhen stellt eine zentrale Herausforderung für Brennstoffzellen in Flugzeugen dar. Die Umgebungsluft muss stark komprimiert werden, um einen Betriebsdruck von mehr als einem Bar zu erreichen. Forscher des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR) haben nun systematisch untersucht, welche Luftversorgungssysteme für verschiedene Flugzeugtypen am besten geeignet sind.
Das Team um Matthias Schröder vom DLR-Institut für Technische Thermodynamik analysierte sechs verschiedene Topologien. Diese unterscheiden sich in der Kompressorkonfiguration – einstufig, zweistufig seriell oder zweistufig parallel – sowie in der optionalen Nutzung einer Turbinenstufe zur Energierückgewinnung aus dem Brennstoffzellenabgas.
Turbinenstufe bringt Gewichtsvorteil trotz Zusatzkomponenten
Für ein Regionalflugzeug mit 70 Passagieren und zehn Brennstoffzellensystemen erwies sich ein einstufiger Kompressor mit Turbine als beste Lösung. Diese Konfiguration soll die Gesamtmasse aus Brennstoffzellensystem und Wasserstofftank um 4,5 Prozent reduzieren. Um Kondensation in der Turbine zu vermeiden, ist ein zusätzlicher Wärmetauscher erforderlich. Dennoch überwiegen laut der Studie die Vorteile der Energierückgewinnung.
Für größere Flugzeuge mit höheren Flughöhen sind zweistufige Kompressoren vorteilhafter. Bei einem untersuchten Narrow-Body-Flugzeug mit 250 Passagieren soll ein serieller Zweistufen-Kompressor mit Turbine die Masse um 8,1 Prozent senken. Ein paralleler Zweistufen-Kompressor mit Turbinen verbessert den Wirkungsgrad im Reiseflug nach den Berechnungen um 10,9 Prozentpunkte.
Spezifische Leistung muss sich vervierfachen
Die EU strebt bis 2030 eine Leistungsdichte von 2,0 Kilowatt pro Kilogramm für Brennstoffzellensysteme in der Luftfahrt an. Der aktuelle Stand der Technik liegt bei 0,5 bis 0,75 Kilowatt pro Kilogramm. Die Studie zeigt nach Angaben der Autoren einen Weg auf, wie maßgeschneiderte Luftversorgungssysteme zur Erreichung dieses Ziels beitragen können.
Die Forschungsarbeit wurde vom Bundesministerium für Digitales und Verkehr gefördert. Die Ergebnisse sind im Fachjournal Energy Conversion and Management erschienen.
