Wasserstoff als Treibstoff für die Luftfahrt

Brennstoffzelle (Daimler)

Noord-Scharwoude – Flüssiger Wasserstoff wird seit einigen Jahren in der Raumfahrttechnik als Treibstoff verwendet. Er ist leicht und birgt im Vergleich zu komprimiertem Gas weniger potenzielle Risiken in Bezug auf den Speicherdruck. Allerdings verflüssigt sich Wasserstoff bei 20,25 K.

Auch beim Scramjet Projekt wurde flüssiger Wasserstoff verwendet. Das Hyper-X-Team der NASA plante die Entwicklung eines Hyperschallfahrzeugs in kleinem Maßstab, das mit flüssigem Wasserstoff betrieben werden sollte. Daher wurde das experimentelle unbemannte Scramjet X-43 für den Hyperschallflug und die Erprobung des LH2-Treibstoffs entwickelt; die Konstruktion von X-43 folgte dem Konzept der Nichtlandung und des Nichtwiedereinstiegs, das nur für den Test gedacht ist [38]. Aufgrund der Betriebsbedingungen des Scramjet hat Wasserstoff als Treibstoff für Hyperschallflüge große Vorteile.

Dieses Hyper-X-Programm wurde 1996 untersucht, und die erste Scramjet X-43A wurde entwickelt, die von einem einzigen wasserstoffbetriebenen Antriebssystem angetrieben wurde. Von 2001 bis 2004 wurden mehrere Flugversuche unternommen. Der zweite und der dritte Flugversuch zeigten erfolgreich, dass das wasserstoffbetriebene luftatmende Antriebssystem machbar ist. Beim dritten Flugversuch am 18. November 2004 dauerte der Flug 11 Sekunden und führte über eine Strecke von 20 Meilen mit einer Höchstgeschwindigkeit von 9,6 Mach.

Speicherung und Verteilung von Wasserstoff: Szenarien für die Umsetzung

Flüssiger Wasserstoff hat hohe Betriebskosten aufgrund der für die Verflüssigung benötigten Elektrizität, aber geringere Kapitalkosten, die von der Menge des Wasserstoffs und der Lieferstrecke abhängen. Die Lieferung mit superisolierten, kryogenen Tanklastwagen ist die wirtschaftlichste Lösung für eine mittlere Marktdurchdringung. Sie könnten relativ große Mengen an Wasserstoff transportieren und Märkte in großen geografischen Gebieten erreichen.

Auf langen Strecken ist der Transport von flüssigem Wasserstoff viel praktischer als vom gasförmigem Wasserstoff, weil ein Flüssigtankwagen eine viel größere Menge Wasserstoff transportieren kann als ein gasförmiger Tankwagen. Ein Tankwagen, der Hochdruck-Wasserstoff als komprimiertes Gas transportiert, kann normalerweise 300-400 kg H2 aufnehmen und bis zu 100 Autos betanken. Speicherung und Verteilung von Wasserstoff: Szenarien für die Umsetzung.

Die Tanks haben normalerweise eine zylindrische Form und sind horizontal angeordnet. Es werden jedoch auch einige vertikale zylindrische Tanks und kugelförmige Tanks verwendet. Die Standardgrößen der Tanks reichen von 1500 Gallonen bis 25.000 Gallonen. Die Tanks sind gegen die Vakuumtechnik isoliert. Druckbegrenzungsventile schützen die Tanks und sind nach den ASME-Spezifikationen für die Vereinigten Staaten ausgelegt.

Die Druckgeräterichtlinie (DGRL) 2014/68/EU (ehemals 97/23/EG) der EU legt die Normen für die Konstruktion und Herstellung von Druckgeräten fest («Druckgeräte» sind Dampfkessel, Druckbehälter, Rohrleitungen, Sicherheitsventile und andere druckbelastete Bauteile und Baugruppen).

Brennstoff-Sicherheit Wasserstoff: Überblick

Unbeabsichtigt freigesetzter flüssiger Wasserstoff verdampft sehr schnell und bildet eine deutlich sichtbare Wolke aus kondensiertem Wasser. Eine gängige Faustregel besagt, dass der explosive Teil der Wolke mehr oder weniger mit dem sichtbaren Teil übereinstimmt, doch ist dies kein zuverlässiger Richtwert für Sicherheitszwecke. Nach Beendigung der Freisetzung erwärmt sich die Wolke rasch, steigt nach oben und löst sich innerhalb weniger Minuten auf.

Wenn die Freisetzungsrate hoch genug ist, um mit der Verdampfung zu konkurrieren, können sich Pfützen oder Lachen mit kryogener Flüssigkeit bilden. Die Verdampfungswärme pro Masseneinheit flüssigen Wasserstoffs ist etwa gleich groß wie die von Methan oder Propan, während sie pro Volumeneinheit der Flüssigkeit viel geringer ist.

Dies und der größere Temperaturunterschied zur Umgebung führen dazu, dass Lachen mit flüssigem Wasserstoff schneller verdampfen als Lachen mit anderen Flüssigkeiten. Wenn ein solcher Wasserstoffpool entzündet wird, hat das Feuer eine geringere Ausdehnung als bei den anderen Gasen und ist von viel kürzerer Dauer.

Da die Umwelt von Treibstoffen auch stark betroffen ist, hat sich die EU Kommision für die Förderung der klimaneutralen Wirtschaft zusammengetan.

Herstellung von Flüssigwasserstoff

Die Herstellung von flüssigem Wasserstoff erfordert den Einsatz von Verflüssigern, die unterschiedliche Kühlungsprinzipien nutzen. Im Allgemeinen können Wasserstoffverflüssiger als konventionell, magnetisch oder hybrid klassifiziert werden. Es gibt viele Arten von konventionellen Verflüssigern, z. B. die Linde-Hampson-Verflüssiger, die Linde-Zweidruckverflüssiger, die Claude-Verflüssiger, die Kapitza-Verflüssiger, die Hey-Landt-Verflüssiger und die Verflüssiger, die den Collins-Zyklus nutzen, um nur einige zu nennen. Konventionelle Verflüssiger bestehen im Allgemeinen aus Kompressoren, Expandern, Wärmetauschern und Joule-Thomson-Ventilen. Magnetische Verflüssiger hingegen nutzen den magnetokalorischen Effekt. Dieser Effekt beruht auf dem Prinzip, dass einige magnetische Materialien bei Anlegen eines Magnetfeldes einen Temperaturanstieg und bei Aufhebung des Magnetfeldes einen Temperaturabfall erfahren. Zu den magnetischen Analoga verschiedener herkömmlicher Verflüssiger gehören die Brayton-Verflüssiger, die Stirling-Verflüssiger und der aktive magnetisch regenerative Verflüssiger (AMR). (DEM/mc/hfu)


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