Wasserwerk über den Wolken
Brennstoffzellen sollen auch Einzug in die Luftfahrt halten

Die in der Klimadiskussion hart kritisierten Verkehrsflugzeuge schlucken einen Teil ihres Kerosins oft schon am Boden. Um ihren Verbrauch um bis zu acht Prozent zu senken, sollen in Zukunft vermehrt Brennstoffzellen als Hilfsaggregate zum Einsatz kommen. Das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) hat zusammen mit Airbus und Michelin bereits einen Airbus damit ausgestattet, um die Eigenschaften im Flugbetrieb zu erforschen.

Wer oft mit dem Flugzeug reist, dem ist es bestimmt schon einmal aufgefallen. Unter dem Seitenleitwerk, meist ganz hinten am Rumpf, besitzt jedes größere Verkehrsflugzeug eine in Metall gefasste Öffnung. Anders als beim Auto kommt dieser Auspuff aber nicht vom Antrieb des Flugzeugs. Er dient der so genannten Auxiliary Power Unit (APU). Diese zusätzliche Energieversorgung produziert Elektrizität und sorgt für den Druck in Hydraulik und Pneumatik. Damit werden die eigentlichen Triebwerke erst gestartet und am Boden die Klimaanlage oder Multimediageräte betrieben.

„Heute übernimmt eine kleine Hilfsgasturbine diese Aufgaben, aber nicht mehr lange“, erklärt Josef Kallo. Er ist Fachbereichsleiter am Institut für Technische Thermodynamik in Stuttgart. Beim DLR ist er verantwortlich für die Erprobung eines im Flugzeug völlig neuen Systems zur antriebslosen Energieerzeugung. Eingebaut ist das in einem Airbus A320, dem neuesten Forschungsflugzeug des DLR. „In Zukunft werden Brennstoffzellen hier alle Aufgaben der APU übernehmen“, ist sich Kallo sicher. „Je nach Länge der Flugstrecke können so zwischen drei und acht Prozent des gesamten Treibstoffverbrauchs eingespart werden.“

Auf kurzen Strecken ist das Sparpotenzial dabei umso höher. Im innereuropäischen Flugverkehr ist eine APU laut dem Flugzeugbauer Airbus bis zu sechs Stunden täglich in Betrieb. Weil die Flugzeit hier kurz und die Verweildauer am Boden lang ist, hat die Hilfsenergie auf diesen Strecken einen nicht unerheblichen Anteil am Gesamtverbrauch des Flugzeugs. Ersetzt eine Brennstoffzelle hier die APU, so könnten laut Airbus sogar zehn bis 15 Prozent Treibstoff eingespart werden. Auf interkontinentalen Strecken mit langen Flugzeiten sind die Einsparungen allerdings geringer.

Einzige Emission: Reines Wasser

In ihrer Funktion unterscheidet sich die Brennstoffzelle strikt von der bisher verwendeten Gasturbine. Hier findet keine Verbrennung, sondern ein elektrochemischer Prozess statt. Eine Membran trennt zwei Elektroden. An der ersten wird Wasserstoff in positiv und negativ geladene Teilchen aufgespalten. Gleiches geschieht an der zweiten mit dem Sauerstoff. Es entsteht auf der einen Seite ein Mangel an negativen Teilchen und auf der anderen ein Überschuss. Dadurch fließt ein Strom, der für das Flugzeug nutzbar gemacht werden kann. Einziges Abfallprodukt dabei ist gewöhnliches Wasser, das durch die Reaktion des Wasserstoffs mit dem Sauerstoff entsteht.

„Eingebaut ist die Brennstoffzelle vorerst noch hier unten im Frachtraum“, erklärt Josef Kallo im Bauch des Testflugzeugs. Bei dem auf einer Frachtpalette montierten System fallen vor allem die beiden gut einen Meter langen Drucktanks auf. Hier werden etwa zwei Kilogramm Wasserstoff bei hohem Druck von bis zu 350 bar gelagert. Für den Testbetrieb im DLR-Airbus reicht das aus, um bis zu einer Stunde eines der aus Sicherheitsgründen mehrfach vorhandenen Hydrauliksysteme zu betreiben. „Für eine Anwendung in Serie ist dieser Vorrat aber noch zu gering“, sagt Kallo und ergänzt: „Doch schon in der nächsten Ausbaustufe soll ein praxisnaher Betrieb über mehrere Stunden möglich sein.“ Bis dahin wird auch der Sauerstoff noch separat getankt. Später soll dieser aus der Luft gewonnen werden.

Kritiker sehen in der Lagerung der Gase an Bord wegen des hohen Drucks ein Risiko. Vor allem von einem Leck im Wasserstofftank befürchtet man verheerende Folgen für das Flugzeug. Hinzu kommen Sorgen um die Verfügbarkeit. „Im Gegensatz zum Automobilbereich ist die Infrastruktur für Wasserstoff an vielen Flughäfen bereits vorhanden“, gibt Josef Kallo Entwarnung. „In den USA gibt es sogar ganze Pipeline-Netze, die auch eine flächendeckende Versorgung mit Wasserstoff ermöglichen. Und auch die Sicherheit erreicht durch unzählige Tests die luftfahrtüblichen hohen Standards.“

Gewichtsersparnis von mehreren Tonnen

In späteren Anwendungen soll die Lagerung großer Mengen der benötigten Gase sogar ganz entfallen. „Ungefähr ab dem Jahr 2020 wollen wir auch den Wasserstoff selbst an Bord herstellen“, prognostiziert Josef Kallo. Mit Hilfe eines Katalysators soll der dann aus dem Kerosin der Triebwerke gewonnen werden. Ob das gelingt, hängt aber stark von dessen Zusammensetzung ab. Doch auch mit fremdem Wasserstoff bleiben die Vorteile der Brennstoffzelle erhalten.

Dazu gehört auch die Nutzung des eigentlichen Abfallprodukts, des Wassers. „Auf einem Flug von Frankfurt nach Los Angeles werden bis zu acht Tonnen Wasser benötigt, vom Kaffee bis zur Klospülung“, rechnet Josef Kallo vor. Sämtliches Frischwasser muss in großen Tanks vom Start weg mitgeführt werden. Mit einer Brennstoffzelle als APU könnte man nahezu die Hälfte dieser Wassermenge selbst erzeugen. So macht man das Flugzeug um mehrere Tonnen leichter.

„Bis es soweit ist, haben wir aber noch ein ausgedehntes Testprogramm zu absolvieren“, sagt Josef Kallo. Dabei steht vor allem die Anpassung der Brennstoffzelle für den Einsatz in der Luftfahrt auf dem Programm. Die Tests zu ihrem Verhalten bei Unterdruck, starken Beschleunigungen und Vibrationen hat die Brennstoffzelle im Airbus des DLR bereits bestanden. „Für die nächsten Jahre steht nun die Steigerung der Effizienz an erster Stelle“, erläutert Josef Kallo. „Auch den Aufbau von Regularien und Dokumentationen für die Zulassung werden wir beim DLR übernehmen.“

Auch der Projektpartner Airbus baut auf die Erfahrungen, die mit dem Testflugzeug gesammelt werden. Sind die Ergebnisse zufriedenstellend, könnten die ersten Brennstoffzellen vielleicht schon bald in neuen Jets in Serie gehen. Die Zeit der metallisch glänzenden Auspuffrohre wäre dann wohl endgültig vorbei.

Text: Michael Lagemann

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