Brennstoffzellen sollen Generatoren in Verkehrsflugzeugen ersetzen

Brennstoffzellen werden die Verkehrsflugzeuge der Zukunft wirtschaftlicher und umweltfreundlicher machen: Sie sollen die Generatoren ersetzen, die bislang die elektrische Energie für das Bordnetz erzeugen, und gleichzeitig Wasser für den Gebrauch an Bord liefern. An der Verwirklichung dieses Szenarios arbeiten Entwickler des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR) in Stuttgart und des Flugzeugbauers Airbus.

An Bord eines modernen Verkehrsflugzeugs ist eine elektrische Leistung von rund 500 Kilowatt installiert: Die Technik im Cockpit, die Beleuchtung, Bordküchen und die Klimaanlage benötigen Energie, die im Stand durch eine mit Kerosin betriebene Gasturbine erzeugt wird. Diese arbeitet mit einem Wirkungsgrad von 15 bis 20 Prozent und ist damit vergleichsweise ineffizient. In der Luft erzeugen von den Triebwerken angetriebene Generatoren elektrische Energie.

Die Idee der Flugzeugbauer von Airbus und der Entwickler des DLR ist nun, die Stromversorgung von den Triebwerken unabhängig zu machen. Als alternative Energieversorgung wird dabei der Einsatz von Brennstoffzellen untersucht. Welcher Brennstoffzellentyp einmal zum Einsatz kommen wird, ist noch offen: Gearbeitet wird sowohl an PEM-Brennstoffzellensystemen als auch an Systemen mit SOFC-Stacks.

Beide haben ihre Vorzüge: PEM-Brennstoffzellen sind bereits sehr weit entwickelt und arbeiten bei Temperaturen von unter 100 Grad Celsius, was eine einfache Handhabung ermöglicht. Die Arbeitstemperatur von SOFCs liegt hingegen bei 800 bis 1000 Grad Celsius, was viel härtere Anforderungen an das Material stellt. Bei diesen hohen Temperaturen kann jedoch die Wärme einfacher genutzt werden, um die Effizienz zu erhöhen.

Größter Vorteil der SOFC ist jedoch, dass der Brennstoff Kerosin ohne aufwändige Reinigung und Reformierung umgesetzt werden kann. Bei den PEM-Zellen muss das Kerosin hingegen in einem separaten Reformer zu Wasserstoff und Kohlendioxid reformiert werden. Verunreinigungen mit Kohlenmonoxid müssen aufwändig entfernt werden, ehe das Brenngas in die Zelle gelangt, da diese die Wirkung der Katalysatoren beeinträchtigen.

Die Vorteile von Brennstoffzellen zur Stromerzeugung liegen auf der Hand: Die Zellen arbeiten viel effizienter als Generatoren, vor allem weil die chemische Energie direkt in elektrische Energie umgewandelt wird. Emissionen am Boden werden reduziert. Und wird auch das beim Betrieb der Zellen entstehende Wasser als Brauchwasser an Bord verwendet, können die viele hundert Liter umfassenden Wassertanks kleiner dimensioniert werden, was Gewicht und Kosten spart.

Vor der Realisierung in einem fliegenden Prototypen sind die Systeme allerdings noch weiter zu entwickeln. Zunächst gehe es darum, die Technologie prinzipiell zu erproben und die Schlüsselprobleme zu lösen, erläutert Rudolf Henne vom DLR in Stuttgart. Schließlich bedeute es eine große technische Herausforderung, Brennstoffzellen in so weiten Temperatur- und Luftdruckbereichen zu betreiben, wie sie der Einsatz in einem Flugzeug mit sich bringt.

Zunächst werden die Zellen nur einen kleinen Teil der Stromversorgung an Bord übernehmen. In den Flugzeuggenerationen der Zukunft sollen jedoch die pneumatischen und hydraulischen Systeme, wie sie bislang in den Maschinen zum Einsatz kommen, Schritt für Schritt durch elektro-hydraulische und elektro-pneumatische Systeme ersetzt werden. Brennstoffzellen könnten die dafür nötige elektrische Energie liefern.