Skalierbares Wasserstoffsystem ermöglicht emissionsfreies Fliegen

Mobilität ist ein entscheidender Teil unseres Alltagslebens und die Luftfahrt ist ein Schlüsselfaktor für die Möglichkeit, schnell von einem Ort zum anderen zu reisen.

Die Luftfahrtindustrie ermöglicht es Menschen und Gütern, innerhalb weniger Stunden kilometerweit zu reisen. Sie verbindet Menschen wie kein anderes Verkehrsmittel. Sie leistet damit einen bedeutenden Beitrag zur Weltwirtschaft und trägt 3.5 % zum weltweiten Bruttoinlandsprodukt (BIP) bei. 

Darüber hinaus bietet die Branche weltweit insgesamt 86.5 Millionen Arbeitsplätze, wobei die geschätzte Marktgröße der globalen Luftfahrtindustrie 760 Milliarden US-Dollar übersteigt.

Insbesondere wird prognostiziert, dass Fluggesellschaften weltweit ca. 9.5 Milliarden Passagiere im Jahr 2024, was einem Anstieg von 104 % gegenüber 2019 und einem Anstieg von 9 % entspricht Laut ACI World ab 2023. Dieses Wachstum wird sich voraussichtlich noch beschleunigen, wobei das weltweite Passagieraufkommen bis 19.5 voraussichtlich 2042 Milliarden erreichen wird.

Die Luftfahrtindustrie expandiert deutlich und hat eine vielversprechende Zukunft. Allerdings trägt sie auch dazu bei, Treibhausgasemissionen (THG). in erheblichem Maße.

Während der Flugverkehr einen relativ geringen Anteil an den globalen Emissionen hat, 2.5%Zwischen 2000 und 2019 wuchs er schneller als der Schienen-, Straßen- und Schiffsverkehr. Diese gestiegene Nachfrage nach internationalen Reisen nach der Covid-19-Pandemie führte tatsächlich dazu, dass die Flugverkehrsemissionen fast 950 Mt CO2 erreichten.

Die Emissionen des Flugverkehrs nehmen nicht nur rasant zu, die Dekarbonisierung des Luftverkehrs ist auch einer der schwierigsten Sektoren und stellt somit eine große Herausforderung für die Umwelt dar.

Daher liegt der Fokus der Branche derzeit auf der Dekarbonisierung ihrer Betriebe und der Erreichung des Netto-Null-Ziels. Dies beinhaltet Reduzierung der CO2-Emissionen auf ein Niveau, das die Natur bis 2050 aufnehmen kann.

Das Potenzial von Wasserstoff für eine emissionsfreie Luftfahrt nutzen

Da die Luftfahrt einen erheblichen Anteil an den weltweiten Kohlendioxid- und Kondensstreifenemissionen hat, ist es zunehmend wichtiger geworden, fortschrittliche und umfassende Lösungen zu entwickeln, um die Klimaziele der Branche zu erreichen. 

Eine vielversprechende Lösung ist Wasserstoff, das leichteste und am häufigsten vorkommende chemische Element im Universum, das etwa 75 % aller normalen Materie ausmacht.

Dieses chemische Element hat sich dank seiner sauberen Verbrennung zu einem beliebten und wertvollen Mittel zur Dekarbonisierung entwickelt. Es handelt sich um einen sauber brennenden Brennstoff, da bei der Verbrennung lediglich Wasserdampf als Nebenprodukt entsteht.

Darüber hinaus ist die gravimetrische Energiedichte von Wasserstoff, also die verfügbare Energie pro Masseneinheit eines Stoffes, etwa 2.8-mal höher als die des herkömmlichen Flugbenzines Kerosin. Wasserstoff hat mit etwa 120 kJ/g sogar die höchste gravimetrische Energiedichte aller bekannten Stoffe. Kerosinbasiertes Flugbenzin hingegen hat eine Energiedichte von 43 MJ/kg.

Allerdings hat Wasserstoff bei Umgebungsbedingungen eine geringe Dichte von 0.08 kg/m³. Dies stellt insbesondere bei Langstreckenflügen eine große Herausforderung für die Lagerung dar.

Eine praktische Alternative hierzu ist die Speicherung des farb-, geruch- und geschmacklosen Gases in flüssiger Form bei 20 K. Diese Form erhöht die Dichte von Wasserstoff auf 𝜌𝐿𝐻2 = 70.8 kg/m³, was sich als Lösung für Anwendungen in der Luftfahrt herausgestellt hat.

Darüber hinaus haben die Unternehmen verschiedene Aspekte der Integration von flüssigem Wasserstoff (LH2) in Flugzeuge untersucht, darunter Wärmemanagement, Druckkontrollmechanismen, Isolierungsstrategien und die Konstruktion kryogener Tanks.

Ein ganzheitliches System, das LH2-Speicherung, Wärmemanagement und Transfersteuerung in einer auf das Flugzeugdesign skalierbaren Form integriert, ist jedoch noch wenig erforscht.

Ein Forscherteam des FAMU-FSU College of Engineering, einer gemeinsamen technischen Fakultät der Florida A&M University und der Florida State University, hat ein System zur Speicherung und Abgabe von flüssigem Wasserstoff entwickelt, das der Luftfahrtindustrie dabei helfen kann, ihr Ziel der Emissionsfreiheit zu erreichen.  

Mit Unterstützung der NASA entwarf die Studie ein skalierbares, integriertes System, das mehrere technische Herausforderungen löst, indem es die Nutzung von Wasserstoff als sauberen Kraftstoff ermöglicht. Wasserstoff wird auch als integriertes Kühlmittel für kritische Antriebssysteme an Bord von Elektroflugzeugen eingesetzt. 

Das Team zeigte, dass flüssiger Wasserstoff effizient gespeichert, sicher übertragen und zum Kühlen kritischer Bordsysteme verwendet werden kann, während er gleichzeitig den Strombedarf des Flugzeugs während der Start-, Reise- und Landephase deckt.

Laut Wei Guo, dem korrespondierenden Autor der Studie, einem Professor der Fakultät für Maschinenbau:

„Unser Ziel war es, ein einheitliches System zu entwickeln, das mehrere wichtige Aufgaben übernimmt: Treibstoffspeicherung, Kühlung und Lieferkontrolle. Dieses Design legt den Grundstein für reale Wasserstoff-Flugsysteme.“

Wasserstoff-Hybrid-Elektroflugzeuge: Skalierbare Antriebslösung

Veröffentlicht in Angewandte Energie¹Die Studie widmet sich der Reduzierung der Kohlenstoff- und Kondensstreifenemissionen der Luftfahrtindustrie, die maßgeblich zum Klimawandel beitragen. Dazu schlägt sie ein innovatives Design für ein System zur Speicherung von flüssigem Wasserstoff, zum Wärmemanagement und zur Steuerung seiner Übertragung vor, das speziell auf die integrierte emissionsfreie Luftfahrt (IZEA) zugeschnitten ist. 

Das IZEA ist eine Kooperation zwischen Wissenschaft und Industrie mit dem Ziel, die Treibhausgasemissionen der kommerziellen Luftfahrt auf Null zu senken. Zu den Industriepartnern gehören Raytheon Technologies, Boeing und Advanced Magnet Laboratories.

Im Rahmen dieser Zusammenarbeit wird insbesondere die hybride Stromerzeugung durch eine Kombination aus Brennstoffzellen und Turbogeneratoren untersucht, wobei Wasserstoff entweder mit konzentriertem Sauerstoff oder Umgebungsluft verwendet wird.

Das Ziel von IZEA besteht darin, herauszufinden, wie flüssiger Wasserstoff als Kraftstoff genutzt werden kann und gleichzeitig die Effizienz und Leistung ohne Gewichtszunahme gesteigert werden kann.

Sie ausgewählt das FAMU-FSU College of Engineering soll Ende 2022 im Rahmen eines fünfjährigen, 10 Millionen Dollar teuren Projekts bei der Entwicklung eines nachhaltigen Luftfahrtsystems helfen.

Um die nationale Agenda für Energiesysteme und den Antrieb kommerzieller Flugzeuge umzusetzen und die schädlichen Emissionen der Luftfahrtindustrie zu senken, wird das FAMU-FSU-Team mit Forschern der University of Kentucky, der University at Buffalo, Georgia Tech und Industriepartnern zusammenarbeiten, wie IZEA vor zweieinhalb Jahren ankündigte.

Nun hat die Zusammenarbeit das Fehlen eines ganzheitlichen Systems behoben, indem sie ein skalierbares und umfassendes wasserstoffbasiertes Antriebssystem für zukünftige Flugzeuge gebaut hat. 

Das Projekt beginnt mit regionalen Kurzstreckenflügen, um die kurzfristige Machbarkeit von mit flüssigem Wasserstoff betriebenen Flugzeugen zu prüfen. Im Mittelpunkt steht dabei ein Prototyp-Flugzeug mit einer Blended Wing Body-Konfiguration, das 100 Passagiere befördern kann.

Das Hybrid-Elektroflugzeug bezieht seine Energie sowohl aus Wasserstoffbrennstoffzellen als auch aus Hochtemperatur-Supraleiter-Elektrogeneratoren (HTS), die von mit Wasserstoff betriebenen Verbrennungsturbinen angetrieben werden. 

Brennstoffzellen bieten eine Lösung zur Vermeidung von Stickoxid-Emissionen und Kondensstreifen. Deshalb untersuchen auch Unternehmen wie Airbus und CHEETA brennstoffzellenbetriebene Flugzeuge. Das Problem der aktuellen Brennstoffzellenstapel ist jedoch ihr enormes Volumen, was die Stromversorgung eines großen Flugzeugs in den verschiedenen Phasen, insbesondere beim Start, erschwert.  Als Lösung für dieses Problem führte das Team die duale Stromquelle ein. 

Brennstoffzellen kommen bei geringer Belastung, wie beispielsweise beim Rollen und im Reiseflug, mit einer maximalen Leistung von etwa 6.8 MW zum Einsatz. Gleichzeitig liefern wasserstoffturbinenbetriebene supraleitende Generatoren die zusätzliche Leistung (9.4 MW), die beim Start benötigt wird. Diese Kombination bringt die Gesamtleistung auf eine Spitzenleistung von 16.2 MW und erhöht die Ausfallsicherheit durch Stromredundanz.

Um das Dichteproblem zu lösen – Wasserstoff hat eine geringere Dichte und nimmt daher viel Platz ein, sofern er nicht bei -253 °C als superkalte Flüssigkeit gelagert wird –, haben die Forscher Kryotanks und die zugehörigen Subsysteme unter Verwendung eines neuen gravimetrischen Index entwickelt.

Der Index ist das Verhältnis der Kraftstoffmasse zum gesamten Kraftstoffsystem, der Index des Teams umfasst jedoch die Masse des Wasserstoffkraftstoffs, der Tankstruktur, der Wärmetauscher, der Isolierung, der Arbeitsflüssigkeiten und der Kreislaufgeräte.

Um die Konfiguration zu finden, die die maximale Brennstoffmasse im Verhältnis zur Gesamtsystemmasse ergibt, passten die Forscher die Schlüsselparameter wie Entlüftungsdruck und Wärmetauscherabmessungen so lange an, bis sie die optimale Konfiguration gefunden hatten.

Die ideale Auslegung erreichte einen gravimetrischen Index von 0.62. Das bedeutet, dass 62 % des Gesamtgewichts des Systems aus nutzbarem Wasserstoffbrennstoff bestehen, was eine erhebliche Verbesserung gegenüber herkömmlichen Konstruktionen darstellt.

Für das Wärmemanagement, die andere Schlüsselfunktion des Systems, installierten die Forscher kein separates Kühlsystem, sondern leiteten den extrem kalten Wasserstoff über Wärmetauscher. Diese stufenweise angeordneten Wärmetauscher führen die Abwärme von Komponenten wie Kabeln, Motoren, supraleitenden Generatoren und Leistungselektronik ab. Durch die Aufnahme dieser Wärme steigt die Temperatur des Wasserstoffs schrittweise an.

Optimierung der Wasserstoffversorgung und des Wärmemanagements im Flug

Die Versorgung des Flugzeugs mit flüssigem Wasserstoff bringt ganz eigene Herausforderungen mit sich. Pumpen beispielsweise erhöhen nicht nur das Gewicht, sondern auch die Komplexität des Systems und können unter kryogenen Bedingungen unerwünschte Wärme erzeugen. 

Um diese Herausforderungen zu bewältigen, entwickelte das Team ein pumpenfreies System, das den Tankdruck zur Steuerung des Wasserstoffflusses nutzt. 

Der Druck wird durch Einspritzen von Wasserstoffgas aus einer herkömmlichen Hochdruckflasche erhöht und durch Ablassen von Wasserstoffdampf gesenkt. Zur Echtzeit-Druckanpassung verbindet eine Rückkopplungsschleife Drucksensoren mit dem Leistungsbedarf des Flugzeugs. Dies gewährleistet die genaue Wasserstoffflussrate in allen Flugphasen. 

Den Simulationen zufolge kann das System Wasserstoff mit einer Rate von bis zu 0.25 Kilogramm pro Sekunde liefern. Diese Rate reicht aus, um den Strombedarf von 16.2 Megawatt beim Start oder im Notfall, wenn das Flugzeug durchstarten muss, zu decken.

Bei sequenziellem Wärmeaustausch kühlt der Wasserstoff während seines Durchflusses durch das System zunächst Komponenten, die bei kryogenen Temperaturen arbeiten, wie Kabel und HTS-Generatoren. Anschließend absorbiert er Wärme von Komponenten mit höheren Temperaturen, wie Motoren und Leistungselektronik. Bevor der Wasserstoff die Brennstoffzellen erreicht, wird er schließlich vorgewärmt, um die optimalen Bedingungen am Brennstoffzelleneinlass zu erreichen.

Durch diese stufenweise thermische Integration kann flüssiger Wasserstoff sowohl als Kraftstoff als auch als Kühlmittel verwendet werden. Dadurch wird die Effizienz des Systems maximiert und gleichzeitig die Komplexität der Hardware minimiert.

„Bisher war man sich unsicher, wie man flüssigen Wasserstoff in einem Flugzeug effektiv transportieren und ob man ihn auch zur Kühlung der Antriebskomponenten nutzen kann. Wir haben nicht nur gezeigt, dass es machbar ist, sondern auch, dass für diese Art von Design eine Optimierung auf Systemebene erforderlich ist.“

- Guo

Der Schwerpunkt der Studie lag auf Designoptimierung und Systemsimulation. Im nächsten Schritt werden die Forscher eine experimentelle Validierung durchführen. Dazu baut das Team ein Prototypsystem und führt anschließend Tests im Center for Advanced Power Systems der FSU durch.

In ihrer zukünftigen Arbeit werden sich die Forscher auch auf die Konstruktion der Wärmetauscher konzentrieren, die in jedem Kreislauf vorhanden sind und die Wärme von den Komponenten auf das Arbeitsmedium übertragen. In der aktuellen Studie fehlen detaillierte Angaben zu Material, Größe und thermischen Eigenschaften dieser Komponenten.

Innovative Wärmemanagementstrategien stehen ebenfalls im Fokus, um die Brennstoffzellenstapel zu kühlen und die erhebliche Wärmeentwicklung während des Betriebs zu reduzieren. Diese Fortschritte, so die Studie, seien entscheidend für die Weiterentwicklung der gesamten Wärmemanagementarchitektur und die praktische Umsetzung emissionsfreier Luftfahrttechnologien.

Investitionen in wasserstoffbetriebene Luftfahrttechnologien

Wenn es um Investitionen im Luftfahrtsektor geht, RTX-Erweiterung (RTX )bietet eine Chance mit großem Potenzial. Das weltweit größte Luft- und Raumfahrt- und Verteidigungsunternehmen ist ein zentraler Industriepartner in der IZEA-Zusammenarbeit. Es verfügt außerdem über umfangreiche Forschungs- und Entwicklungsprogramme für nachhaltige Luftfahrttechnologien, darunter Brennstoffzellen- und wasserstoffbetriebene Systeme.

RTX Corp. (RTX ) 

RTX ist in drei Hauptsegmenten tätig:

• Collins Aerospace beliefert kommerzielle Fluggesellschaften, Hersteller ziviler und militärischer Flugzeuge sowie Raumfahrtunternehmen mit technologisch fortschrittlichen Produkten aus den Bereichen Luft- und Raumfahrt und Verteidigung.
• Das Segment Pratt & Whitney liefert Flugzeugtriebwerke an militärische, allgemeine und kommerzielle Kunden.
• Raytheon entwickelt Raketen, intelligente Waffen und fortschrittliche Luft- und Raketenabwehrsysteme.

Über die Abteilungen Collins Aerospace und Pratt & Whitney ist RTX aktiv an der Entwicklung und Erprobung wasserstoffbetriebener Flugzeuge und verwandter Technologien beteiligt.

Dazu gehört das HySIITE-Programm, das der Luftfahrtindustrie die Nutzung von Wasserstoff in großem Maßstab ermöglichen soll. Das von der Advanced Research Projects Agency-Energy des Energieministeriums geförderte Projekt ist für flüssigen Wasserstoff optimiert und wird im Dezember 2024 abgeschlossen. Die HySIITE-Prüfstandstests zeigten eine 99.3-prozentige NOx-Reduktion im Vergleich zu einem GTF-Triebwerk und eine bis zu 35-prozentige Verbesserung der Energieeffizienz.

Zwei weitere Projekte des Unternehmens arbeiten derzeit daran, die Zukunft des Wasserstoffs in der Luftfahrt voranzutreiben. Die Hydrogen Advanced Engine Study (HyADES), die von der gemeinsamen Industrie-Regierungsinitiative Kanadas, INSAT, unterstützt wird, arbeitet an der Weiterentwicklung der Wasserstoffnutzung für Turboprop-Flugzeuge. COCOLIH2T wiederum wird vom Clean Hydrogen Joint Undertaking der EU gefördert und entwickelt eine Methode zur Speicherung von Treibstoff.

Was die Marktperformance von Raytheon betrifft, so verzeichneten die Aktien einen Höhenflug. Die Aktien des Unternehmens, dessen Marktkapitalisierung zum Zeitpunkt des Schreibens 183.64 Milliarden US-Dollar betrug, notierten bei über 137.50 US-Dollar, einem neuen Allzeithoch (ATH) und verzeichneten seit Jahresbeginn einen Zuwachs von 18.7 %.

Die RTX-Aktie verzeichnete in den letzten drei Jahrzehnten ein stetiges Wachstum. Seit den Tiefstständen im April ist die Aktie um rund 21 % gestiegen. Der Gewinn pro Aktie (EPS) beträgt 3.41 und das KGV (TTM) 40.31. Raytheon bietet zudem eine attraktive Dividendenrendite von 1.98 %.

Was die Finanzen des Unternehmens betrifft, berichtet Starke Leistung im ersten Quartal 2025 mit einem Umsatzanstieg von 5 % gegenüber dem Vorjahr auf 20.3 Milliarden US-Dollar und einem bereinigten Gewinn pro Aktie von 1.47 US-Dollar. Der operative Cashflow von Raytheon betrug in diesem Zeitraum 1.3 Milliarden US-Dollar und der freie Cashflow 0.8 Milliarden US-Dollar. Der Auftragsbestand beträgt 217 Milliarden US-Dollar, davon 92 Milliarden US-Dollar im Verteidigungsbereich und 125 Milliarden US-Dollar im kommerziellen Bereich.

„Wir sind stark ins Jahr 2025 gestartet. Das aktuelle Umfeld ist eindeutig sehr dynamisch, aber unser Unternehmen ist für die operative Leistung gut aufgestellt und unsere Teams konzentrieren sich weiterhin darauf, unsere Verpflichtungen zu erfüllen und unseren soliden Auftragsbestand abzuarbeiten.“

– RTX-Präsident und CEO Chris Calio

Für das gesamte Jahr 2025 prognostiziert das Unternehmen einen bereinigten Umsatz zwischen 83 und 84.0 Milliarden US-Dollar, einen bereinigten Gewinn pro Aktie zwischen 6.00 und 6.15 US-Dollar und einen freien Cashflow von 7 bis 7.5 Milliarden US-Dollar. Dabei ist jedoch zu beachten, dass diese Schätzungen die Auswirkungen der kürzlich eingeführten Zölle nicht berücksichtigen.

Inmitten all dessen erhielt das Unternehmen erst diese Woche von der US-Marine einen 536-Millionen-Dollar-Auftrag für die Radarserie SPY-6. Diese ist mittlerweile auf zwei ihrer Schiffe installiert, drei weitere stehen kurz vor der Installation. Im Laufe des nächsten Jahrzehnts werden die Radare auf über 60 Schiffen der US-Marine zum Einsatz kommen.

Im Rahmen des Vertrags wird Raytheon fortlaufenden Support durch Schulung, Installation, Integration und Tests sowie Software-Upgrades zur Verbesserung der Radarfunktionen bereitstellen.

„SPY-6 ist das fortschrittlichste Radar der US-Marineflotte und bietet Schiffen ein neues Maß an Verteidigung gegen sich entwickelnde Bedrohungen.“

– Barbara Borgonovi, Präsidentin von Naval Power bei Raytheon.

Das 13. Raketenabwehrradar AN/TPY-2 wurde ebenfalls an die US-Raketenabwehrbehörde geliefert. Es handelt sich um die erste Einheit mit einem vollständig auf GaN basierenden Array, das die Empfindlichkeit und Leistung des Systems erheblich verbessert.

Darüber hinaus sicherte sich das Unternehmen einen 1.1-Milliarden-Dollar-Auftrag für die Herstellung und Lieferung von AIM-9X Sidewinder-Raketen. Mit diesem Auftrag setzt Raytheon seine langfristige Unterstützung des Sidewinder-Programms fort, eines weltweit weit verbreiteten Kurzstreckenraketensystems.

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Abschließende Gedanken: Die Rolle von Wasserstoff in der nachhaltigen Luftfahrt

Der Luftfahrtsektor wächst rasant und trägt zur globalen wirtschaftlichen und sozialen Entwicklung bei. Gleichzeitig entsteht jedoch ein dringender Bedarf, das Problem der Kohlenstoff- und Kondensstreifenemissionen anzugehen. Wasserstoff mit seiner hohen spezifischen chemischen Energie hat sich hier als vielversprechende, saubere Kraftstoffalternative erwiesen.

Vor diesem Hintergrund präsentiert die neueste Studie einen umfassenden Rahmen für die Entwicklung und Optimierung eines Systems zur Speicherung, Wärmeverwaltung und Transfersteuerung von flüssigem Wasserstoff und demonstriert dessen Potenzial zur Weiterentwicklung effizienter und nachhaltiger Luftfahrttechnologien.

Durch die Nutzung der positiven Auswirkungen von Wasserstoff auf den Klimawandel und die Luftqualität verfügt die Luftfahrtindustrie nun über einen gangbaren Weg zur Reduzierung ihres CO2-Fußabdrucks und ebnet damit den Weg für eine Zukunft, in der Fernreisen nicht mehr auf Kosten des Planeten gehen.

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Zitierte Studien:

^{1. Virdi, PS, Guo, W., Cattafesta, LN III, Cheetham, P., Cooley, L., Gladin, JC, He, J., Kim, C., Li, H., Ordonez, J., Pamidi, S., & Zheng, J.-P. (2025). Flüssigwasserstoffspeicherung, Wärmemanagement und Transfer-Kontrollsystem für die integrierte emissionsfreie Luftfahrt (IZEA). Applied Energy, 355, 126054. https://doi.org/10.1016/j.apenergy.2025.126054}