Die Zukunft der Luftfahrt? Rolls-Royce meldet Patent für Wasserstoffantriebssystem an

Die Antriebstechnologie hat sich im letzten Jahrhundert stetig weiterentwickelt, angefangen bei Kolbenmotoren bis hin zur heutigen Ära der Turbofan-Triebwerke. Hinter den Kulissen finden jedoch immer Innovationen statt, und die Branche könnte kurz davor stehen, eine neue Antriebsform einzuführen, die Wasserstoff als primäre Kraftstoffquelle nutzt. Obwohl sich Motoren bereits seit Jahren in der Entwicklung befinden, sind sie noch weit von der Marktreife für den breiten kommerziellen Einsatz entfernt.

Führender Motorenhersteller verfolgt eigene Wasserstoffmotorenkonstruktionen und hat kürzlich ein Kraftstoffsystem für ein Gasturbinentriebwerk patentieren lassen, das für die Verbrennung von Wasserstoffkraftstoff konfiguriert ist. Dieser neuartige Ansatz zur Wasserstoffenergie könnte dazu beitragen, eines der Hauptprobleme bei der Verwendung von flüssigem Wasserstoff als Kraftstoffquelle zu lösen, nämlich seine extrem niedrige Temperatur. Die Idee von Rolls-Royce besteht darin, den Wasserstoff mithilfe einer Kraftstoffturbine zu erhitzen, bevor er das Triebwerk erreicht, wodurch ein stabilerer Verbrennungsprozess entsteht.

Rolls-Royce patentiert neues Wasserstoff-Verbrennungssystem

Laut der Patentanmeldung umfasst das neue Kraftstoffsystem eine Hauptbrennstoffleitung mit einer Kraftstoffpumpe, „die so konfiguriert ist, dass sie mit Wasserstoff in der Kraftstoffleitung betrieben wird, um den Kernbrenner des Gasturbinentriebwerks mit unter Druck stehendem Kraftstoff zu versorgen.“ Es wird außerdem über eine Hilfsbrennkammer verfügen, die einen Teil des Wasserstoffbrennstoffs verbrennt, um den Rest des Brennstoffs zu erhitzen. Mit anderen Worten handelt es sich um ein autarkes System, das eine kleine Menge Wasserstoff aus der Hauptbrennstoffleitung abzweigt, um den Brennstoff vorzuwärmen.

Während Wasserstoff theoretisch eine der saubersten Treibstoffquellen ist, ist er in der Praxis eine der am schwierigsten umzusetzenden in einem Flugzeug. Dies liegt daran, dass Wasserstoff im Vergleich zu herkömmlichem Kerosin ein größeres Speichervolumen erfordert, was große Probleme für das Flugzeugdesign und die Flughafeninfrastruktur mit sich bringt. Flüssiger Wasserstoff muss außerdem bei extrem niedrigen Temperaturen gespeichert werden und weist einen volatileren Verbrennungsprozess auf.

Das von Rolls-Royce vorgeschlagene System würde dazu beitragen, diese beiden Probleme zu lösen und eine kontrollierte und effiziente Architektur für die Kraftstoffzufuhr bereitzustellen. Während Wasserstoff-Brennstoffzellen eine viel bessere praktische Durchführbarkeit gezeigt haben, ist die Wasserstoffverbrennung eine andere Sache. Flüssiger Wasserstoff muss bei -253 °C gespeichert werden, was bedeutet, dass Flugzeuge isolierte Treibstofftanks benötigen, die ihn sicher speichern können. Aufgrund der im Vergleich zu Düsentreibstoff geringeren Dichte nehmen diese Tanks jedoch mehr Platz ein als herkömmliche Tanks, was den Flugzeugkonstrukteuren Kopfzerbrechen bereitet.

Kleine und mittelgroße Flugzeuge bis zum nächsten Jahrzehnt?

Da noch Jahre intensiver Entwicklung und Tests vor uns liegen, können wir nicht damit rechnen, in absehbarer Zeit wasserstoffbetriebene Systeme in einem großen Verkehrsflugzeug zu sehen. Die Technologie muss zunächst auf kleineren Plattformen ausgereift werden, bevor sie auf große Passagierflugzeuge ausgeweitet werden kann. Rolls-Royce ist einer der Pioniere auf diesem Gebiet und führt vor Beginn der Flugerprobung umfassende Tests durch.

Das Unternehmen strebt an, ab Mitte der 2030er-Jahre über einen wasserstoffbetriebenen Motor für den Antrieb kleiner und mittlerer Flugzeuge zu verfügen, auch wenn der Weg noch weit ist. Das Unternehmen hat bereits zwei Jahrzehnte damit verbracht, verschiedene wasserstoffbetriebene Konzepte zu erforschen, einschließlich der Verwendung von Wasserstoff-Brennstoffzellen als Ersatz für elektrische Batterieleistung. Beginnend mit Leichtflugzeugen vor dem Ende des Jahrzehnts können wir davon ausgehen, dass Mitte der 2030er Jahre eine weltweite Flotte von Flugzeugen mit 30 bis 40 Sitzplätzen eingeführt wird.

Rolls-Royces Kombination aus Wasserstoff- und Gasturbinentechnologie wäre revolutionärer, obwohl der Triebwerkshersteller glaubt, dass dies aufgrund der Komplexität der Wasserstoffverbrennung wahrscheinlich nur für kleinere Flugzeuge realisierbar wäre. Laut Rolls-Royce

„Während Wasserstoff auch direkt als Treibstoff in einer Gasturbine verwendet werden kann, wird dies wahrscheinlich in den Kurzstreckensegmenten Einzug halten, wo die Reichweite der Flugzeuge kürzer ist. Angesichts der mit der Speicherung von Wasserstoff verbundenen Volumenbeschränkungen und der begrenzten Leistungsdichte von Brennstoffzellen werden SAF-Gasturbinen für Langstrecken die wahrscheinlichste Lösung für die Zukunft bleiben.“

Die Industrie setzt auf Wasserstoff als sauberen Kraftstoff

Wenn Wasserstoff in Brennstoffzellen verwendet wird, stößt er kein Kohlendioxid aus, weshalb er für die Industrie eine so beneidenswerte Möglichkeit darstellt. Fluggesellschaften und Flughäfen stehen unter enormem Druck, ihre CO2-Emissionen zu reduzieren, während die potenziell niedrigeren Kosten im Vergleich zu Kerosin ein klarer Pluspunkt sind. Da sich die Industrie das Ziel gesetzt hat, bis 2050 Netto-CO2-Emissionen von Null zu erreichen, ist Wasserstoff eine der vielversprechendsten Technologien, die derzeit in Betracht gezogen werden, obwohl die Entwicklung eines rein wasserstoffbetriebenen Flugzeugs weitaus schwieriger ist.

Stattdessen scheint die Kombination von Wasserstoff mit anderen Kraftstoffsystemen die praktikabelste Option zu sein. Wasserstoffelektrische Triebwerke stehen bereits kurz vor der Inbetriebnahme, und einige große Interessenvertreter wie ZeroAvia streben die Inbetriebnahme von Regionalflugzeugen bereits im Jahr 2028 an.

Programm	Größe / Typ	Kapazität	Geplantes Eintrittsdatum
ZeroAvia (ZA600)	Regionaler / kleiner Turboprop	10–20 Passagiere	Mitte 2026
ZeroAvia (ZA2000)	Regional / Turboprop	40–90 Passagiere	2027
Airbus ZEROe	Verkehrsflugzeug	Bis zu 200 Passagiere	Kürzlich verzögert
Universeller Wasserstoff	Regionaler Turboprop	40 Passagiere	2026–2027
H2FLY	Regionalflugzeuge	30–40 Passagiere	Mitte 2025

Das EU-Projekt Horizon Europe stellt Investitionen für die Wasserstoffforschung von Rolls-Royce bereit und umfasst Ingenieure, Wissenschaftler und spezielle Testgeräte, die zur Weiterentwicklung der Wasserstoffverbrennungstests erforderlich sind. Die Initiative hat bereits große Fortschritte gemacht, und Rolls-Royce steht kurz davor, mit der umfassenden Bodenerprobung einer Wasserstoffgasturbine zu beginnen. Rolls-Royce ist außerdem Teil der EU-Initiative „Clean Aviation“, die verschiedene Technologien erforscht, um effizientere, CO2-freundlichere Antriebe zu entwickeln. Konkret dieCAVENDISHDas Projekt – das für „Consortium for the AdVent of aero-Engine Demonstration and Aircraft Integration Strategy with Hydrogen“ steht – befasst sich mit Wasserstoff als Flugkraftstoff.

Die Zukunft von Wasserstoff in der Luftfahrt ist unklar

Während Wasserstoff als emissionsfreier Kraftstoff vielversprechend ist, vertreten Branchenvertreter unterschiedliche Ansichten hinsichtlich seines Potenzials für eine umfassende weltweite Nutzung. Neben den Herausforderungen bei der Flugzeugkonstruktion bei der Nutzung und Speicherung von Wasserstoff ist der Mangel an globaler Infrastruktur zu seiner Unterstützung ein weiteres großes Hindernis. Die derzeitige Produktion von nutzbarem Wasserstoff ist sehr gering und die Kosten für den Ausbau der Infrastruktur sind beträchtlich. Letztlich sind Flughäfen und Energiekonzerne unsicher, ob sie Milliarden in die Infrastruktur investieren sollen, wenn die Nachfrage ausbleibt.

Airbus gab kürzlich bekannt, dass es sein ZEROe-Programm verschiebt, was darauf hindeutet, dass das angestrebte Startdatum 2035 um fünf oder zehn Jahre verschoben werden könnte. Der Flugzeugbauer sollte eigentlich einen Airbus A380 als Prüfstand für Wasserstofftriebwerke nutzen, hat diese Tests nun aber eingestellt. Airbus startete sein ZEROe-Projekt im Jahr 2020 und prüfte verschiedene Möglichkeiten, bevor es sich für ein Brennstoffzellendesign entschied. Airbus sagte:

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„Wasserstoff hat das Potenzial, eine transformative Energiequelle für die Luftfahrt zu sein. Wir sind uns jedoch bewusst, dass die Entwicklung eines Wasserstoff-Ökosystems – einschließlich Infrastruktur, Produktion, Verteilung und regulatorischer Rahmenbedingungen – eine große Herausforderung darstellt, die globale Zusammenarbeit und Investitionen erfordert.“

Die britische Zivilluftfahrtbehörde (CAA) hat bekannt gegeben, dass sie ihre Hydrogen Challenge ausweiten wird, eine Initiative, die Mittel für Dekarbonisierungslösungen in der Luftfahrt bereitstellt. Die meisten Entwickler sind sich einig, dass Wasserstoff eine kleinere Ergänzung zu herkömmlichen Kraftstoffen bleiben und kein unmittelbarer Ersatzkraftstoff sein wird. Dies wird Wasserstoff in Hybridsystemen nützlich machen und ihn mit elektrischen oder nachhaltigen Flugkraftstoffen kombinieren, um die globalen Flottenemissionen zu reduzieren.

Könnten größere Flugzeuge mit Wasserstoff betrieben werden?

Wir werden in den kommenden Jahren wahrscheinlich einen rasanten Anstieg der Beliebtheit von wasserstoffelektrischen Regionalflugzeugen erleben, aber es bleibt die Frage, ob die Technologie jemals in einem großen Verkehrsflugzeug eingesetzt werden kann. Skeptiker der Zukunft von Wasserstoff in der Luftfahrt halten ihn für zu unpraktisch für Langstreckenflüge, da er mehr Platz einnimmt als herkömmlicher Flugzeugtreibstoff. Das bedeutet, dass die Betreiber entweder Reichweite oder Kapazität opfern müssten, um größere Kraftstofftanks unterzubringen.

Rolls-Royce hat zugegeben, dass die Machbarkeit der Betankung großer Verkehrsflugzeuge, insbesondere Großraumflugzeuge, aufgrund der technischen Komplexität der Wasserstoffspeicherung fraglich ist. Dies würde grundlegend andere Flugzeugkonstruktionen erfordern, um den zusätzlichen Treibstoff aufzunehmen, der für die gleiche Distanz wie ein mit Kerosin betriebener Jet erforderlich wäre.

Ob die Hersteller dieses Problem lösen können, bleibt abzuwarten. Ein solches Flugzeug kann möglicherweise sicher gebaut werden, würde jedoch wahrscheinlich auf Kosten der Passagierkapazität und/oder der Reichweite gehen.

Bedenken hinsichtlich der Produktion von grünem Wasserstoff bleiben bestehen

Obwohl Wasserstoff bei der Verwendung als Kraftstoff nur Wasserdampf freisetzt, bedeutet dies nicht, dass seine Verwendung vollständig CO2-neutral war. Dies liegt daran, dass Wasserstoff durch umweltschädliche Methoden wie Kohle und Gas hergestellt werden kann, was nicht zu den Dekarbonisierungsbemühungen der Industrie beiträgt.

Grüner Wasserstoff ist die sauberste Form der Wasserstoffproduktion und wird mit Strom aus erneuerbaren Quellen wie Wind-, Solar- oder Wasserkraft erreicht. Wie Rolls-Royce es ausdrückt: „Nur Wasserstoff, der aus erneuerbaren Energiequellen hergestellt wird, ist wirklich CO2-neutral“, der größte Teil des heute verwendeten Wasserstoffs wurde jedoch mit Kohle und Gas hergestellt.

Auch die aktuellen Kosten für grünen Wasserstoff sind deutlich höher als bei der Produktion mit fossilen Brennstoffen, sodass unklar bleibt, ob die Infrastruktur für eine ausreichende Produktion aufgebaut werden könnte. Die Internationale Energieagentur (IEA) Ssagt, dass grüner Wasserstoffkönnte bis 2035 1,50 bis 2 US-Dollar pro kg erreichen und damit gegenüber den Kerosinpreisen wettbewerbsfähiger werden, aber dies würde einen erheblichen Ausbau der derzeitigen Produktionskapazitäten erfordern.