Wasserstoff kann ein nachhaltiger Luftfahrtkraftstoff sein, wenn er aus erneuerbarer Energie gewonnen wird und stellt eine vielversprechende Lösung für die Umsetzung des Ziels einer emissionsreduzierten Luftfahrt dar. Anwendungsmöglichkeiten in der Luftfahrt sind die Verbrennung von Wasserstoff in Gasturbinen oder die elektrochemische Umsetzung in Brennstoffzellen (engl. Fuel cells). Die Verwendung von Wasserstoff anstelle von Kerosin oder synthetischen Treibstoffen birgt neue Herausforderungen für die Luftfahrtindustrie mit Auswirkungen für die Auslegung von Luftfahrzeugen als auch die Umrüstung der Infrastruktur am Boden.

Der Fokus der Forschung der TU Wien liegt zum einen auf der Verbesserung der Effizienz einzelner Komponenten des Antriebssystems insbesondere von Getriebesystemen, dem Thermalmanagement aber zum anderen auch in der Technologieintegration im Rahmen einer ganzheitlichen Betrachtung des Flugzeugentwurfs. Trotz der Massenvorteile stellt das erforderliche große Tankvolumen und die im Unterschied zu flüssigen Kohlenwasserstoffen erschwerte oder gar unmögliche Unterbringung des Kraftstoffs im Flügel die größten Herausforderungen für das Design von wasserstoffbetriebenen Verkehrsflugzeugen dar. Zusätzlich erschwert wird dies durch die geringe Temperatur (ca. - 250° C) bei der LH2 gelagert werden muss und den erheblichen Aufwand für die Tankisolation und den Betriebsablauf.

Wasserstoffelektrische Antriebe weisen erhebliche Zusatzmassen auf, dazu gehören neben den Brennstoffzellen selbst, weitere elektrische Komponenten (u.a. Batterien für eine verbesserte Systemdynamik) sowie das Kühlsystem. Der vielversprechendste Einsatzbereich wasserstoffelektrischer Antriebe wird daher derzeit im Kurz- und Mittelstreckenbereich gesehen. Brennstoffzellen wandeln Wasserstoff und Luftsauerstoff direkt in elektrische Energie um, wodurch vollelektrisches Fliegen unter Vermeidung von NOx, wie er etwa bei der Wasserstoffverbrennung entstehen kann, ermöglicht wird.

Aber auch abseits der Energiebereitstellung während des Fluges stellt Wasserstoff neue Anforderungen an die Luftfahrt. So müssen neue Konzepte für Flughäfen entwickelt werden, die sich mit effizienter Betankung – die Betankungszeiten sollten sich von der konventionellen Kerosinbetankung nicht wesentlich unterscheiden –, Verflüssigung und Lagerung sowie geeigneten Sicherheitskonzepten befassen.

Forschungsziele

• Anbindung der Luftfahrt an die Wasserstoffinfrastruktur und Wasserstofftechnologien die im Wesentlichen durch den Bedarf anderer Industrien vorgegeben wird. Ermittlung, an welchen Stellen die Hauptroute zu einer Wasserstoffwirtschaft mitbeschritten werden kann und an welchen Stellen die Luftfahrt eigene Wege gehen muss, die durch luftfahrtspezifische Besonderheiten bedingt sind (Sicherheit und Zulassung, Massen- und Volumensensitivität).
• Der kryogene Kraftstoff LH2 kann nur in gasförmigem Zustand für die Verbrennung und den Brennstoffzellenprozess verwendet werden. Wärmequellen für die Verdampfung von LH2 stehen ausreichend zur Verfügung; es stellt sich jedoch die Frage, ob die beträchtliche Wärmekapazität des Wasserstoffs nicht für höherwertige Funktionen praktisch genutzt werden kann, die das System insgesamt energetisch, wirtschaftlich und/oder unter Klimaschutzgesichtspunkten verbessern. Eine mögliche Anwendung ist die signifikante Erhöhung der Leistungsdichte elektrischer Maschinen und damit die Reduzierung der Maschinenmasse durch kryogene Kühlung.
• Die gravimetrische Leistungsdichte bzw. die Kompaktheit elektrischer Maschinen steigt mit der Drehzahl. Für Großanwendungen können Getriebemotoren eine insgesamt höhere gravimetrische Leistungsdichte erzielen als Direktantriebe. Es stellt sich die Frage, welche Getriebe für die jeweilige Anwendung unter den Gesichtspunkten der Kosten, der Redundanz, der Fehlertoleranz, der Standzeiten bzw. der Wartbarkeit am geeignetsten sind.

Forschungsprojekte

• exFan
• HEROPS