Innovative Flugantriebe Welche Maßnahmen führten bislang zur Reduzierung des Kerosinverbrauchs und wo liegen noch Potenziale zur Effizienzsteigerung?

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1 1 Innovative Flugantriebe Welche Maßnahmen führten bislang zur Reduzierung des Kerosinverbrauchs und wo liegen noch Potenziale zur Effizienzsteigerung? Experte: Dr. Jörg Sieber, MTU Aero Engines GmbH BDL Forum»Klimaschutz im Luftverkehr«Berlin, 21. April

2 1,0 Thermischer/Innerer Wirkungsgrad 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 Neue Kreisprozesse Verteilte Antriebe GTF Turbofan 0,4 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1 Vortriebswirkungsgrad Innovative Flugantriebe Dr. Jörg Sieber, MTU Aero Engines AG BDL-Forum Klimaschutz im Luftverkehr Berlin, 21. April 2016

3 3 Aufbau eines modernen Flugtriebwerks Fan Hochdruckverdichter Hochdruckturbine Niederdruckturbine Niederdruckverdichter Brennkammer Totaltemperatur [K] Totaldruck Totaltemperatur Takeoff Rotation Totaldruck [bar] 0 0

4 Klimawirkung des Luftverkehrs Die Klimawirkung des Luftverkehrs beruht im wesentlichen auf *: den CO 2 -Emissionen der Ozonproduktion infolge NO X -Emissionen der Bildung von Kondensstreifen und Zirruswolken Die CO 2 -Emissionen können nur durch eine Verbesserung der Effizienz verringert werden. Der Anteil des Luftverkehrs am gesamten CO 2 -Ausstoß beträgt heute ~ 2,4 %**. Die NO x -Emissionen können durch neue Brennkammerkonzepte (Lean Combustion) noch deutlich verringert werden. Die Entstehung von Kondensstreifen und Zirruswolken kann durch die Flugroutenwahl oder tieferes Fliegen vermieden bzw. deutlich reduziert werden. Climate change from Aircraft Radiative forcing from aviation in 1992, IPCC 2007 Lines around the bars show uncertainty Level of scientific understanding good fair poor poor fair very fair fair poor * IPCC 2007 ** International Energy Agency, Daten für 2011 Source: Intergovernmental Panel on Climate Change IPCC April 2016 Innovative Flugantriebe - Dr. Jörg Sieber 4

5 Effizienz von Flugtriebwerken η gesamt = η Vortrieb η thermisch Turbofan GTF Open Rotor 1,0 Idealer Arbeitsprozess Carnot T max = 2000K Thermischer/Innerer Wirkungsgrad 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 Turbofan 0,4 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1 Vortriebswirkungsgrad Neue Kreisprozesse Verteilte Antriebe GTF 21. April 2016 Innovative Flugantriebe - Dr. Jörg Sieber 5 h Einfacher Gasturbinenprozess h s s Fluggasturbinen und deren Weiterentwicklungen besitzen noch ein deutliches Verbesserungspotenzial

6 6 Geared Turbofan Die nächste Triebwerksgeneration Umweltverträglich und kosteneffizient Vergleich Turbofan / Geared Turbofan Getriebe Schnelllaufender Booster Schnelllaufende Niederdruckturbine V2533-A5 PW1133G-JM PW1100G Stufenzahlen Fandurchmesser G mm 63,5 in 2057 mm 81 in reduzierte Stufenzahl größerer Durchmesser Bypassverhältnis 4,5 12 höherer Vortriebswirkungsgrad Gesamtdruckverhältnis 33,4 46 höherer thermischer Wirkungsgrad V2500 Brennstoffverbrauch Basis -15 % reduzierter Brennstoffverbrauch Lämemission Basis -20 EPNdB (kumuliert) reduzierte Lärmemission NO x - Emission Basis -60 % (-55 % CAEP6) reduzierte Schadstoffe CO 2 Emissionen -15 %, NO x -Emissionen -60 %, Lärmemission -20 EPNdB (kum.)

7 7 Wesentliche Technologiebedarfe zukünftiger Antriebe Ducted Geared Turbofan Fan für niedriges Druckverhältnis Widerstandsarme Gondel Geringes Gewicht Integration im Flugzeug Verlustarmes Getriebe Effiziente schnelllaufende Niederdruckturbine Schnelllaufender stabiler Niederdruckverdichter Hochdruckverdichter für hohe Drücke Schadstoffarme Brennkammer Hochdruckturbine für hohe Temperaturen

8 8 Reduktion der CO 2 -Emissionen durch neue Triebwerkskonzepte Kraftstoffverbrauch / CO 2 -Emissionen - 15% - 25% - 40% V2500 BPR 5 OPR 36 1 st gen GTF BPR 12 OPR 46 2 nd gen GTF BPR OPR 60+ Future Propulsion Concepts Der Geared Turboefan bietet ein deutliches Verbesserungspotential, weitere Konzepte in Untersuchung

9 9 Schadstoffarme Brennkammerkonzepte Bei der Verbrennung von Kerosin entstehen neben den Verbrennungsprodukten CO 2 und H 2 O die Schadstoffe NO x, CO, unverbrannte Kohlenwasserstoffe, Ruß und SO x. Im Fokus stehen die NO x -Emissionen. In der Vergangenheit wurden die Grenzwerte, die bei der Zulassung neuer Triebwerke einzuhalten sind, kontinuierlich abgesenkt. Zur Zeit werden Lean-Burn-Konzepte entwickelt, die die NO x -Emissionen deutlich reduzieren. NO x Grenzwerte Lean-Burn-Brennkammer NO x Bildung 80% NOx Emission rel. CAEP/6 60% 40% 20% 0% -20% CAEP/1 CAEP/2 ICAO LTO Cycle OPR=30 CAEP/4 CAEP/6 CAEP/8-40% Single annular Lean Direct Injection (Rolls Royce) Thermal NO X - Formation lean burn conventional rich burn lean 1 Equivalence ratio rich Neue Brennkammerkonzepte reduzieren die NO x -Emissionen nochmals deutlich

10 10 Roadmap Triebwerkskonzepte Open Rotor Verteilte Antriebe UHBPR Getriebefan Turbofan Gasturbine Optimierte Gasturbine z.b. High OPR Variable Cycle Zwischenkühler Abgaswärmetauscher Revolutionäre Kreisprozesse z.b. Composite Cycle Pulse Detonation Alternative Antriebe z.b. Elektro / Hybrid

11 11 Innovative Antriebe Triebwerke für eine verbesserte Klimaverträglichkeit Das Konzept der Fluggasturbine ist zukunftstauglich und kann weiter verbessert werden durch Steigerung des Vortriebs- und thermischen Wirkungsgrads sowie schadstoffarme Brennkammerkonzepte. Die Triebwerke können den geforderten Beitrag (SRIA Strategic Research and Innovation Agenda) zur Reduktion von CO 2 - und NO x -Emissionen (sowie Lärm) leisten. Das Geared Turbofan Konzept bietet hierzu die besten Voraussetzungen. In Zukunft ist eine stärkere Integration von Flugzeug und Triebwerk notwendig. Effiziente Antriebe können zusammen mit nachhaltigen synthetischen Drop-in Kraftstoffen, neuen Flugzeugkonzepten und verbessertem Luftverkehrsmanagement die Klimawirkung des Luftverkehrs stabilisieren und langfristig sogar reduzieren. Propulsive Fuselage Bauhaus Luftfahrt Der Geared Turbofan wird für die nächsten 20 Jahre das vorherrschende Antriebskonzept sein