Entwicklung und Einsatz von CO 2 -ärmeren Antrieben im Luftverkehr

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1 DLR.de Folie 1 Entwicklung und Einsatz von CO 2 -ärmeren Antrieben im Luftverkehr Ein Beitrag zur Sitzung des Arbeitskreises Energie & Verkehr mit dem Titel Klimaschutz im Luftverkehr Wohin soll die Reise führen? Richard Becker Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.v. (DLR) Institut für Antriebstechnik Triebwerk Berlin, 18. Januar 2017

2 DLR.de Folie 2 Herausforderung Klimaschutz Reduzierung des CO 2 -Fußabdrucks Signifikantes Wachstum des weltweiten Luftverkehrs erwartet Anspruchsvolle Ziele zur CO 2 -Reduktion formuliert Erreichung durch technologische Innovation & alternative Kraftstoffe CO 2 emissions Frozen technology emissions Known technology, operations and infrastructure measures Biofuels and additional technology Carbon-neutral growth 2020 Gross emissions trajectory Economic measures Tech Ops Infra No action Biofuels + add. Tech CNG % by Quelle: IATA

3 DLR.de Folie 3 Effizienzsteigerungspotenziale Thermische Antriebe 1.0 η gesamt = η thermisch x η vortrieb Thermischer Wirkungsgrad Theoretische Grenze Carnot-Prozess@2000K Turbofan UHBR Neue Konzepte Vortriebswirkungsgrad

4 DLR.de Folie 4 Triebwerkskonzepte Fokus Vortriebseffizienz UHBR Evolution des Turbofan-Konzepts hin zu höheren Nebenstromverhältnissen Weitere Steigerung des Vortriebswirkungsgrads Vielversprechendes Konzept Getriebefan Pratt & Whitney Open Rotor Sehr hoher Vortriebswirkungsgrad Geringer Brennstoffverbrauch Höhere Lärmemissionen im Vergleich zu Turbofantriebwerken Herausforderungen bei Installation, Zertifizierung, Akzeptanz

5 DLR.de Folie 5 Triebwerkskonzepte Fokus Kreisprozessverbesserungen Optimierte Gasturbine Hohes Gesamtdruckverhältnis Hohe Turbineneintrittstemperatur Verbesserte Komponentenwirkungsgrade Variable Geometrie und Kühlluft Zwischenkühlung / Abgaswärmetauscher Revolutionäre Kreisprozesse Druckerhöhende Verbrennung Wave Rotor Pulse Detonation Verbindung von Turbo- mit Kolbenmaschinen Rotationskolben Hubkolben MTU NASA

6 DLR.de Folie 6 Triebwerkskonzepte Fokus Triebwerksintegration Hohe Nebenstromverhältnisse führen zu neuen Herausforderungen bei der Triebwerksintegration Entwurf widerstandsarmer und gewichtsreduzierter Triebwerkgondeln Grenzschichteinsaugung Auftreten von Strömungsstörungen in komplexer Einlaufgeometrie Verminderung der aerodynamischen Fanperformance Verstärkung der strömungsinduzierten Schaufelschwingungen Anregung zusätzlicher Lärmquellen Konzeptentwicklung für verteilte Antriebe

7 DLR.de Folie 7 Triebwerkskonzepte Fokus Elektrische Antriebe Einzug elektrischer Antriebe im Bereich General Aviation Erste Studien deuten darauf hin, dass Antriebskonzepte für ein Regionalflugzeug mit bis zu 40 Sitzen und einer Reichweite von bis zu 700 Kilometern möglich sind Erhöhte Flexibilität bei der Triebwerksintegration Herausforderungen Zusammenspiel von Elektromotor, Leistungselektronik und Energieverteilung Erreichung der im Luftverkehr geforderten Zuverlässigkeit sowie der für die Zulassung notwendigen Redundanzen im System Steigerung der Zyklenstabilität der Batterien Maximalleistung und Kapazität Zusatzgewicht

8 DLR.de Folie 8 Forschungsschwerpunkte Herausforderung elektrischer Antriebe Antriebsleistung Wide Body Pmax > 20 MW Single Aisle Pmax < 20 MW Regionalflugzeug Pmax < 2MW Mehr als 90% des weltweiten Kraftstoffverbrauchs General Aviation Pmax < 500kW

9 DLR.de Folie 9 Einsparpotenziale zukünftiger Antriebe V2500 Brennstoffverbrauch, CO 2 Emissionen -15% -30% -40% GTF Nächste Generation UHBR Neue Konzepte

10 DLR.de Folie 10 Forschungsschwerpunkte Alternative Kraftstoffe Kerosinähnliche (drop-in) Kraftstoffe auf Basis nachhaltiger Rohstoffe schon heute nutzbar in Flugzeugen Potential zur Reduzierung der (äquivalenten) CO 2 -Emissionen über den Lebenszyklus der Kraftstoffe von bis zu 90% Fraport AG Bisher lediglich max. 50 Vol.-% Beimischung mit konventionellem Kerosin zugelassen Wasser- und Landnutzungskonkurrenz zur Nahrungsmittelproduktion muss ausgeschlossen und Biodiversität erhalten werden Aufbau von Produktionskapazitäten erfordert hohe Investitionen

11 DLR.de Folie 11 Fazit Die durch Politik, Wirtschaft und Gesellschaft gesetzten Ziele sind zurecht ambitioniert. Zur Erreichung der Ziele ist jedoch ein frühes und entschiedenes Handeln notwendig, um die kumulierten Kohlendioxid-Emissionen zu begrenzen. CO 2 -effiziente Antriebstechnologie sollte bewertet werden nach Einfluss auf gesamte CO 2 -Emissionen des Luftverkehrs Technische Realisierbarkeit und Risiko Zeitpunkt der Verfügbarkeit Für die nahe Zukunft bieten Gasturbinenbasierte Antriebe noch ein signifikantes Potenzial zur Emissionsreduzierung. Für die fernere Zukunft stehen eine Reihe von Antriebskonzepten im Raum. Der Einsatz alternativer Kraftstoffe sollte in Betracht gezogen werden.

12 Folie 12 Richard Becker Abteilung Triebwerk Institut für Antriebstechnik Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.v. (DLR) Linder Höhe, Köln