Seit Jahrzehnten wird Wasserstoff als Energieträger der Zukunft gepriesen – in die wirtschaftliche Umsetzung sind die vielversprechenden Ansätze aber nur selten gelangt. Am Fachbereich Luft- und Raumfahrttechnik der FH Aachen wird derzeit unter der Leitung von Prof. Dr. Harald Funke eine Methode entwickelt, um Wasserstoff in Flugzeugturbinen einzusetzen.
Einsatz in Hilfstriebwerken
Das Projekt trägt den Namen HyAMAPU (Hydrogen Additive Manufactured Auxiliary Power Unit), und diese Bezeichnung verweist auf die beiden Besonderheiten: Zum einen werden Methoden der additiven Fertigung verwandt, um die nötigen Bauteile herzustellen; zum anderen sollen sie nicht bei den “normalen” Triebwerken zum Einsatz kommen, die das Flugzeug antreiben, sondern beim Hilfstriebwerk (Auxiliary Power Unit, APU). Diese APU läuft etwa, wenn ein Flugzeug zum Be- und Entladen am Gate steht; es stellt unter anderem Druckluft für das Anlassen der Haupttriebwerke, für Klimaanlagen, Vereisungsschutz- und Heizsysteme zur Verfügung. Konkret geht es um eine APU vom Typ Honeywell/Garrett GTCP 36-300, die etwa bei den Airbusflugzeugen der A-320-Familie zum Einsatz kommt.
Ausstoß von Stickoxiden wird deutlich reduziert
Die neuartige HyAMAPU-Wasserstoffbrennkammer ist wie ein Rad aufgebaut. In den “Speichen” sind die 336 Öffnungen angebracht, durch die der Wasserstoff austritt. Das Team hat die Geometrie aerodynamisch so ausgelegt, dass sich eine optimale Mischung aus Wasserstoff und Luft ergibt – so wird der möglichst emissionsarme Betrieb erreicht. Vereinfacht gesagt, verwendet das Verfahren viele kleine Flammen statt einiger großer Flammen wie bei herkömmlichen Verbrennungsprozessen. Dadurch wird der Ausstoß von Stickoxiden (NOx) deutlich reduziert.
Temperaturen bis 2300 Grad
Im Labor zeigt Harald Funke gemeinsam mit seinen Mitarbeitern Jan Vierkötter und Jason Schomakers, wie die neue Technologie erprobt wird. In eine Versuchsturbine wird jeweils ein Modell der Brennkammer eingebaut; es weist 48 Düsen auf und entspricht in der Geometrie einem Teil der Brennkammer. So können die Wissenschaftler testen, ob die Anordnung der Düsen zweckmäßig ist. “Für uns ist vor allem die Form der Flamme entscheidend”, sagt Prof. Funke. Wenn die Turbine angefahren und gezündet wird, entstehen Temperaturen von bis zu 2300 Grad. Bei den Versuchen wird insbesondere die Stickoxidbelastung im Abgasstrahl gemessen.
Umbau existierender Turbinen
Grundlage der Entwicklung war intensive Simulationsarbeit bezüglich der Auslegung und der Geometrie. Die erfolgversprechendsten Konzepte werden auf dem Prüfstand getestet und optimiert. “Wir wollen unter Beweis stellen, dass das Konzept umsetzbar ist”, sagt Harald Funke. In den Hallen des Fachbereichs steht eine APU, in die die fertige Wasserstoffbrennkammer eingebaut werden soll. Wenn der Beweis der Tauglichkeit erbracht ist, steht einer Markteinführung nichts mehr in Wege. “Wir streben ein Retrofitting an”, sagt Jan Vierkötter – HyAMAPU könnte also in existierenden Turbinen zum Einsatz kommen.
Partner und Förderer
Die Mikromisch-Brennkammertechnologie wird bereits seit 30 Jahren an der FH Aachen erforscht. Bereits jetzt kommt sie bei stationären Gasturbinen von Kawasaki zum Einsatz. Grundlage der aktuellen Weiterentwicklung ist die Nutzung von additiven Fertigungsmethoden. “Dadurch ergeben sich ganz neue Möglichkeiten”, sagt Harald Funke. Entwickelt wurde das Verfahren in Kooperation mit dem Fraunhofer Institut für Produktionstechnologie (IPT), weitere Partner sind Präwest Präzisionswerkstätten Dr.-Ing. Heinz-Rudolf Jung GmbH & Co. KG, Diehl Aerospace GmbH, Oetzbach Edelstahl GmbH und TPW-Prüfzentrum GmbH.
Das Projekt wird im Rahmen der Förderlinie “Wasserstofftechnologie und (hybrid-)elektrisches Fliegen (Zero Emission Aircraft)” mit rund 600.000 Euro gefördert.
Quelle: FH Aachen