Kryogener Wasserstofftank: ein zukunftsweisendes Konzept für die Luftfahrt
Angesichts der Tatsache, dass 2 % der weltweiten CO2-Emissionen aus dem Flugverkehr stammen und die CO2-Emissionen von Flugzeugen zwischen 2014 und 2017 um 10 % gestiegen sind, ist es an der Zeit, zu reagieren und grün zu werden. Die globale Energiewende findet jetzt statt. Bis 2050 müssen Flugzeuge ihre CO2-Emissionen um die Hälfte reduzieren. Die Lösung? Wasserstoff, der bereits für Schiffe und LKWs in Betracht gezogen wird, ist eine alternative Lösung für die Erzeugung und Speicherung von Energie. Aber wie kann Wasserstoff in einem Flugzeug gespeichert werden? Das wollen wir uns anschauen.
Grüne Flugzeuge in 2050
Wasserstoff: Zukunftlsösung für die Luftfahrt
„Grün“ zu fliegen und dabei die Umwelt zu schonen, ist das Ziel der Flugzeughersteller bis 2050. Dies wird dank elektrischer statt angetriebener Flugzeuge möglich sein. Batterien in einem Flugzeug unterzubringen ist jedoch undenkbar, da sie zu schwer sind. Tatsächlich würde das Hinzufügen von Batterien zu einem Flugzeug dieses 20 Mal schwerer machen. Die Lösung: Strom vor Ort erzeugen. Aber wie erzeugt man Strom in der Luft?
Die Wahl fiel auf Wasserstoff in seiner flüssigen Form bei -252,85°C, die eine weniger gefährliche Speicherung und in größeren Mengen als in seiner gasförmigen Form ermöglicht. Heute erleben wir eine zunehmende Nutzung von Wasserstoff zur Stromerzeugung oder als direkter Kraftstoff. Der Vorteil ist, dass Wasserstoff leicht ist, was das Gewicht des Flugzeugs und damit den Energieverbrauch im Flug reduziert.
In der Luftfahrt wird Wasserstoff daher als Zwischenenergiequelle für die Stromerzeugung betrachtet. Dieser Prozess wird Teil eines positiven Kreislaufs sein, da Wasserstoff aus „grünem“ Strom hergestellt wird, der wiederum aus Sonnenkollektoren und Windkraft erzeugt wird.
So wurden von Airbus 3 Flugzeugtypen für die Entwicklung von „grünen“ Flugzeugen ausgewählt: So wurden von Airbus 3 Flugzeugtypen für die Entwicklung von „grünen“ Flugzeugen ausgewählt:
Erstes Konzept : le Turbofan. © Airbus
Ein Turbojet mit 120 bis 200 Passagieren, der einer A220 oder einer A320 mit einer Reichweite von mehr als 3500 Kilometern entspricht.
Ein regionales Turboprop-Flugzeug für 100 Passagiere mit einer Reichweite von 1800 Kilometern.
Ein Nurflügler mit einer Kapazität und einer Autonomie ähnlich der eines Turbojets.
Wie kann man Wasserstoff in einem Flugzeug speichern ?
Technisch gesehen ist Wasserstoff schwierig zu speichern. Es ist ein Gas, das bei Umgebungstemperatur und -druck eine sehr geringe Dichte hat: Um 1 Kilo Wasserstoff zu speichern, ist ein Volumen von 11 m3 erforderlich.
Eine Lagerung bei Umgebungstemperatur und -druck kommt nicht in Frage, denn das würde zu viel Platz in Anspruch nehmen. Zwei Optionen sind möglich: Entweder man speichert ihn unter Druck in gasförmigem Zustand oder man kühlt ihn auf – 252,85 °C, seine Verflüssigungstemperatur.
Die beste Lösung ist die Verflüssigung bei einer Temperatur unter -253°C. In diesem Fall wird der Kryobehälter einem niedrigerem Druck ausgesetzt, da eine Flüssigkeit weniger komprimierbar ist als ein Gas.
Zurzeit wird diese kryogene Temperaturspeicherlösung in der Raumfahrt, für Wasserstofftanks und Raketentreibstoff verwendet und wird in der Luftfahrtbranche stark berücksichtigt. Diese Lösung wird aus Platz- und Sicherheitsgründen dem Druckbehälter vorgezogen. In der Tat ist die Dichte von flüssigem H2 viel höher als die von Druckgas, wodurch es möglich ist, die gleiche Menge Wasserstoff in einem reduzierten Volumen zu speichern. Außerdem werden so der Einsatz hoher Drücke (700 bar) und die damit verbundenen Risiken vermieden.
Kryogenie: kurze Definition
Die Kryotechnik ist die Lehre von tiefen Temperaturen unter -150°C. Kurz gesagt, dies ist die Temperatur, bei der sich Gase verflüssigen.Die Kryotechnik ist die Lehre von tiefen Temperaturen unter -150°C. Kurz gesagt, dies ist die Temperatur, bei der sich Gase verflüssigen.
Verflüssigungstemperatur bei atmosphärischem Druck:
Heute wissen wir, wie wir diese Temperaturen erreichen können. Das Problem ist die Lagerung dieser verflüssigten Gase bei diesen sehr niedrigen Temperaturen.
Kryogener Wasserstofftank in Aluminium. Quelle: Stirweld
Speicherdichte von H2
Welches Material für einen Hochleistungs-Wasserstofftank ?
Stahl, Verbundwerkstoff oder Aluminium ?
Erstens muss das gewählte Material für einen kryogenen Tank diese Kriterien unbedingt erfüllen:
Als Ergebnis werden mehrere Materialien für den kryogenen Wasserstofftank in Betracht gezogen. Es gibt Stahl, der zu schwer und daher nicht empfehlenswert ist, Titanlegierungen, die viel zu teuer sind, Verbundwerkstoffe auf Kohlenstofffaserbasis, die nicht recycelbar und sehr teuer, aber sehr leicht sind, und schließlich Aluminium, das leicht, widerstandsfähig und günstiger als Verbundwerkstoffe ist. Sie sehen also, dass der Kampf zwischen Verbundwerkstoff und Aluminium tobt.
Bei Verbundwerkstoffen gibt es zwei Probleme: die unterschiedliche Wärmeausdehnung, die zu starken Maßabweichungen führt, das Auftreten von Mikrorissen und damit die Durchlässigkeit des Materials. Was Aluminium betrifft, so bleiben seine mechanischen Eigenschaften bei niedrigen Temperaturen konstant oder verbessern sich sogar. Wie Sie sehen können, ist Aluminium das am besten geeignete Material für die Herstellung von Tieftemperaturtanks.
In der Tat würde Aluminium aufgrund seiner geringen Dichte und seiner guten spezifischen mechanischen Eigenschaften einen leichteren Vakuumtank garantieren als kryogener Stahl (vom Typ nickellegierter Stahl). Ein weiterer positiver Punkt ist, dass Aluminium unendlich oft recycelt werden kann, was perfekt mit den aktuellen Bemühungen zur Reduzierung des ökologischen Fußabdrucks übereinstimmt.Außerdem hat Aluminium eine bessere Beständigkeit gegen niedrige Temperaturen als Stahl. Bei sehr niedrigen Temperaturen wird Stahl spröde wie Glas, was dieses Material für Anwendungen bei sehr niedrigen Temperaturen unbrauchbar macht. Auf der anderen Seite ist Aluminium einer der wenigen Werkstoffe, dessen mechanische Eigenschaften sich bei niedrigen Temperaturen nicht verschlechtern. Sie neigen sogar dazu, sich zu verbessern. Das erklärt das sehr große Interesse am Aluminium für kryogene Anwendungen wie der Speicherung von flüssigem Wasserstoff.
Vergleichtabelle: lichtbogengeschweißter Stahl, lichtbogengeschweißter Aluminium und durch FSW
Schweißbarkeit von Aluminium
Ein Problem ist die Schweißbarkeit von Aluminium. Neben der geringen Dichte und der guten Korrosionsbeständigkeit hat Aluminium eine hohe thermische und elektrische Leitfähigkeit. Diese Eigenschaften von Aluminium erschweren das Schweißen mit herkömmlichen Schmelzschweißverfahren. So sind aufgrund der hohen Wärmeleitfähigkeit hohe Schweißenergien erforderlich. Es ist auch zu beachten, dass Aluminium beim Schweißen stark zur Verformung neigt und dass durch den Schweißvorgang Defekte auftreten können (Funker, Porositäten, Heißrissbildung, Schwächung der mechanischen Eigenschaften, Materialabbau). Außerdem muss das Aluminium vor dem Schweißen einer chemischen Ätzung der feuerfesten Tonerde-Schicht unterzogen werden.
So bleibt Aluminium mit herkömmlichen Schweißtechniken – WIG, MIG, MAG, Lichtbogen – ein schwierig zu schweißendes Material. In den letzten Jahren hat sich jedoch ein neues Schweißverfahren für Aluminium durchgesetzt: das Rührreibschweißen oder FSW. Eine bahnbrechende Innovation, die Codes unserer Branche aufgerüttelt hat.
Rührreibschweißen: die Lösung für das Schweißen der Wasserstoffbehälter
Um Aluminium-Wasserstofftanks für die Luftfahrt zu schweißen, ist FSW eine der besten Techniken. Als einer der fortschrittlichsten Trends in der Welt des Schweißens ermöglicht FSW, die mechanischen Eigenschaften von Aluminium zu erhalten. FSW-Schweißen hat außerdem bessere mechanische Eigenschaften (Verbindungswirkungsgrad zwischen 70 und 100 %) als MIG-Schweißen (Verbindungswirkungsgrad von 40-50 % beim MIG-Schweißen).
Dieser Prozess ermöglicht auch eine Verringerung der Fehlerrate nach dem Schweißen, eine perfekte Reproduzierbarkeit und die Möglichkeit, Aluminiumlegierungen mit hoher Leistung zu schweißen. Diese Hochleistungs-Aluminium-Legierungen (2000er und 7000er Serie) gelten als durch Schmelzen „nicht schweißbar“ zu sein. Heute ist es dank des Rührreibschweißens möglich, was eine Verringerung der Dicke der Tanks und damit eine Erleichterung der Struktur ermöglicht. In gleicher Weise ist das FSW Teil dieser „grünen“ Flugzeugdynamik, da es ein sauberer Prozess ist, ohne Rauch, ohne Gas, aber auch ohne die Zugabe von Material. Dies reduziert die Kosten für Verbrauchsmaterialien, so dass nur noch eines übrig bleibt: das FSW-Werkzeug.
FSW, ein innovativer vierstufiger Prozess :
Die Technologie der Raumfahrt für die Luftfahrt nutzen
Was die Technologie der kryogenen Wasserstofftanks betrifft, sind die Themen, die in der Raumfahrt angegangen werden, zu 100 % auf das Thema Luftfahrt übertragbar.
Aufbau einer Rakete
Heute haben die meisten Raketen einen Hauptantrieb, der auf der Verbrennung von Wasserstoff und Sauerstoff basiert. Wasserstoff, in seiner flüssigen Form, treibt die Raketentriebwerke an. Tatsächlich wird der Schub in den ersten zwei Minuten des Raketenstarts von Festtreibstoffverstärkern erzeugt.
Diese seitlichen Booster liefern 90 % der für den Start benötigten Leistung. Dann übernimmt die Hauptkryostufe. Diese Stufe besteht aus zwei Tanks: einem Wasserstofftank und einem Sauerstofftank. Es ist die Verbrennung von Sauerstoff und Wasserstoff, die die Rakete während der ersten zehn Minuten des Fluges antreibt. Die Verwendung von Wasserstoff ist im Weltraum unersetzlich. Er ermöglicht es, die Masse und das Volumen von Trägerraketen erheblich zu reduzieren. Die Raumfahrt ist daher das Vorbild was die kryogenen Wasserstofftanks anbetrifft.
Wasserstoffspeicherung
Der Wasserstoff wird in einem kryogenen Tank in seiner verflüssigten Form bei -253°C gespeichert. Diese Tanks sind aus Aluminium gefertigt. Aufgrund seiner hervorragenden mechanischen Eigenschaften bei sehr niedrigen Temperaturen ist Aluminium der perfekte Werkstoff für diese Anwendung. Die Speicherungsprobleme sind die gleichen wie in der Luftfahrtindustrie.
In den letzten 15 Jahren wurden kryogene Raketenwasserstofftanks durch FSW mit einem einziehbaren Stiftwerkzeug geschweißt, um das durch das Werkzeug verursachte Loch während des Schweißvorgangs zu füllen. FSW wird aus mehreren Gründen gegenüber anderen Schweißverfahren bevorzugt:
Mehrere Trägerraketentanks sind bereits durch FSW geschweißt worden. Dazu gehören die Ariane 6 Rakete, die Falcon 9 von Space X, die Atlas V von ULA und die H-II von Mitsubishi. Andere befinden sich in der Herstellung, wie die Falcon 9 FT & Heavy von Space X, die Angara A5, die Blue Origin, die Vulcan von ULA, die H-III von Mitsubishi und die Long March-5.
Grüne Flugzeuge sind eine Priorität für Flugzeughersteller. Es ist dringend notwendig, den ökologischen Fußabdruck unserer Flugzeuge zu reduzieren und derem Boykott entgegenzuwirken. Wir sprechen also über Biokraftstoff, Strom und andere Lösungen, aber die einzig machbare Lösung ist heute Wasserstoff. Die Nutzung von Wasserstoff zur Stromerzeugung beim Fliegen ist daher das Vorzeige-Entwicklungsprogramm, um bis 2050 grün zu werden. Die Speicherung von Wasserstoff wird ohne einen dichten, leichten und platzsparenden Tank nicht möglich sein. Einer der Werkstoffe, die das Rennen machen: Aluminium. Ein leichtes Material mit verbesserten mechanischen Eigenschaften bei niedrigen Temperaturen, das zunehmend eingesetzt wird. Seine Vorteile: Er ist günstiger als Verbundwerkstoff und leichter als Stahl. Was kann man sich noch wünschen?
Ein Problem könnte auftauchen: seine Schweißbarkeit. Es gibt eine Schweißtechnik, die dieses Problem löst. Rührreibschweißen. Ein sauberes Verfahren, das die mechanischen Eigenschaften des Aluminiums bewahrt und eine perfekte Wärmeleitfähigkeit sowie eine perfekte Abdichtung garantiert.
Stirweld, ein Experte auf dem Gebiet des Rührreibschweißens (friction stir welding, FSW), hat sich dem ESA-Inkubator, dem ESA Business Incubation Centre in Nordfrankreich angeschlossen.
Dieser 2018 gegründete Inkubator fördert die Entwicklung innovativer Unternehmen und basiert nicht auf Technologietransfer, sondern auf der Bereitstellung von Dienstleistungen und Anwendungen, die aus der Raumfahrttechnologie abgeleitet sind. Die Inkubation von Stirweld bei der ESA wird die Entwicklung neuer Konzepte für durch FSW geschweißte Raumfahrtteile ermöglichen. Vor der Inkubation durch ESA BIC machte Stirweld bereits 30% seines Umsatzes im Raumfahrtsektor. Einer der Hauptkunden ist das europäische Luft- und Raumfahrtunternehmen Ariane, für das Stirweld ein Tier-1-Lieferant ist.
Endecken Sie ESA BIC Nord France: https://www.esabicnord.fr/
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