Neue Energieperspektiven der Luftfahrt - haw-hamburg.de · Ttt Visionäre Lffh 0 0,5 1 1,5 1234 567...
Transcript of Neue Energieperspektiven der Luftfahrt - haw-hamburg.de · Ttt Visionäre Lffh 0 0,5 1 1,5 1234 567...
Neue Energieperspektiven Neue Energieperspektiven der Luftfahrt
Fuelling the Climate 2010
Hamburg, 18. Juni 2010g, J
Fuelling the Climate 2010Hamburg, 18. Juni 2010
Copyright Bauhaus Luftfahrt 1Dr. Andreas Sizmann
Bauhaus Luftfahrt, München
Inhalt
1. Zukunftsfaktor Klimaschutz
2. Interdisziplinärer Ansatz
3 Neue Energieperspektiven3. Neue Energieperspektiven
Fuelling the Climate 2010Hamburg, 18. Juni 2010
Copyright Bauhaus Luftfahrt 2
Herausforderung: Klimawandel
CO2 – Gehalt in der Atmosphäre (ppm)
- 36014,4
14 2
14,6Globale mittlere Temperatur in ºC
2 p (pp )
14,2
14,0
13 8
- 340
- 32013,8
13,6
13 4
- 300
13,4
13,2
13,0
- 280
- 260
om
Data: IPCC, 2007
,
1850
2000
1860
1870
1880
1890
1900
1910
1920
1930
1940
1950
1960
1970
1980
1990
Bild
er:
Fo
tolia.c
o
CO2-Reduktion durch verbesserte Effizienz und alternative Kraftstoffe
Fuelling the Climate 2010Hamburg, 18. Juni 2010
Copyright Bauhaus Luftfahrt 3
CO2 Reduktion durch verbesserte Effizienz und alternative Kraftstoffe
Herausforderung: Klimawandel
Der Luftverkehr hat einen l 2%Anteil von ca. 1,5 - 2% an
den globalen Treibhaus-gasen, der aber aufgrund von Höheneffekten d h k i k
Globale Treibhausgasanteile nach Sektor (in %)
durchaus stärker sein kann (3 – 7%).
Genaue Stärke des Effekts ist h G d i
86,0
10,1
13,9
Andere Verursacher
Straßentransport
Inlandsflüge
noch Gegenstand wissen-schaftlicher Untersuchungen.
,
0,70,81,1
1,1
,Auslandsflüge
Schiffsverkehr
Andere Transportwesen
Daten: World Resources Institue, 2005
Bild
er:
©
Fo
tolia.c
om
Fuelling the Climate 2010Hamburg, 18. Juni 2010
Copyright Bauhaus Luftfahrt 4
Herausforderung: Klimawandel
Auch wenn der Verkehr f d i h baufgrund seiner sichtbaren
Abgase als einer der Hauptverursacher gilt;….
b i d Kli i k
Äquivalente in ihrer Klimawirkung
… bei der Klimawirkung ergeben sich unerwartete Äquivalente.
Klimawirkung eine
Kuh / Jahr
Hamburg nachLos Angeles3.040 Kg CO2
≈ ≈23.300 km
mit dem Auto bei130 g CO2 / km
Fo
tolia.d
e
Bild
er:
©
Daten: WWF Methan und Lachgas die vergessenen Klimagase 2007 Atmosfair de
Fuelling the Climate 2010Hamburg, 18. Juni 2010
Copyright Bauhaus Luftfahrt 5
Daten: WWF Methan und Lachgas, die vergessenen Klimagase, 2007, Atmosfair.de
Klassische Lösungsansätze:
Verbrauchs • Bis 2020 (ACARE-Ziele): Verbrauchs –Niveau 2005
Moderne Triebwerke
Getriebe- Fan Wärmetauscher-Triebwerk
2020 Technologie
-20%
Neue
50% CO2-Reduktion80% NOx-Reduktion
• Absehbare Einsparungs-
Moderne
NeueTriebwerke
-20%
potenziale nutzen20% Triebwerksinnovation20% neue Konfiguration10% Air Traffic Manage-Moderne
Flugzeugentwicklungen20%
NeueKonfiguratio-
nen
ment (ATM)
• Dazu auch weitere radikal neue Ansätze
Verkehrs-Füh
-10%
ATM
notwendig, wie z.B.
• Alternative Kraftstoffe
Führung
Quelle: Eigenen Darstellung in Anlehnung an MTU
• Nichtthermische Energieumwandlung
Fuelling the Climate 2010Hamburg, 18. Juni 2010
Copyright Bauhaus Luftfahrt 6
Quelle: Eigenen Darstellung in Anlehnung an MTU
Herausforderung: Mobilitätsbedarf
• Wachsender Lebensstandard, zunehmende Mittelklasse,
• Studie: Im Mittel wird ein konstanter Anteil an Zeit (1.1 h/Tag) und Geld für Reisetätigkeit verwendet [1]
1.400.000
The Global Middle ClassSub Saharan Africa
South Asia
800.000
1.000.000
1.200.000 South Asia
Middle East and North Afrika
Latin America and the
200.000
400.000
600.000
Latin America and the Caribean
Eastern Europoe and Central Asia
East Asia and the Pacific
‐
2000 2030in Tausend High Income
Quelle: Worldbank
Emissionen: Zunehmender Mobilitätsbedarf wird Effizienzgewinne kompensierenFuelling the Climate 2010Hamburg, 18. Juni 2010
Copyright Bauhaus Luftfahrt 7
Emissionen: Zunehmender Mobilitätsbedarf wird Effizienzgewinne kompensieren
Ref. [1]: A. Schaefer, D.G. Victor, Transp. Res. Part A 34 (2000) pp. 171 – 205.
Inhalt
1. Zukunftsfaktor Klimaschutz
2. Interdisziplinärer Ansatz
3 Neue Energieperspektiven3. Neue Energieperspektiven
Fuelling the Climate 2010Hamburg, 18. Juni 2010
Copyright Bauhaus Luftfahrt 8
Bauhaus Luftfahrt
Gegründet 2005 als gemeinnütziger Verein der MitgliederGegründet 2005 als gemeinnütziger Verein der Mitglieder
• EADS (einschließlich Tochterunternehmen)• Liebherr-Aerospace• MTU Aero Engines• Bayerisches Staatsministerium für Wirtschaft,
Infrastruktur, Verkehr und Technologie, g
Ein Forschungsinstitut für die Zukunft der Luftfahrt
Förder ng der Kooperation ischen der Ind strie• Förderung der Kooperation zwischen der Industrie,der Wissenschaft und der Politik
• Interdisziplinäre Forschung u.a. in den BereichenWi t h ft T h ik N t i h ft d I f tikWirtschaft, Technik, Naturwissenschaft und Informatik
Ziel: Generieren neuer Lösungsansätze für die Mobilität von Morgen
Fuelling the Climate 2010Hamburg, 18. Juni 2010
Copyright Bauhaus Luftfahrt 9
Ziel: Generieren neuer Lösungsansätze für die Mobilität von Morgen
Kernkompetenzen für die Mobilität der Zukunft
Wirtschaft, Märkteund
T t tVisionäre
L f f h
0
0,5
1
1,5
1 2 3 4 5 6 7
Transportsystemeder Zukunft
Luftfahrtsysteme
Kern-k
100
1000Capacitors
Pb/PbO2 Ni/Cd
Li‐Systems
y(
g)
PhysikalischeGrundlagen und
h l i hProzesse und
S ik
kompetenzen
1
10
1 10 100 1000
Fuel Cells
y
Energydensity (Wh/kg)
[WP]
WTr
T1
T2
T
technologischeInnovation
Semantik
Kernprojekte in Ökonomie, Luftfahrtsystemen, Technologie und System-Analyse
WTr
[WKM]
T3
T4
Fuelling the Climate 2010Hamburg, 18. Juni 2010
10
Kernprojekte in Ökonomie, Luftfahrtsystemen, Technologie und System Analyse
Copyright Bauhaus Luftfahrt
Inhalt
1. Zukunftsfaktor Klimaschutz
2. Interdisziplinärer Ansatz
3 Neue Energieperspektiven3. Neue Energieperspektiven
Fuelling the Climate 2010Hamburg, 18. Juni 2010
Copyright Bauhaus Luftfahrt 11
Alternative Energiekonzepte: gravimetrische Energiedichte
1,58
0,850,97 0,97 1
1,15 1,18
0,35
Quelle: Bauhaus Luftfahrt, 2008
LH2 LNG HVO FT-Treibstoff Jet A-1 Bio-Diesel Butanol Ethanol
Fuelling the Climate 2010Hamburg, 18. Juni 2010
Copyright Bauhaus Luftfahrt 12
Alternative Energiekonzepte: volumetrische Energiedichte
4,10
1,53 1,62
1 1,00 1,03 1,051,18
Quelle: Bauhaus Luftfahrt, 2008
Jet A-1 HVO FT-Treibstoff Bio-Diesel Butanol LNG Ethanol LH2
Fuelling the Climate 2010Hamburg, 18. Juni 2010
Copyright Bauhaus Luftfahrt 13
Energiedichte im Vergleich: Kohlenwasserstoffe
100000i S
kg
• X10000
Air STPLiquid H2Air 150 barLiquid NW t
Luft (STP)LH2Luft (150 bar)LNWasserte
in
Wh
/
•1000
(gravimetric) Water
Lead[Ref 2]ED of H, incl tank, metal‐HED of carbohydrates
WasserstoffKohlenwasserstoffe
WasserBlei
nerg
ied
ich
10
100
Wh/kg ED of carbohydrates
ED of solid state storage devicesJET A
KohlenwasserstoffeBatterienReferenz: JET-A (Kerosin)
tris
che E
n
1
1 10 100 1000 10000 100000
Gra
vim
et
1 10 100 1000 10000 100000
Wh/l (volumetric)Volumetrische Energiedichte in Wh/l
Exergieanteil und Gewicht-Skalierungsmodell für Speicherung beachten
Fuelling the Climate 2010Hamburg, 18. Juni 2010
Copyright Bauhaus Luftfahrt 14
g g p g
Bio-Kohlenwasserstoffe
Geschlossener Kreislauf:
• Natürlicher Zyklus von H2O und CO22 2
• Synthetischer Kraft-stoff aus Biomasse via Fischer Tropsch
CR5via Fischer-Tropsch-Prozess (F/T)
• Verbrennung in
F/TVerbrennung in Wärme-Kraft-Maschine
Fuelling the Climate 2010Hamburg, 18. Juni 2010
Copyright Bauhaus Luftfahrt 15
Bio-Kohlenwasserstoffe im Vergleich
120%
100%
Jet
A-1 Kerosin
Ethanol Zuckerrohr
60%
80%
CO2
% v
gl. z
u Ethanol Zuckerrohr
Ethanol Mais
Ethanol Weizen
20%
40%
Emis
sion
en C
Biodiesel Palmöl
Biodiesel Raps
Biodiesel Sojabohnen
0%
20%
0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000
Biodiesel Sojabohnen
BTL Kurzumtriebe
Korrelation von CO2-Emission und Ertrag zeigt erhebliche Unterschiede
Ertrag [kg/ha und Jahr]S. Naundorf, Diplomarbeit, Bauhaus Luftfahrt, 2008
Fuelling the Climate 2010Hamburg, 18. Juni 2010
Copyright Bauhaus Luftfahrt 16
2 g g
„Sunlight-to-Liquid“ (STL)-Prozess
„Reverse Combustion“:
• CR5 (Counter RotatingRing ReceiverReactorRecuperator) ist ein Hochtemperatur-Reaktor Hochtemperatur-Reaktor zur Umkehrung der Oxidation mit Sonnenlicht.
• Synthese von flüssigen CR5Kohlenwasserstoffen (CxHy) ohne Umweg über Biomasse
• Ein Testreaktor (SandiaEin Testreaktor (SandiaNatl. Laboratories, NM, USA) soll ca 9.5 l/Tag (ca. 3.3 t/Jahr) produzieren t/Jahr) produzieren.
• Volumenproduktion soll in 2020 erreicht sein.
Fuelling the Climate 2010Hamburg, 18. Juni 2010
Copyright Bauhaus Luftfahrt 17
Energiedichte im Vergleich: elektrische Energiespeicher
100000i S
kg
• X10000
Air STPLiquid H2Air 150 barLiquid NW t
Luft (STP)LH2Luft (150 bar)LNWasserte
in
Wh
/
•1000
(gravimetric) Water
Lead[Ref 2]ED of H, incl tank, metal‐HED of carbohydrates
WasserstoffKohlenwasserstoffe
WasserBlei
nerg
ied
ich
10
100
Wh/kg ED of carbohydrates
ED of solid state storage devicesJET A
KohlenwasserstoffeBatterienReferenz: JET-A (Kerosin)
tris
che E
n
1
1 10 100 1000 10000 100000
Gra
vim
et
1 10 100 1000 10000 100000
Wh/l (volumetric)Volumetrische Energiedichte in Wh/l
Elektrische Energiespeicherdichte mit Leistungsdichte korrellieren
Fuelling the Climate 2010Hamburg, 18. Juni 2010
Copyright Bauhaus Luftfahrt 18
g p g
Elektrische Energiespeicher im Vergleich
Ref: Ragone Diagramm von Saft Groupe, 2009www.saftbatteries.com,Günther Ebert, 2009FhG ISEFhG ISE.
Die Entwicklung ist getrieben von Energie- und Leistungsdichte
Fuelling the Climate 2010Hamburg, 18. Juni 2010
Copyright Bauhaus Luftfahrt 19
g g g g
B tt i
Komponenten und Schlüsseltechnologien
Batterien
• Hohe Leistung, noch moderate Energiedichte • Lithium-Systeme
Brennstoffzellen (BZ)
• Hohe Energiedichte des Gesamtsystems, noch moderate Leistung Hohe Energiedichte des Gesamtsystems, noch moderate Leistung • Zellen für Wasserstoffumwandlung (Proton-Exchange-Membrane, PEM)
Motoren und GeneratorenMotoren und Generatoren
• Hohe spezifische Leistung, noch moderate Leistungsklasse• Kryo-Technologien und Hochtemperatur-Supraleitung (HTS)
• Lithium-Batterien, PE-BZ: Kapazität, Leistung und Lebensdauer• HTS Motoren: Reduktion der (AC-) Verluste / Verbesserung der Kühleffizienz
Fuelling the Climate 2010Hamburg, 18. Juni 2010
Copyright Bauhaus Luftfahrt 20
HTS Motoren: Reduktion der (AC ) Verluste / Verbesserung der Kühleffizienz
B tt i
Komponenten und Schlüsseltechnologien
Batterien
• Lithium-Systeme 2010: ρE = 200 Wh/kg und ρP < 1 kW/kg 2010 60 80 Wh/k d 3 kW/k 2010: ρE = 60-80 Wh/kg und ρP > 3 kW/kg 2030: ρE = 1 kWh/kg, ρP > 10 kW/kg
ffBrennstoffzellen (BZ)
• Zellen für Wasserstoffumwandlung (Proton-Exchange-Membrane, PEM)2010: ρP = 1 kW/kg2030: ρP = 2-5 kW/kg1
1 T. J. Wickenheiser et al., AIAA/CAS Inter-
• Lithium-Batterien, PE-BZ: Kapazität, Leistung und Lebensdauer• HTS Motoren: Reduktion der (AC-) Verluste / Verbesserung der Kühleffizienz
J , /national Air and Space Symposium, 2003
Fuelling the Climate 2010Hamburg, 18. Juni 2010
Copyright Bauhaus Luftfahrt 21
HTS Motoren: Reduktion der (AC ) Verluste / Verbesserung der Kühleffizienz
Plausibilität und Machbarkeit
Machbarkeit und SkalierungC2
dens
ity D
10
C1
chte
Plausibilität und Machbarkeit
• Schlüssel-Indikatoren für die Machbarkeit des elek-trischen Fliegens sind Exergie- (nutzbare Energie-) und Leistungs-Dichten von Energietechnologien. el
ativ
e po
wer
d
A B
1
0.1tive L
eistu
ngsd
ic
und Leistungs Dichten von Energietechnologien.
• Leistungsbedarf wird i.W. vom MTOW bestimmt
• Exergiebedarf wird i.W: von der Reichweite und
Re
Relative exergy density
A B0.1
10.1 100.01
Relat
Relative Energiedichte MTOW bestimmt
• Ein sprunghafter Fortschritt in Batterietechnologie(Nanotechnologie zur Ladungs-Speicherung und Be- te
(W/kg
)
Relative Energiedichte
1000
10000
CapacitorsLiFePO4‐FilmSystems Global Express
Global Express430 NM
( g g p gweglichkeit) ist ein Schlüssel zu elektrischem Fliegen.
• Spin-in von Technologien außerhalb der Luftfahrtbietet erhebliches Innovationspotential für Le
istun
gsdi
cht
10
100
Pb/PbO2
Ni/Cd
Fuel Cells
Li‐Systems
Nanowires
6150 NM
bietet erhebliches Innovationspotential fürelektrisches Fliegen.
e-Prop Typ ATR-72, 1000 km Reichweite, 22,8 t TOW, : ρE > 800 Wh/kg
Energiedichte (Wh/kg)
1
1 10 100 1000 10000
Fuelling the Climate 2010Hamburg, 18. Juni 2010
Copyright Bauhaus Luftfahrt 22
p yp , , , , ρE / g
Zusammenfassung
1. Zukunftsfaktor Klimaschutz• Effizienzsteigerung alleine nicht ausreichend• Effizienzsteigerung alleine nicht ausreichend• Zunehmender Mobilitätsbedarf• Erneuerbare Energieträger
2. Interdisziplinärer Ansatz• Ökonomische Gesamtbetrachtung• Physik-basierte Leitplanken“• Physik basierte „Leitplanken• Metrik: Quantifizierung und Skalierungsverhalten
3 Neue Energieperspektiven3. Neue Energieperspektiven• Solare Kraftstoffe • Plausibilität des elektrischen Fliegens
Fuelling the Climate 2010Hamburg, 18. Juni 2010
Copyright Bauhaus Luftfahrt 23
Vielen Dank
www.bauhaus-luftfahrt.net
Fuelling the Climate 2010Hamburg, 18. Juni 2010
Copyright Bauhaus Luftfahrt 24