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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


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



CO2 Reduktion durch verbesserte Effizienz und alternative Kraftstoffe


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




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



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



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


Emissionen: Zunehmender Mobilitätsbedarf wird Effizienzgewinne kompensieren

Ref. [1]: A. Schaefer, D.G. Victor, Transp. Res. Part A 34 (2000) pp. 171 – 205.

Inhalt






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



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


10

Kernprojekte in Ökonomie, Luftfahrtsystemen, Technologie und System Analyse

Copyright Bauhaus Luftfahrt

Inhalt






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



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



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



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



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



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.



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



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



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



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



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



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



Vielen Dank

www.bauhaus-luftfahrt.net



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