Wasserstoff-Turbofan könnte 2035 in Dienst gehen

EAST HARTFORD - Pratt & Whitney arbeitet an einem wasserstoffverbrennenden Turbofan. Der US-Triebwerkshersteller hat der "Flug Revue" ein paar Details zu der Designstudie namens HySIITE verraten. Zur Verringerung der Stickoxide entwickelt der Hersteller eine spezielle Wassereinspritzung.

Im Februar erhielt Pratt & Whitney vom US-Energieministerium den Zuschlag für die Entwicklung eines Wasserstoffantriebs für die kommerzielle Luftfahrt.

Das 24-monatige Projekt unter dem Namen Hydrogen Steam Injected, Inter-Cooled Turbine Engine (HySIITE) ist der erste Baustein für ein Triebwerk für die nächste Narrowbody-Generation. Bei entsprechender Finanzierung und einem passenden Flugzeugprogramm könnte es um 2035 marktreif sein.

Als Treibstoff soll flüssiger Wasserstoff anstelle von Kerosin direkt verbrannt werden. Bei der Verbrennung von Wasserstoff entsteht zwar kein CO2. Allerdings verbrennt es bei höheren Temperaturen als Kerosin, dadurch steigen die ebenfalls unerwünschten NOx-Emissionen. Diesem Problem will Pratt & Whitney mit einer neuartigen Brennkammer begegnen, die über eine Dampfeinspritzung verfügt.

Wassereinspritzung wurde schon in älteren Pratt-Triebwerken wie dem JT3C (Boeing 707), dem JT9D-3AW oder -7AW (Boeing 747-100) zur Leistungssteigerung vor allem beim Start genutzt. Bei HySIITE will Pratt & Whitney jedoch während der gesamten Mission eine Wasser- und Dampfeinspritzung einsetzen.

Das erhöht den Schub und reduziert gleichzeitig den Stickoxidausstoß. "Wasser kann auch zum Kühlen von Teilen des Triebwerks verwendet werden, was die Effizienz weiter verbessert", erklärt Vince Sidwell, Director of Advanced Concepts and Technology bei Pratt & Whitney. Insgesamt soll das HySIITE-Konzept die Stickoxidemissionen um 80 Prozent und den Kraftstoffverbrauch um 35 Prozent senken.

Die Dampfeinspritzung erfordert eine kontinuierliche Wasserversorgung. Sie wird durch Wasserdampfrückgewinnung mithilfe eines Kondensators aus dem Abgasstrahl gewährleistet. "Die technologische Herausforderung besteht darin, ein Wasserrückgewinnungssystems zu entwickeln, das leicht und klein ist", so Sidwell.

Vorteilhaft sind in diesem Fall die kryogenen Eigenschaften des flüssigen Wasserstoffs, der bei bei -253 Grad Celsius gelagert werden muss. "Die Wasserstoffverbrennung erzeugt eine erhebliche Menge an Wasserdampf, der für die Rückgewinnung verfügbar ist, und der verflüssigte Wasserstoffbrennstoff stellt eine Kältesenke bereit, um die Kondensatoreffizienz zu ermöglichen", sagt Sidwell.

Kein HySIITE-Demonstrator geplant

Wichtige Schlüsseltechnologien, die im Rahmen von HySIITE entwickelt werden sollen, sind eine emissionsarme, mit Dampfinjektion kompatible Brennkammer sowie fortschrittliche Wärmetauscher, die die Wasserdampfrückgewinnung, die Zwischenkühlung und die Dampfeinspritzung ermöglichen.

Das HySIITE-Projekt ist nach Angaben von Pratt & Whitney eine konzeptionelle Designstudie mit niedrigem Technologiereifegrad. Man konzentriere sich auf die integrierte Systembewertung, das theoretische Komponentendesign und Durchführbarkeitstests von Komponenten.

"Im aktuellen Programm sind keine Triebwerksdemonstrationen geplant", sagt Sidwell. Nach erfolgreichem Abschluss von HySIITE sei ein Folgeprogramm mit vorhandenen Triebwerken für eine beschleunigte Bodendemonstration denkbar.

Parallel zu Pratt & Whitney arbeitet der deutsche Partner beim Getriebefan-Programm, MTU Aero Engines, an einem ähnlichen Konzept: dem Water-Enhanced Turbofan (WET Engine). Auch hier geht es darum, dass ein Wärmetauscher im Triebwerk Wasser verdampft und in die Brennkammer einspritzt.

Zur Verdampfung wird die Abgaswärme genutzt, was die Effizienz des Antriebs verbessert. Die Wasserdampfeinspritzung trägt auch hier zu einer starken NOx-Reduzierung bei. Allerdings liegt kein wasserstoffverbrennender Turbofan zu Grunde, sondern eine Weiterentwicklung des Getriebefans, der fossiles, oder künftig synthetisches Kerosin verbrennt.

Airbus testet Wasserstoffantrieb an A380

Auch die Konkurrenz entwickelt wasserstoffverbrennende Turbofans. CFM International (Joint Venture von GE Aviation und Safran Aircraft Engines) hat, ebenfalls im Februar, eine Zusammenarbeit mit Airbus angekündigt. Der europäische Flugzeughersteller baut eine A380 zu einem Wasserstoff-Flugdemonstrator um.

Sie erhält vier Kryotanks im hinteren Teil des Oberdecks und an der linken Rumpfseite wird ein fünftes Triebwerk montiert. Es handelt sich dabei um ein Passport von GE Aviation, das für den Betrieb mit Wasserstoff modifiziert wird. Flugtests sollen 2026 beginnen.