25 Prozent weniger Treibstoffverbrauch und CO2-Emissionen, 80 Prozent weniger Stickoxidausstoß und deutlich weniger Kondensstreifen im Vergleich zu heutigen Antriebssystemen von Kurz- und Mittelstreckenflugzeugen: Das sind die Ziele des Projekts SWITCH (Sustainable Water-Injecting Turbofan Comprising Hybrid-Electrics), das MTU Aero Engines, Pratt & Whitney, Collins Aerospace, GKN Aerospace, Airbus und weitere Partner im Rahmen des EU-Luftfahrtforschungsprogramms Clean Aviation angehen.
SWITCH kombiniert dabei zwei revolutionäre Technologien: eine Wasserdampfeinspritzung sowie eine Hybrid-Elektrifizierung des Getriebefans von Pratt & Whitney, der unter anderem den Airbus A320neo antreibt. "Offensichtlich können beide Technologien unabhängig voneinander funktionieren. Aber die Idee dieses Projekts und dieser Teamzusammensetzung ist es, zu erforschen, wie wir beide opportunistisch miteinander kombinieren, um die Vorteile zu vergrößern. Das ist sehr wichtig, weil wir genau das bis 2050 brauchen", sagte Karim Mokaddem, Head of Electrification bei Airbus, bei einem Medienbriefing am Montag.
Mehr Schub und weniger Emissionen
MTU Aero Engines arbeitet schon seit mehreren Jahren mithilfe nationaler Förderung an der sogenannten WET Engine (Water-Enhanced Turbofan). Das Konzept sieht vor, dass die Abgaswärme genutzt und damit die thermodynamische Effizienz erhöht wird. Dafür wird in den Abgasstrahl ein Dampferzeuger eingebaut, der flüssiges Wasser in Dampf umwandelt. Dieser wird in eine kleine Dampfturbine an der Niederdruckwelle geführt und danach in die Brennkammer eingespritzt. Das reduziert die Temperaturspitzen im Verbrennungsprozess, was wiederum die Stickoxidemissionen verringert.
Neben dem Dampferzeuger erfordert die WET Engine eine weitere neue Komponente: einen Wärmetauscher im Nebenstromkanal, der Wasser aus dem Abgasstrahl auskondensiert. Über einen Wasserabscheider wird es gesammelt und über eine Pumpe zum Dampferzeuger befördert. Durch diesen Kondensationsprozess werden können Rußpartikel, die bei der Verbrennung entstehen, ausgewaschen werden, was das Abgas deutlich sauberer macht und potenziell die Kondensstreifenbildung verringert. In Phase 1 von SWITCH, die bis 2025 geht, soll das anspruchsvolle System nun vom Technologiereifegrad (TRL) 2,5 bis auf 4 weiterentwickelt werden. Dazu gehören Tests einiger WET-Technologien und Sub-Systeme im Labor.
MTU wird dabei sowohl die Dampfturbine als auch den Wasserabscheider entwickeln, Pratt & Whitney ist die Brennkammer mit Dampfeinspritzung zuständig. Collins Aerospace soll den Wärmetauscher beisteuern und GKN Aerospace den Dampferzeuger. "Der Water-Enhanced Turbofan wird Kerosin, nachhaltige Flugkraftstoffe sowie Wasserstoff verbrennen können", sagte Dr. Claus Riegler, Senior Vice President Technology & Engineering Advanced Programs bei MTU. Anwendungsmöglichkeiten würden sich für Kurz-, Mittel- und Langstreckenflugzeuge bieten.
Elektrifizierung für mehr Effizienz
Beim Thema Hybrid-Elektrifizierung baut Pratt & Whitney auf andere Projekte auf. Zusammen mit Collins Aerospace und De Havilland Canada rüstet Pratt & Whitney Canada beispielsweise derzeit eine Dash 8-100 mit einem hybrid-elektrischen Antrieb aus. Das Flugzeug soll 2024 zur Flugerprobung abheben.
Für SWITCH setzt man auf zwei Hochleistungselektromotoren auf der Hochdruck- (500 kW) und der Niederdruckwelle (1 MW) in einer parallel-hybriden Konfiguration. "Diese zwei elektrischen Maschinen werden es dem Triebwerk ermöglichen, über den gesamten Flugbereich und alle Betriebsphasen effizienter zu arbeiten", so Graham Webb, Chief Sustainability Officer von Pratt & Whitney. Dazu zählen beispielsweise elektrisches Rollen, zusätzliche Leistung bei Start und Step Climb. Neben dem potenziell niedrigeren spezifischen Treibstoffverbrauch soll sich das hybrid-elektrische System positiv auf die Themen Lärm und lokale Emissionen am Flughafen auswirken.
Das Team, das sich um den elektrischen Antriebsstrang kümmert, besteht aus Pratt & Whitney, Collins und Airbus. Neben den zwei Elektromotoren, der Leistungselektronik, dem Hochvolt-Verteilungs- sowie Wärmemanagementsystem von Collins umfasst das System auch Hochleistungsbatterien. "Bei diesem Thema werden wir uns auf unsere Erfahrungen mit Batterien für Satellitenanwendungen stützen", so Mokaddem. Ende 2025 ist eine Bodendemonstration eines hybrid-elektrischen Getriebefans geplant, bis dahin soll die Technologie von TRL 3 auf TRL 5 ausgereift werden. Frühestens 2026 könnten sogar Flugtests stattfinden.
Wie schwer wird der ganze Antriebsstrang?
Eine der großen Herausforderungen von SWITCH wird das Gewicht sein. Nach Angaben von Riegler wird allein das WET-Konzept einem konventionellen Getriebefan eine 50-prozentige Gewichtszunahme bescheren. "Die ganze Systemoptimierung dreht sich darum, die Energie auf Flugzeuglevel so zu managen, dass die Vorteile nicht durch das zusätzliche Gewicht der neuen Technologien gekillt werden", sagte Mokaddem.
Neben Clean Aviation und der Industrie beteiligt sich auch das UK Research and Innovation Programme an den Kosten von SWITCH. Wie groß das zur Verfügung stehende Budget insgesamt ist, wollten die Projektbeteiligten nicht sagen. Allein von Clean Aviation gibt es aber gute 59 Millionen Euro Förderung.
