Mehr oder weniger unbedarfte Idee zu einem cryogenen Wasserstoff-Antrieb

[Chopper80]

Laut Wikipedia wiegt ein Kubikmeter flüssiges H2 bei bummelig ( schönes Wort ) 0° K ca. 90 g.

Wenn Du die g durch kg ersetzt wird ein Schuh draus.
Es hat sogar noch eine etwas geringere Dichte von 71kg/cbm

Welche Möglichkeiten der Wasserstoffspeicherung gibt es? | EMCEL

C80

 

[innwolf]

Also nochmals 50 Jahre nachdenken, bis dahin weniger mit Kerosin fliegen, seltener, keine Kurzstrecken. Straßenvekehr auf elektrischen Kurzstreckenverkehr weitestgehend einbremsen. Dafür elektrische Eisenbahnen mit einem Netz wie 1955, 90% aller Wohnungen und Gewerbe näher als 6km zu einem Bahnhof.
Plus Güterstraßenbahnen in den Großstädten und alle Öl- und Gasheizungen weg.
Photovoltaik und Windkraft auf 3-mal Bedrafsspitze ausbauen, dazu verzehnfachung ( die Flächen haben wir ) der Pumpspeicherarbeit und -leistung. Für die restliche Versorgung wäre sogar unsere Braunkohle problemlos, im Schnitt nur um 1000 Betriebsstunden jährlich, da spielt CO2 keine Rolle mehr.

Braunkohle- versus Erdgaskraftwerke, wieviel CO2 wird durch Kompresserstationen für den Transport, Verflüssigung, Schifftransport, Pipelinerohr- und Schiffproduktion frei? Ist da dann ein Kohlekraftwerk mit 8km Förderband zwischen Grube und Kraftwerk wirklich schlimm?

 

[Schorsch]

Die Verflüssigung von gasförmigen zu flüssigen H2 ist energetisch sehr aufwendig

Dazu eine Frage: wenn ich Energie "reinstecke" zum Verflüssigen, dann muss die ja irgendwo bleiben. Andersherum muss ich für die Kühlung ja Energie aus dem Stoff abnehmen, welche im Falle einer Verdampfung ja als Verdampfungswärme der Umgebung entzogen wird (dies stabilisiert wohl auch die Lagerung).
Kann ich dies irgendwo nutzen oder ist das einfach nur Entropie?

 

[Charly]

Die Verdampfungsenthalpie plus die Erwärmung des tiefkalten Gases kann man in grundsätzlich bzw. theoretisch bei allen tiefkalt verflüssigten Gasen nutzen. In der Praxis wird das primär mit Stickstoff gemacht beim sogenannten cryogenen Kühlen/Frosten (z.B. von Lebensmitteln oder Pharma-Produkten). Die nötige Energie für das Verdampfen des Gases wird dem Produkt entzogen und dieses dabei sehr schnell gekühlt bzw. gefrostet. Mit deutlich höheren Frostgeschwindigkeit als das z.B. mit konventionellen NH3-Kälteanlagen erreicht wird.
Oder ich nutze die Verdampfungsenthalpie um z.B. über einen Wärmetauscher einen Kältekreislauf eine Industriebetriebes zu entlasten.

 

[innwolf]

Bei einem Flugtriebwerk mit Flüssigwasserstoff wäre es energetisch zwingend den bis in das Triebwerk flüssig zu halten. Siehe Raketentriebwerke, anderfalls hätte man sehrviel Verdichterarbeit...........

Gruß

 

[Aeronaut]

@Schorsch

Du steckst Energie rein in Deinen Kühlapparat, um dem Stoff die Wärmeenergie zu entziehen und ihn so zu verflüssigen. Sozusagen Wärmeentziehungsarbeit.

Die steht dir als Abwärme zusammen mit der entzogenen Wärme auf der heißen Seite eines Kältesystems zur Verfügung. Mit einem geeigneten Wärmetauscher kannst Du sie natürlich weiterverwenden.

Z.B. Um irgendwas zu beheizen. Das Prinzip der Wärmepumpenheizung.

Wenn Du sie nicht dort verwenden kannst, musst du sie an die Umgebung abgeben. Z.B. mit Kühltürmen. wie bei konventionellen Kraftwerken. Weg muß sie in jedem Fall, sonst kommt Deine Kälterzeugung zum Stehen.

Um den flüssigen Wasserstoff wieder gasförmig zu machen, brauchst Du wieder Wärme.

 

[innwolf]

Hallo,
die Verflüssigungswärme fällt aber bei so niedrigen Temperaturen an daß es völlig unsinnig ist diese mit Wärmepumpen irgendwie zu nutzen. Einfach an die Umgebungsluft abgeben. Und freue dich für jeden knackigen Frosttag. Deine Kühlanlage arbeitet umso effektiver je kälter es draussen ist. -20°C ist besser al +1°C

 

[pok]

Wie müssen Verdichterschaufeln und Brennkammern beschichtet bzw behandelt werden, um eine akzeptable Standzeit ohne Wasserstoffdiffusion / Penetration zu erleiden?

Die Raketentriebwerke des Space Shuttle schafften insgesamt einige wenige Stunden, deren Baukosten und der Wartungsaufwand ist aber sicher kein Maßstab für die Zivilluftfahrt, Space X fliegt mit Kerosin und Sauerstoff, scheidet also als Beispiel hier aus.

 

[HB-IDF]

die Verflüssigungswärme fällt aber bei so niedrigen Temperaturen an daß es völlig unsinnig ist diese mit Wärmepumpen irgendwie zu nutzen.

Ist das wirklich so? Auf der "warmen" Seite des Kühlkreislaufs muss ja eine Kühlung des Arbeitsmediums bspw. durch Umgebungsluft erfolgen, d.h. es muss eben doch eine Temperaturdifferenz zwischen Arbeitsmedium und Lufttemperatur gegeben sein, sonst hätte man keine Wärmeabfuhr. Zumindest zur Vorwärmung, bspw. für die Luftheizung großer Hallen, die Warmwasserbereitung, für eine Großwäscherei, den Swimmingpool des Airport-Hotels o.ä. müsste das doch nutzbar sein, und den herkömmlichen Energiebedarf etwas vermindern... Man würde die H2-Anlagen ja sinnvollerweise auf dem Flughafenareal installieren, vielleicht mit etwas Sicherheitsabstand zu Gebäuden, so wie heute die Tanklager, aber eben nicht viele Kilometer entfernt.

 

[Aeronaut]

@HB-IDF

Innwolf verwendet den Begriff "Verflüsigungstemperatur" irreführend an der falschen Stelle.



Zunächst mal gilt:

Die Wärmeabgabetemperatur ist immer von der Temperatur des Wärmeabführenden Mediums abhängig Und höher! Sonst fließt ja keine Wärme ab.
Und deshalb auch von der Temperaturdifferenz des verwendeten Wärmetauschers.

Die Verflüssigungstemperatur des Wasserstoffs ist hier die Temperatur, in der der Wasserstoff flüssig vorliegt. Bei offenen Behältern mit Atmosphärendruck Also 14 K.

Nur kann man so tiefe Temperaturen nicht einstufig erreichen. Um dahin zu kommen benötigt man mehrstufige als Kaskaden arbeitende Kaltekreise. Und am oberen Ende sind die sehr heiß. Nur ist das nicht die Verflüssigungstemperatur des Wasserstoffs.

Und die Wärme könnte man schon nutzen.

Macht man ja auch schon bei einfachen Kühlsystemen.

Nur ist hier das Verhältnis von Aufwand zu Wirkung extrem schlecht.

Die Carnot Zahl beschreibt den Wirkungsgrad eines Kälteprozesses:

Wenn draußen 30°C sind, muß man wegen der eforderlichen T Diff im Tauscher auf ca 40°C hoch. Unten müssen wir aber wg der T-Diff des kalten Tauschers bis bis auf fast -270 °C runter. Nehmen wir an Du verflüssigst dein H2 bei -260 °C also 14 K und musst auf Abgabetemperatur bei 40 °C ,also 30 °C Umgebungstemperatur und 10 K Tauscherdifferenz hoch, dann erhälst Du eine Carnot Zahl (T0/ TC-T0 ) 14/ 313-10= 0,046 bei einer ansonsten nur in der Theorie verlustfrei arbeitenden Maschine. Der reale Wert ist natürlich noch schlechter.

Du musst also im theoretischen Idealfall 1000 J aufwenden um 46 Joule aus dem gasförmigen Wasserstoff rauszukriegen und ihn in Flüssigen nahe seines Siedepunktes zu verwandeln.

Das ist das Gegenteil von üppig und macht die Cryo Technik so extrem teuer. Auch schon ohne alle Sicherheitsmaßnahmen wegen der spezifischen Gefahren des H2.

 

[innwolf]

Deshalb baue historisch, pflanze Bäume daß die dein Gebäude im Sommer beschatten und im Winter Sonnenschein in die Fenster lassen. Weniger Klimatechnik im sommer, weniger Heizen im Winter. Und wenn dein Bürgermeister alle Öl- und Gazheizungen der öffentliche Gebäude durch Soalrthermie und EL-Wärmpumpen ersetzt dürfte da mehr Erdöl/Erdgas einzusparen sein pro Familie im Ort als du und deine Familie für eine Mallorcareise verfliegst.

Hallo, ich schreibe von Verflüsigungswärme, und die fällt da tatsächlich bei 10 bis 14K oder um -270°C an. Der Wasserstoff soll flüssig werden. Wie auch immer, mit Kältemittel geht das nicht, es müßte Helium sein..., noch aufwendiger.

Es bliebe isothermische Kompression und Entspannung unter Energieabgabe, also eine Turbine, ähnlich den Kühlpacks für Flugzeuge. Alles mit geeignten Druck- udn Temperaturverhältnissen, mehrstufig und teils im Gegenstromverfahren.

Ob das ursprünliche Linderverfahren mit dem Joule-Thomson-Effekt bei Wasserstoff funktioniert oder gar unmöglich ist mir nicht bekannt.

 

[Aeronaut]

...

Hallo, ich schreibe von Verflüsigungswärme, und die fällt da tatsächlich bei 10 bis 14K oder um -270°C an. Der Wasserstoff soll flüssig werden. Wie auch immer, mit Kältemittel geht das nicht, es müßte Helium sein..., noch aufwendiger.

...

Deine "Verflüssigungswärme" ist die sogenannte Verdampungsenthalpie.

Und die "fällt eben nicht an" bei irgendeiner einer Temperatur, sondern muß technisch aufwendig dem jeweiligen Stoff entzogen werden. Die Temperatur und der Druck bei dem das geschieht, ist nicht zufällig, sondern muß eben gezielt erzeugt werden.


Die Ausführungen über die Bäume und so sind natürlich nett und vieles davon sicher wünschenwert, gehören aber hier nicht hin, denn sie bringen kein Flugzeug mit CRYo H2 in die Luft.


Abgesehen davon, noch zur Chemie:
Wie reagiert eigentlich Cryo Wasserstoff beim Kontakt mit Luft? Kommt es nicht sofort zur Selbstentzündung?

Oder beim Kontakt mit verschiedenen Oxyden? Fe2O3 zum Beispiel. Oder Al2O3?

Könnte nicht auch jeder reduzierbare Stoff sofort eine Entzündung oder andere spontane Reaktion auslösen?

 

[innwolf]

Hallo,
lese Unfallverhütungsvorschriften zu Wasserstoff. Ab bestimmten Ausströmgeschwindigkeiten in Luft kommt es zu Selbstentzündungen, z.B. an undichten Hochdruckamaturen. Die Flamme ist aber mehr oder weniger unsichtbar! Wasserstoff ist kein ideales Gas, der wird an der Drosselstelle WÄRMER, ein ideales Gas hätte konstante Temperatur! Aber langsam auströmender Wasserstoff führt nicht zu Entzündung, nichmal wenn Knalllgasbedingungen vorliegen.
Beispiele:

1 Füllung eines Gas-Sportballons. Anfangs liegt die Hülle am Boden und es ist auch noch etwas Luftvolumen vorhaden, dahinein wird der Wasserstoff geblasen, keine Explosion.

2. Bis vor ca. 12 Jahren ohne den Vaisala-Startautomat verwendete der Deutsche Wetterdienst händische mit Wasserstoff gefülllte Ballons für Radisonden, es kam vor daß Ballons ein kleines Loch hatten und Gas wieder ausströmte................., es gab Handschuhe, Stoffmaske und Schutzbrille, aber keine Explosionen, kaum Brandfälle in der Füllhalle.

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[Doppelnik]

Bei einem Flugtriebwerk mit Flüssigwasserstoff wäre es energetisch zwingend den bis in das Triebwerk flüssig zu halten. Siehe Raketentriebwerke, anderfalls hätte man sehrviel Verdichterarbeit...........

Gruß

Dafür entzieht man dem Brennraum extrem viel Wärme an einer Stelle an der man die Wärme zuführen möchte. Ideal wäre flüssig auf Einblasedruck zu pumpen, danach mithilfe von Abwärme zu Verdampfen (z.B. zur Schaufelkühlung) und dann gasförmig in die Brennkammer einbringen. Damit hätte man minimale Verdichtunsenergie wie bei einer Flüssigeinspritzung, hoch wirksame Schaufelkühlung und keine Verluste durch die Verdampfungsenthalpie.

Bei Raketentriebwerken nutzt man den Wasserstoff auf ähnliche Weise auch erst zur Kühlung der Düse bevor er dann gasförmig in die Brennkammer gelangt.

 

[HB-IDF]

@Doppelnik: Ist es realistisch, ein vorhandenes Serientriebwerk für den Betrieb mit LH2 zu modifizieren? So dass es bivalent sowohl mit LH2 als auch mit Jet-A arbeiten kann?

 

[Doppelnik]

@HB-IDF: Ich bin kein Experte für Turbinenbrennkammern, aber ich bin mir sicher, dass das geht. Vielleicht muss man Kompromisse machen (z.B. NOx Emissionen) wenn man zwei völlig unterschiedliche Brennstoffe verwenden möchte, aber ans Laufen bekäme man das sicher. Die Temperaturverteilung bei zwei Brennstoffen mit völlig unterschiedlicher Brenngeschwindigkeit wird sicher unterschiedlich sein und möglicherweise wird es örtlich Überhitzungsgefahren geben, aber dafür lassen sich sicher Lösungen finden.

Direkt flüssigen Wasserstoff in die Brennkammer einzudüsen ist (abgesehen von thermodynamischen Nachteilen) sicher auch nicht ungefährlich bezüglich der Temperaturwechselbelastung wenn ein tiefgefrohrender Wasserstofftropfen auf eine 1000 °C heiße Oberfläche treffen sollte.

 

[gero]

Ist es realistisch, ein vorhandenes Serientriebwerk für den Betrieb mit LH2 zu modifizieren? So dass es bivalent sowohl mit LH2 als auch mit Jet-A arbeiten kann?

Ein Serientriebwerk so zu modifizieren, kann ich mir nur schwer vorstellen. Zumindest, wenn es mehr soll als sich drehen, sondern auch praktisch eingesetzt werden soll. Ein Triebwerk für so einen Dualbetrieb zu entwickeln könnte möglich sein. Ob dieses Triebwerk dann vom Wirkungsgrad, Leistungsmasse und spezifischem Brennstoffverbrauch her konkurrenzfähig sein kann, steht auf einem anderen Blatt. Und gerade das sind die Parameter, die heute über Erfolg / Misserfolg eines Triebwerkes entscheiden. Die mir bekannten (erdgebundenen) "Vielstoffaggregate" sind in dieser Hinsicht ausnahmslos schlechter als die gewöhnlichen, optimierten Triebwerke.

gero

 

[pok]

@Doppelnik: Ist es realistisch, ein vorhandenes Serientriebwerk für den Betrieb mit LH2 zu modifizieren? So dass es bivalent sowohl mit LH2 als auch mit Jet-A arbeiten kann?

Dann haette ich also beide Tanks und ein extrem teures und fuer beide Treibstoffe suboptimales Triebwerk in einem Flugzeug, wo soll da der Vorteil liegen?

 

[HB-IDF]

@pok: In dem Ursprungspost war meine Idee, gerade nur soviel LH2 mitnehmen zu müssen, wie es dem benötigten "Trip Fuel" entspricht. Für die Reserven sollte die noch vorhandenen Kerosintanks genutzt werden. Hier tritt ja kein Boil Off etc. auf. Außerdem bin ich davon ausgegangen, dass LH2 in den benötigten Mengen am Anfang nur an sehr wenigen Orten zur Verfügung stehen wird. Die Ursprungsidee bezog sich ja auch auf eine Umrüstung schon vorhandener Muster, wo ohnehin Kompromisse gemacht werden.

Der Anfangspost ist einige Monate her. Kurz danach kam Airbus mit den drei bekannten Vorschlägen zu H2-Flugzeugen, die stärker wie ein Clean-Sheet-Design wirkten. So hübsch die bunten Grafiken von Airbus wirkten, so sehr erinnerte es mich aber auch an das schon vor mehr als 20 Jahren lancierte Konzept A320 "Cryoplane" mit LH2-Tank oben auf dem Rumpf, dem dann auch nie etwas Konkreteres folgte.

Wenn ich den mordsmäßigen Aufwand sehe, der mir durch diesen Thread erst richtig klar geworden ist - und auch die immer mitschwingenden Explosionsrisiken, sobald nur kleine Fehler auftreten - bekomme ich an dem ganzen Ansatz LH2 plus Gasturbine große Zweifel. Ein Regionalflieger im ATR-Format mit Brennstoffzellen und Wasserstoff in Carbon-Drucktanks ohne Cryotechnik mag etwas simpler sein. Aber auch da kann der Teufel im Detail stecken, wie bei den nicht richtig aus den Startlöchern kommenden Brennstoffzellen-Pkw mit ihrem hohen Aufwand (und nach wie vor sperriger und launischer Technik).

Vllt wäre es besser, die Energieausbeute bei der Gewinnung von Biomasse und E-Fuels zu optimieren, und zunächst noch bei den herkömmlichen Turbinen zu bleiben.

Wenn es denn stimmt, das die Kondensstreifenbildung mehr als doppelt so stark zur Klimaerwärmung beiträgt als der CO2-Ausstoß des Triebwerks, böten Maßnahmen zur Kondensstreifen-Vermeidung ohnehin ein günstigeres Kosten-Nutzen-Verhältnis.

 

[pok]

Ich denke, wenn ueberhaupt, dann sollte Wasserstoff benutzt werden um synthetischen Treibstoff herzustellen, der dann wiederum in konventionellen Triebwerken verbrannt werden kann.
Solange man irgendeinen Wasserstoffhaltigen Treibstoff oxidiert und in der, verbrauchoptimalen Hoehe fliegt, entstehen auch Kondensstreifen.
Die Theorie, das diese das Wetter beeinflussen ist unbewiesen und rechtfertigt sicher nicht Billiardenschaeden in der Luftfahrtindustrie.