26.04.2017 | Magazin:

Hydrogen as fuel Focus on research: "Energy System Transformation in Aviation"

(See german Version below)
How can we live mobile lives without putting further strain on people and the environment? Dr. Thomas Kadyk of TU Braunschweig’s Institute for Energy and Process Systems Engineering has a clear answer: “When it comes to phasing out fossil energy sources, hydrogen fuel cells are the technology of choice for aircraft engines.”

For 12 years, Kadyk has been working intently on fuel cell technologies. In November 2016, he joined TU Braunschweig and the research project Energy System Transformation in Aviation as a member of the Energy Supply team. Before that, he was a researcher at Simon Fraser University in Vancouver, Canada. “During my stay in Canada, I realised what it means to think and live sustainably. Seeing how close the indigenous people are to nature, and their concern for their environment, had a great impact on me.”

Fuel cells: Tested in space

Dr. Thomas Kadyk, Research Fellow at the Institute of Energy and Process Systems Engineering of the TU Braunschweig. Credit: Jonas Vogel/TU Braunschweig

Dr. Thomas Kadyk, Research Fellow at the Institute of Energy and Process Systems Engineering of the TU Braunschweig. Credit: Jonas Vogel/TU Braunschweig

One eco-friendly fuel source is hydrogen. With the help of oxygen, fuel cells transform the energy stored in hydrogen directly into electrical energy; the only by-product is water. As early as 1838, German chemist Christian Friedrich Schönbein and British physicist Sir William Robert Grove experimented with fuel cells. During the Apollo programme of the 1960s, fuel cells were used in space travel. Since the 1990s, engineers have been working on their incorporation into car engines and, in September 2016, the hybrid aircraft HY4 took off on its maiden flight from Stuttgart. It is the first four-seater passenger aeroplane in the world powered solely by a system of hydrogen fuel cells and batteries. Scientists at the German Aerospace Centre (DLR) developed the aircraft’s powertrain.

But will it be possible to use this technology in larger aircraft anytime soon? At the moment, experts see the limits of what is feasible with planes the size of regional jets, carrying up to 40 passenger over short distances. Kadyk, however, aims to overcome this mental barrier and is looking forward to the challenge. The surface power density, efficiency and reliability of the propulsion system require further improvement. In addition, generating hydrogen is still a very complex process. Kadyk explains, “A lot of energy is needed for hydrogen production – and this energy ought to come from renewable energy sources such as wind and hydroelectric power plants.” New infrastructure will also be necessary to supply the aircraft with hydrogen at the airports.

Can we expect a revolutionary break-through?

Could hydrogen fuel cells are the technology of choice for aircraft engines, if fossil energy sources phases out? Credit: Jonas Vogel/TU Braunschweig

Could hydrogen fuel cells are the technology of choice for aircraft engines, if fossil energy sources phases out? Credit: Jonas Vogel/TU Braunschweig

When it comes to technological improvements in aviation, the word most commonly used is evolution, not revolution. Every scientist knows that success in this domain usually comes in small steps. But will this incremental process really get the job done and get electromobility off the ground (literally!) in the near future? Or – who knows – is a revolutionary break-through waiting just around the corner that will push aside issues such as “doesn’t work, too expensive, too complex”? Kadyk is certain of one thing: “We are nowhere near to exhausting the potential of fuel cells.”

Text: Nicole Geffert


Wasserstoff als Treibstoff

Wie können wir mobil bleiben, ohne Mensch und Umwelt weiter zu belasten? Dr. Thomas Kadyk vom Institut für Energie und Systemverfahrenstechnik der TU Braunschweig hat auf die Frage eine eindeutige Antwort: „Wasserstoff-Brennstoffzellen für Flugzeugantriebe sind die Kerntechnologie, um sich von fossilen Energieträgern zu lösen.“

Seit zwölf Jahren arbeitet der Wissenschaftler intensiv auf dem Gebiet der Brennstoffzellen-Technologie. Im November 2016 kam er an die TU Braunschweig und ins Team „Energieversorgung“ im Projekt „Energiewende in der Luftfahrt“. Zuvor forschte er an der Simon Fraser University in Vancouver/Kanada. „Während meines Aufenthaltes in Kanada wurde mir bewusst, was es heißt, nachhaltig zu denken und zu leben. Die Naturverbundenheit der indigenen Ureinwohner und ihre Sorge um die Zerstörung ihres Lebensraums haben mich stark beeindruckt.“

Brennstoffzellen: im All erprobt

Ein umweltfreundlicher Energieträger ist Wasserstoff. Die Brennstoffzelle wandelt die Energie des Treibstoffs Wasserstoff mit Hilfe von Sauerstoff direkt in elektrische Energie um. Als einziges Abfallprodukt entsteht Wasser. Bereits 1838 führten der deutsche Chemiker Christian Friedrich Schönbein und der britische Physiker Sir William Robert Grove erste Experimente zur Brennstoffzelle durch. In den Apollo-Programmen in den 1960er Jahren kamen Brennstoffzellen im All im Einsatz. Seit den 1990er Jahren entwickeln Ingenieure sie als Antrieb für Autos. Im September 2016 startete das Hybridflugzeug HY4 in Stuttgart zu seinen Erstflug. Es ist weltweit das erste viersitzige Passagierflugzeug, das ausschließlich mit einem Wasserstoffbrennstoffzellen-Batterie-System angetrieben wird. Wissenschaftler des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt entwickelten den Antriebsstrang des Flugzeugs.

Doch lässt sich diese Technologie in Zukunft auch in größeren Flugzeugen einsetzen? Experten sehen die Grenze des Machbaren derzeit bei Flugzeugen von der Größe eines Regionaljets, der auf Kurzstrecken bis zu 40 Passagiere befördert. Doch Kadyk möchte „mentale Hürden im Kopf überwinden“ – und freut sich auf die Herausforderungen. Leistungsdichte, Effizienz und Zuverlässigkeit des Antriebssystems müssen weiter verbessert werden. Zudem ist die Herstellung von Wasserstoff noch sehr aufwändig. Kadyk: „Für die Herstellung wird viel Energie benötigt – und die sollte aus regenerativen Quellen wie Wind- oder Wasserkraft stammen.“ Zudem muss die erforderliche Infrastruktur aufgebaut werden, die eine Bereitstellung des Wasserstoffs an den Flughäfen sicherstellt.

Gibt es die revolutionäre Innovation?

Meist ist von Evolutionen statt Revolutionen die Rede, wenn es um technologische Verbesserungen in der Luftfahrt geht. Erfolge, so die Wissenschaftler, kämen in kleinen Schritten. Doch kommt man mit dieser inkrementellen Vorgehensweise wirklich zum Ziel und bringt so die Elektromobilität in naher Zukunft in die Luft? Oder gibt es sie nicht doch, die revolutionäre Innovation, die Vorbehalte wie „Funktioniert nicht. Zu teuer. Zu komplex.“ plötzlich vergessen macht? Kadyk ist überzeugt: „Das Potenzial der Brennstoffzelle ist noch lange nicht ausgereizt.“

Text: Nicole Geffert