Universal Hydrogen verwendet trockengeflochtene Kohlevorformtanks als Teil des Plans zur Dekarbonisierung der Luftfahrt

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Paul Eremenko, ehemaliger Chief Technology Officer von Airbus SE (Leiden, Niederlande) und United Technologies Corp. (Farmington, Connecticut, USA), hat Universal Hydrogen (Los Angeles, Kalifornien, USA) mitgegründet, um die notwendige Infrastruktur für wasserstoffbetriebene Luftfahrt. Flugreisen sind für rund 2,5 % der weltweiten Treibhausgasemissionen verantwortlich. Airbus und die französische Regierung haben angekündigt, dem entgegenzuwirken, indem sie das erste dekarbonisierte Verkehrsflugzeug entwickeln, das bis 2035 in Dienst gestellt werden soll. Airbus hat drei vorläufige Flugzeugdesigns angekündigt, die alle auf wasserstoffbetriebenen Antrieben basieren.

„Die größte Herausforderung ist aus unserer Sicht die Infrastruktur“, sagt J.P. Clarke, CTO von Universal Hydrogen. „Anstatt die Zeit und die Kosten für den Bau von Pipelines und spezialisierten Wasserstofftransportsystemen zu verlieren, möchten wir die bestehende containerisierte Frachttransportinfrastruktur in Kombination mit neuer, effizienter Technologie nutzen, um eine Lösung mit geringem Kapitalaufwand bereitzustellen. Unsere Doppelkapselmodule ermöglichen ein einfaches Befüllen, Transportieren und Laden in das Flugzeug und sind viel leichter als Batterien. Auch dieser Ansatz ist skalierbar. Mit steigender Nachfrage wächst auch das Liefernetz, indem einfach die Anzahl der im Umlauf befindlichen Module erhöht wird, jedoch mit einer niedrigen Eintrittsbarriere.“

Umrüstung von Turboprop-Flugzeugen

Das Unternehmen plant, den Markt durch die Umrüstung von ATR- und Dash-8-Twin-Turboprop-Regionalflugzeugen auf Wasserstoff-Brennstoffzellenantrieb anzukurbeln. Das für diese Flugzeuge entwickelte Doppelkapselmodul verwendet 850-bar-Zylinder, die aus einer mehrschichtigen, gewichtsoptimierten, kontinuierlichen Karbongeflecht-Vorform über einer Membran mit geringer Permeabilität zur Hochdruckspeicherung von Wasserstoffgas bestehen; oder zwei Metalltanks, isoliert, aber nicht aktiv gekühlt, um flüssigen Wasserstoff zu transportieren. Die Module sind so dimensioniert, dass sie 400 Seemeilen Reichweite mit Hochdruckgas und 550 Seemeilen mit flüssigem Wasserstoff bieten.

Bis zu drei Module werden über die im Rahmen der Supplemental Type Certificate (STC) Modifikation leicht verbreiterte Servicetür in den hinteren Rumpf der Flugzeuge geladen. Der Wasserstoff wird außerhalb des Rumpfs in die Gondeln geleitet, die jeweils das Turboprop-Triebwerk durch einen 2-Megawatt-Brennstoffzellenstapel ersetzen, der einen Elektromotor für den Propeller und einen kleineren Motor für die Hilfsenergie antreibt. Die Brennstoffzellen verwenden den Wasserstoff als Treibstoff und geben nur Wasserdampf ab, der unter Flugbedingungen gesammelt und abgelassen wird, wenn keine Kondensstreifen produziert werden, um die Umwelt so wenig wie möglich zu belasten. Ein Thermomanagementsystem mit Kühler an der Gondel kühlt die Brennstoffzelle und den Motor.

Die Nachrüstung wurde entwickelt, um die Flugzeugleistung mit der oben angegebenen Reichweite basierend auf Gas oder Flüssigtreibstoff aufrechtzuerhalten, erfordert jedoch den Verlust von zwei Sitzreihen, um die Doppeltankmodule unterzubringen. Die hintere Kombüse bewegt sich ebenfalls nach vorne und verliert zwei zusätzliche Sitze, was eine Gesamtkapazität von 40 Passagieren reduziert. Trotzdem schätzt Universal Hydrogen die Betriebswirtschaftlichkeit in Bezug auf die Kosten pro verfügbarer Sitzmeile in etwa unverändert.

Obwohl Wasserstoff derzeit teurer ist als Kerosin, wird erwartet, dass seine Kosten sinken, wenn die angekündigten und geplanten erheblichen Produktionssteigerungen online gehen. Eremenko schätzt auch eine Verbesserung der Wartungs- und Überholungskosten um mindestens 25 % für einen Brennstoffzellen-elektrischen Antriebsstrang gegenüber einem Verbrennungsmotor.

Geschäftsmodell, Zeitrahmen und Partner

Universal Hydrogen plant, Wasserstoff-Brennstoffmodule und einen Nachrüstsatz für die Umrüstung von Dash 8- und ATR-Flugzeugen anzubieten, mit dem Ziel, 2024 in Dienst gestellt zu werden. Eremenko hat beschrieben, dass die Umstellung auf Wasserstoff für regionale Fluggesellschaften subventioniert wird, im Wesentlichen „eine kostengünstige Umstellung“ im Austausch für einen langfristigen Wasserstoff-Brennstoffvertrag.

Nach dieser Anfangsphase will das Unternehmen seine Umbaupläne als Open-Source-Design veröffentlichen, das von Entwicklern kleinerer Flugzeuge angepasst werden kann, von der urbanen Luftmobilität bis zum Markt für Pendlerflugzeuge. Das Unternehmen plant, mit OEMs regionaler und größerer Verkehrsflugzeuge zusammenzuarbeiten, von ATR und De Havilland Canada bis hin zu Boeing und Airbus, um die Entscheidung für Wasserstoff zu minimieren.

Universal Hydrogen macht Fortschritte in Richtung eines endgültigen Designs und erwartet, bis 2021 eine Demonstration des Antriebsstrangs und der Kraftstoffmodule bereit zu haben. Es werden experimentelle Flugtests und dann die Zertifizierung folgen. Parallel wird das Unternehmen sein Wasserstoff-Logistiknetzwerk reifen und ein Produktionssystem für die Brennstoffmodule entwickeln. Bisher wurde es von seinen Gründern und Partnern in Höhe von rund 5 Millionen US-Dollar selbst finanziert. Schätzungen zufolge werden etwa 300 Millionen US-Dollar benötigt, um erste Einnahmen zu erzielen.

Obwohl sich Universal Hydrogen auf den Antrieb von Flugzeugen über Wasserstoff-Brennstoffzellen konzentrieren wird, könnten dieselben Brennstoffmodule auch zum Antrieb von Flugzeugen verwendet werden, die in modifizierten Düsentriebwerken Wasserstoff verbrennen. Das Ziel des Unternehmens, Mittelstrecken-Single-Aisle-Flugzeuge anzubieten, umfasst die überwiegende Mehrheit der Flüge weltweit und bietet ein enormes Marktpotenzial, sagt der ehemalige Airbus-Chef Tom Enders, der das Startup berät.