CO2-neutrale Luftfahrt bis 2050

Seit der industriellen Revolution nutzt die Industrie thermodynamische Energie, die durch die Verbrennung fossiler Brennstoffe gewonnen wird. Bei dieser Oxidation werden Treibhausgase freigesetzt. Die moderne Gesellschaft muss sich mit der Thematik nachhaltiger industrieller Entwicklungspraktiken auseinandersetzen, während die Luftfahrt sich wandelt, um das Ziel eines klimaneutralen Betriebs bis 2050 zu erreichen.

Siemens Digital Industries Software wurde beauftragt, das Clean Aviation Joint Undertaking zu unterstützen, das zur Entwicklung von Simulationen und Tests beitragen wird, um nachhaltige Luftfahrttechnologien zu unterstützen.

Laden Sie dieses Whitepaper herunter, um einen Einblick in einige der Herausforderungen für die Luftfahrtindustrie und die bisher erzielten Fortschritte zu erhalten.

Umweltfreundliche Flugzeugkonstruktion

Die Bemühungen um eine umweltfreundliche Flugzeugkonstruktion schreiten voran. Aufgrund der wachsenden Besorgnis über die Auswirkungen der Luft- und Raumfahrtindustrie auf den Klimawandel suchen Luftfahrtunternehmen nach Alternativen zu fossilen Brennstoffen, um umweltfreundliche oder nachhaltige Flugzeuge zu entwickeln. Zu den infrage kommenden Optionen gehören nachhaltige Flugkraftstoffe auf Pflanzenbasis und die Elektrifizierung. Eine beliebte Option ist Wasserstoff.

Wasserstoff hat eine höhere Energiedichte als Erdgas und Benzin und erzeugt bei der Verbrennung nur Wasser als Nebenprodukt. Bei der Herstellung von grünem Wasserstoff und der Konstruktion von wasserstoffbetriebenen Flugzeugen gibt es jedoch zahlreiche Herausforderungen, die überwunden werden müssen, um eine breite Einführung von Wasserstoff als Flugkraftstoff zu ermöglichen.

Nachhaltige Flugkraftstoffe: ein disruptiver Übergang

Die Umstellung auf nachhaltige Flugkraftstoffe bedeutet einen Umbruch in der Branche. Bei neuartigen Technologien wie dem Flüssigwasserstoffantrieb müssen Simulationen und Tests das gesamte relevante physikalische Verhalten (Verbrennung, Verdampfung, Strömungsverhalten, Auftrieb, Materialversprödung usw.) erfassen, messen und nutzen. Dazu sind Kenntnisse der zugrunde liegenden Physik, die Formulierung neuer Modelle, der Zugang zu hochwertigen experimentellen Ergebnissen und Fachwissen notwendig.

Für eine beschleunigte Entwicklung werden noch effizientere, kombinierte und massive Simulationsberechnungen sowie umfangreiche Testfunktionen erforderlich sein. Daher erfordert ein Wandel wie der Übergang zu einer nachhaltigen Luftfahrt ehrgeizige Initiativen im Bereich Simulation und Tests. Ein entscheidendes Instrument zur Bewältigung dieser Herausforderungen wird der digitale Zwilling sein, der bei der Entwicklung der nächsten Generation wasserstoffbetriebener Flugzeuge und der umweltfreundlichen Wasserstoffproduktionsanlagen, die sie antreiben, helfen wird.

Kraftstoffe mit der besten gravimetrischen und volumetrischen Energiedichte sind in der Regel CO2-haltige Kraftstoffe, zu denen es keine CO2-freie Alternativen gibt. Die Klimaneutralität dieser Kraftstoffe muss unter Berücksichtigung ihrer Herstellung und ihres CO2-Ausgleichs bewertet werden. Nachhaltige Flugkraftstoffe (Sustainable Aviation Fuels, SAF) folgen dieser Option, indem sie aus biologischem Anbau und Ölrecycling hergestellt werden. Die dazugehörigen Gasturbinen und Kraftstoffsysteme werden entsprechend angepasst.

Beschleunigung der umweltfreundlichen Luftfahrt

Die Beschleunigung der umweltfreundlichen Luftfahrt erfordert Innovation und diese wird durch die digitale Technologie vorangetrieben. Die Entwicklung von Wasserstofftechnologien für die Luftfahrt geht weit über die bisherige Erforschung der Technologie hinaus und zielt auf einen kommerziellen Einsatz innerhalb der nächsten 20 Jahren ab. Sie bringt erhebliche Veränderungen mit sich, die sich auf fast alle Bereiche der Luftfahrttechnik auswirken, wie Strukturen, Systeme, Lufttüchtigkeit, Sicherheit, Betrieb, Wertschöpfungsketten, Fertigung usw. In der Luftfahrttechnik wird dies zu einzigartigen und neuen Herausforderungen führen. Erforderlich dazu ist eine Beschleunigung aller möglichen Forschungs- und Entwicklungsmethoden und -tools (F&E), um innerhalb kurzer Zeit zur industriellen Reife zu gelangen. Erfahren Sie, wie Simcenter-Lösungen dazu beitragen, die Umstellung auf nachhaltige, klimaneutrale Flugzeuge voranzutreiben.

Neuartige Strukturen und Aerodynamik

Um das Ziel der Klimaneutralität bis 2050 zu erreichen, muss parallel an Forschung und Entwicklung (F&E) gearbeitet und die Entwicklungszeit verkürzt werden. Hier könnten neuartige digitale Technologien in Verbindung mit neuen Methoden und Rechenleistungen für die Entwicklung der klimaneutralen Luftfahrt der Zukunft von großem Nutzen sein.

Der Einsatz von Wasserstoff als Kraftstoff (flüssig oder komprimiert) und die Möglichkeiten der Hybridisierung wirken sich nicht nur auf das Antriebssystem, sondern auch auf die gesamte Flugzeugstruktur aus. Diese Möglichkeiten beinhalten:

• Integration wasserstoffbetriebener Flugzeuge
• Konfigurationen mit gemischtem Flügelaufbau
• Konfigurationen von Testflügeln
• Neuartige Interaktionen mit Strukturen