Andreas Westenberger

Chapter 4:Large Auxiliary Power Units for Vessels and Airplanes

Electricity requirements in mobile applications are increasing in nearly all forecasts for the future by electric devices for more comfort and a guaranteed energy supply during idling mode. Today combustion engines and turbo jet engines were applied as auxiliary power units (APU) on-board of air planes and ocean-going vessels. Fuel cells are envisaged as an environmental friendly and high efficient energy conversion system for future systems. The ideal energy carrier for fuel cells is hydrogen. The availability of hydrogen is a prerequisite for the use of fuel cells in mobile and stationary applications. However, an infrastructure for hydrogen as a future energy carrier does not yet exist. It is therefore essential that hydrogen be produced from readily available energy carriers. Usually for logistical reasons, APUs should use the same fuel as the main engine. This will be kerosene or JET A-1 for air planes and diesel or marine gas oil for vessels.This contribution will show the requirements of for aeronautic and maritime applications and will give an overview about todays developments in fuel cell technology and fuel processing. The targeted power class of large APUs for these applications is higher than 400 – 500 kWe. Especially for aeronautic applications two system concepts were compared for long and short range missions with hydrogen and JET A-1 as fuel. The application of kerosene-based fuel cell APUs for long-range missions could be preferable due to the lower volume required for the complete multifunctional system, the usage of the existing infrastructure, a short- to medium-term CO2 reduction and a gradual switch to biofuels. Short-range missions require a low system mass which lead to the preference of hydrogen-based HT-PEFCs.

Brennstoffzellensysteme als Bestandteil eines multifunktionalen Systems

Brennstoffzellen produzieren mehr als elektrischen Strom. Bei der elektrochemischen Umwandlung von chemischer Energie in elektrische Energie entstehen als stoffliche Produkte Wasser, sauerstoffarmes Kathodenabgas und ein an Wasserstoff abgereichertes Brenngas. Die freigesetzte chemische Energie wird zum Teil als Warme freigesetzt. Das Flugzeug bietet neben der Bordstromversorgung die Anwendungsoptionen: Wasserproduktion, Brandbekampfung und Inertisierung von Kerosintanks fur Brennstoffzellensysteme an. Es werden in diesem Kapitel vor allem thermodynamische und verfahrenstechnische Berechnungen durchgefuhrt, um die verschiedenen Potentiale in Abhangigkeit von der Systemkonfiguration darzustellen. Ein Schwerpunkt liegt dabei auf der Wasserproduktion an Flughafen mit unterschiedlichen klimatischen Bedingungen und wahrend des Fluges. Zwei Systemen gilt dabei besondere Aufmerksamkeit: der wasserstoffbetriebenen PEFC und der kerosinbetriebenen HT-PEFC. Auf Basis des heutigen Entwicklungsstands und zukunftiger Zielwerte werden Volumen- und Massenbilanzen fur die Teilsysteme Brennstoffzelle, Brenngaserzeugung und Kerosin- und Flussigwasserstoffspeicherung durchgefuhrt. Aus den in diesem Buch gezeigten Analysen lasst sich ableiten, dass die Flugdauer eine wichtige Rolle bei der Systemauslegung spielt.

Hydrogen and Fuel Cells: Mobile Application in Aviation

Using hydrogen as a fuel for the propulsion of large commercial passenger aircraft has the advantage that it contains about three times the energy content per weight compared to kerosene hydrogen. On the other hand the volume of hydrogen, even at cryogenic liquid state, is about four times the volume of kerosene. Additional tank weight for the storage of the cryogenic hydrogen partially balances the weight advantage again. Other applications in conjunction with fuel cell technology as energy converters achieve higher efficiencies compared to the today’s conventional technologies. Such configurations are currently applied as components for the propulsion of smaller electrically powered aircraft and electrical onboard generators at experimental level. In the case of using this technology as an onboard power generator on large commercial aircraft, it is possible to also use byproducts such as heat of reaction, process water and the low-oxygen exhaust air.

Ausblick auf zukünftige Anwendungen in der Luftfahrttechnik

Die ersten Kraftstoffe, die in der Luftfahrt Verwendung fanden kamen, wie die Motoren selbst, aus der Entwicklung des Automobils. Von Beginn an wurde jedoch fur die moderne Luftfahrt nach dem „gunstigsten“ Kraftstoff gesucht. Zunachst standen naturlich rein praktische Aspekte im Vordergrund, wie das gunstige Verhalten im jeweiligen Verbrennungsprozess, Energieinhalt, Handhabbarkeit, Sicherheit und naturlich auch Verfugbarkeit bei niedrigen Preisen. Zukunftige Kraftstoffe fur die Luftfahrt mussen sich, wegen ihrer weltweiten Verbreitung an den gleichen Masstaben messen. In erster Linie wird in Richtung eines nachhaltigen, aber sehr kerosinahnlichen Kraftstoffes gesucht. Einige solcher alternativen Kraftstoffe sind bereits getestet und nach Erreichung der Zulassung in der Praxis erfolgreich eingesetzt worden. Grundsatzlich gilt es zuvor zu klaren ob es um die gleichen Energie-zu-Leistung-Wandlungs-Prozesse geht. Hierbei sind rein thermische Wandlungen im Sinne der Carnot Gesetze und chemische Wandlungen wie die, die in einer Brennstoffzelle ablaufen zu unterscheiden.