Den Weg zur Wasserstoffverbrennung in der Luftfahrt gestalten
DLR (CC BY-NC-ND 3.0)
DLR (CC BY-NC-ND 3.0)
Die Entwicklung von Flugverkehr mit Wasserstoffantrieb geschieht nicht von heute auf morgen. Es ist ein kooperativer Prozess, der auf intensiver Konzeptentwicklung, Auswahlverfahren, Testkampagnen unter Einsatz komplexer Infrastruktur sowie einer strengen abschließenden Validierung basiert. So spielte auch das DLR Institut für Antriebstechnik mit seinem Fachwissen zur Entwicklung von Brennern und Brennkammern eine entscheidende Rolle für die erfolgreiche Demonstration von Rolls-Royce eines wasserstoffbetriebenen Triebwerks Anfang des Jahres.
Anfang dieses Jahres schloss Rolls-Royce (RR) ein vierjähriges Testprogramm zur Wasserstoffverbrennung im Stennis Space Center der NASA (National Aeronautics and Space Administration) ab und erzielte damit einen bedeutenden Durchbruch für die umweltfreundlichere Luftfahrt. Das Team demonstrierte erfolgreich den ersten Vollbetrieb eines mit 100% Wasserstoff betrieben Strahltriebwerks. Der Test, bei dem ein modifiziertes Rolls-Royce-Triebwerk vom Typ Pearl 15 zum Einsatz kam, stellte damit einen wichtigen Meilenstein bei der Validierung der Rolle von Wasserstoff in der Luftfahrt der Zukunft und bei der weiteren Reduzierung der CO₂-Emissionen dar.
Solche Erfolge entstehen selten über Nacht und sind oft das Ergebnis eines langen Entwicklungsweges und zahlreicher Vorversuche. Im Rahmen der langjährigen Forschungskooperation mit Rolls-Royce plc spielte das Institut für Antriebstechnik eine Schlüsselrolle bei diesem Durchbruch, indem es das Unternehmen über den gesamten Technologieentwicklungsprozess hinweg unterstützte - von der frühen Konzeptprüfung bis zur abschließenden Systemvalidierung - und die notwendige Infrastruktur für entscheidende Testkampagnen bereitstellte.
2022: Erster Betrieb von Rolls-Royce-Brenner mit reinem Wasserstoff unter atmosphärischen Bedingungen
Der Weg zu diesem Meilenstein begann für unser Institut Ende 2022 in unserem Teststand Atmospheric Primary Zone (APZ), eine Versuchsanlage für die Verbrennung unter atmosphärischen Bedingungen. Im Rahmen einer umfassenden Testreihe in Zusammenarbeit mit Rolls-Royce wurden zahlreiche Brennerkonstruktionen von Rolls-Royce hinsichtlich Stabilität, Emissionen und Flammenverhalten bei der Wasserstoffverbrennung untersucht. Die Tests wurden durch optische Messungen ergänzt, welche wichtige Erkenntnisse über die unterschiedlichen Verbrennungseigenschaften lieferten und dazu beitrugen, Unterschiede im Betriebsverhalten und bei den Emissionen zu erklären.
Die Tests waren Teil des Projekts WotAn, bei dem sogenannte Rich-Quench-Lean-Brennkammern (Fett-Mager-Brennkammern) die Grundlage für neu entwickelte Wasserstoffbrennkammern bilden. Ziel des Projektes ist es, die verschiedenen Auswirkungen der veränderten Kraftstoffeigenschaften zu untersuchen – ein wichtiger Schritt, um sichere, effiziente und klimafreundliche Wasserstoffbrennkammern entwickeln zu können. Das Projekt ist Teil des Luftfahrtforschungsprogramms (LuFo) und wird vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie gefördert.
RQL-Brennkammern für den Betrieb mit Kerosin sind ausgereifte Systeme, die vor allem in Flugzeugtriebwerken zum Einsatz kommen. Sie sind auf eine äußerst robuste und stabile Verbrennung sowie niedrige Emissionen ausgelegt. Die Umstellung des Brennstoffs von Kerosin auf reinen Wasserstoff verändert das Verbrennungsverhalten grundlegend, was auf die einzigartigen chemisch-physikalischen Eigenschaften von Wasserstoff zurückzuführen ist. Im Vergleich zu Kerosin verbrennt Wasserstoff deutlich schneller und kann höhere Spitzentemperaturen erreichen. Dies kann zwar zu höheren thermischen Belastungen der Brennkammer führen, der größere Stabilitätsbereich ermöglicht jedoch gleichzeitig auch eine größere Flexibilität bei der Konstruktion. Der RQL-Ansatz bietet somit insbesondere für den Wasserstoffbetrieb in Strahltriebwerken eine sichere und robuste Grundlage, unter Berücksichtigung der Herausforderungen, die sich aus den veränderten Verbrennungseigenschaften ergeben.
2023: Erster Betrieb von Rolls-Royce-Brennern mit reinem Wasserstoff in einem Dreifachsektor unter Hochdruckbedingungen
Auf Grundlage der vielversprechenden Ergebnisse und Erkenntnisse aus den letzten Untersuchungen, konnte Mitte 2023 eine kleinere Auswahl an Brennerkonstruktionen für weitere Untersuchungen in einer stärker anwendungsorientierten Versuchsumgebung getroffen werden. Gemeinsam mit Rolls-Royce wurden die ausgewählten Brennervarianten in unserem Hochdruck-Brennkammer-Prüfstand 1 (HBK 1) getestet, welcher gleichzeitig an die Wasserstoffinfrastruktur auf dem DLR-Gelände in Köln angeschlossen war. Im Gegensatz zu früheren Tests, bei denen die Brennerkonstruktionen nur unter vereinfachten Umgebungsdrücken getestet wurden, ermöglichte der HBK 1 Leistungstests unter realistischen Temperaturen, hohen Drücken und Strömungsverhältnissen, welche reale Triebwerksbedingungen simulieren. Diese Tests waren ebenfalls Teil des Projekts WotAn.
Als optisch zugänglicher Prüfstand mit drei Brennern lieferte der HOTS-Brenner (High Pressure Optical Triple Sector) im HBK 1 wichtige Daten zur Flammenstabilität, Wärmebelastung des Brenners und zu den Emissionen der Brenner. Dies ermöglichte die Bewertung und Validierung der Brennerauswahl unter realistischen Betriebsbedingungen in einem triebwerksähnlichen RQL-Testbereich und lieferte erste Erkenntnisse darüber, wie sich die Flammen- und Emissionscharakteristika von Wasserstoffbrennern in Abhängigkeit von den Betriebsdrücken verändern.
Die Tests bestätigten nicht nur die technische Reife der ausgewählten Brenner, sondern zeigten auch, dass das Risiko beim Betrieb von Wasserstoffbrennern in bestehenden, für Kerosin ausgelegten Brennkammern gering genug ist, um zur nächsten Validierungsstufe überzugehen.
2023: Erster Betrieb von Rolls-Royce-Brenner mit reinem Wasserstoff in einer Triebwerks-Ringbrennkammer unter realen Betriebsbedingungen des PEARL-Triebwerks
Die vielversprechenden Ergebnisse der Tests mit drei Sektoren in HBK 1 bildeten die Grundlage für die abschließende und anspruchsvollste Phase: die Integration und Erprobung einer Rolls-Royce-Ringbrennkammer in Originalgröße in unserem Hochdruck-Brennkammer-Prüfstand 5 (HBK 5) Ende 2023. Diese hochpräzise Testumgebung ermöglichte es, das gesamte Verbrennungssystem unter realen Triebwerksbetriebsbedingungen zu validieren, welche denen der abschließenden Triebwerksdemonstration zu Beginn dieses Jahres entsprachen.
Die Tests waren Teil des EU-Projekts CAVENDISH und zeigten, dass alle vier Rolls-Royce-Brenner über den gesamten Betriebsbereich sicher betrieben werden können und die aktuellen Emissionsanforderungen für Stickoxide (NOx) erfüllen. Damit wurde nachgewiesen, dass Wasserstoff in einer modernen Triebwerksbrennkammer sicher und effizient verbrannt werden kann. Bei den Tests kamen zudem erstmals optische Sonden und Endoskope für optische Messungen während der Vollringversuche zum Einsatz, was eine visuelle Inspektion der Brennkammer und insbesondere des Flammenverhaltens ermöglichte.
Auf der Grundlage der HBK-5-Testergebnisse wählte Rolls-Royce Anfang 2026 den endgültigen Brennertyp für den abschließenden Triebwerksversuch aus. Durch die Kombination aus strenger und systematischer Vorauswahl, fortschrittlicher Diagnostik und Tests unter realen Bedingungen trug diese gemeinsame Entwicklung dazu bei, die mit der Wasserstoffverbrennung verbundenen Risiken zu verringern und den Weg zu einem möglichen kommerziellen Einsatz zu beschleunigen.
Dieser Erfolg unterstreicht die Bedeutung eines schrittweisen und evidenzbasierten Ansatzes bei der Technologieentwicklung – ein Ansatz, der den Kern der laufenden Arbeit unseres Instituts und unserer Einrichtung bildet. Darüber hinaus zeigt er, dass wasserstoffbetriebener Flugverkehr bei fortgesetzter Zusammenarbeit und Innovation nicht mehr allzu fern ab von der Realität ist.
Weitere Veröffentlichungen aus den Projekten:
- Clemen, C., et al, “Considerations for hydrogen fueled aerospace gas turbine combustion sub-system design“, Proc. of ASME TurboExpo, GT2024-122593.
- Berger, J. et al., “ Atmospheric testing of hydrogen fuel injectors for RQL combustion within the Rolls-Royce Pearl 15 hydrogen demonstrator engine program”, CAES Journal, 2026.
- Eisenring, S., et al., “High-pressure testing of hydrogen fuel injectors in a triple-sector RQL-rig for the Rolls-Royce Pearl 15 Hydrogen Demonstrator Engine Program”, CAES Journal, 2025.