Zukünftige Flugantriebe - MTU Aero Engines

US $ / barrel 

150 

100 

50 

Ölpreisentwicklung 

0 

1970 1980 1990 2000 2010 

Langfristige Sicherung des Luftverkehrs 

durch neue Antriebstechnologien und 

alternative Brennstoffe 

Dr. Jörg Sieber 

Deutsche Gesellschaft für Luft- und Raumfahrt 

EUROAVIA 

Braunschweig 23.11.2009

Inhalt 

Randbedingungen 

• Ressourcen 

• Klimaänderung 

Alternative Brennstoffe 

• Anforderungen 

• Bewertung alternativer Brennstoffe 

Neue Antriebstechnologien 

• Verbesserungspotentiale 

• Neue Triebwerkskonzepte mit verbessertem Vortriebswirkungsgrad 

• Neue Triebwerkskonzepte mit verbessertem thermischer Wirkungsgrad 

• Langfrist Triebwerkskonzept 

Technologieprogramme 

Auswirkungen auf den Luftverkehr 

23.11.2009 Neue Antriebstechnologien und alternative Brennstoffe - J. Sieber 2

Randbedingungen 


Ressourcen 

Seit 1981 verbraucht die Welt mehr Öl 

pro Jahr als neu entdeckt wird*. 

Die Reichweite der heute nachgewiesenen 

Weltölreserven beträgt 

bei Fortschreibung der Produktion ca. 

40 Jahre. Bei Steigerung der Produktionsrate 

sind die Reserven bereits in 

30 Jahren verbraucht**. 

Nach Ansicht der Internationalen 

Energie-Agentur kann der Rohölbedarf 

noch bis zum Jahr 2030 befriedigt 

werden***. 

Der Preis für Rohöl hat sich seit dem 

letzen Tiefststand im Jahr 1999 

gegenüber Sommer 2008 mehr als 

verzehnfacht. 

* ASPO Association for the Study of Peak-Oil and Gas 

** TU Berlin International 60, August 2007 

*** International Energy Agency IEA, World Energy Outlook 2007 

Szenarien zur Entwicklung der Ölförderung 

Millionen Barrel pro Tag 

US $ / barrel 

23.11.2009 Neue Antriebstechnologien und alternative Brennstoffe - J. Sieber 4 

150 

100 

50 

0 

Ölpreisentwicklung 

Price of West Texas Intermediate Crude, Monthly NSA 

1970 1980 1990 2000 2010

Klimaänderung 

Es ist sehr wahrscheinlich, dass die 

beobachtete Klimaänderung durch 

Menschen verursacht wird und die 

CO2-Emissionen daran den wesentlichen 

Anteil haben. 

Der Anteil des Luftverkehr am CO2- Ausstoss beträgt heute ~2% *. 

Die wichtigsten Ursachen für die 

Klimaerwärmung durch den Luftverkehr 

sind **: 

• die CO2-Emissionen • Ozonproduktion infolge NOX- Emissionen 

• Kondensstreifen und Zirruswolken 

Der Anteil des Luftverkehrs an der 

anthropogenen Klimaänderung wird 

auf 3,5% geschätzt **. 

* World Resource Institute 

** IPCC 2007 

Climate change from Aircraft 

Radiative forcing from aviation in 1992, IPCC 2007 

Lines around the bars show uncertainty 

Level of scientific understanding 

good fair poor poor fair very fair fair 

poor 

Source: Intergovernmental Panel on Climate Change IPCC 

www.ipcc.ch/ipccreports/sres/aviation 



Klimaänderung - Reglementierungen 

Ab 2012 sollen die Airlines im europäischen Luftverkehr 

am Emission Trading System teilnehmen. 

Im ersten Schritt ist eine Reduktion der CO2- Emissionen um 3%, eine kostenfreie Zuteilung 

von 85% sowie eine Versteigerung von 15% der 

Emissionsrechte vorgesehen. Weiter notwendige 

Emissionsrechte müssen zugekauft werden *. 

Die EU-Kommission hat ein Gesetzespaket zum 

Klimaschutz beschlossen, das eine Reduktion 

des CO2-Ausstosses um 20% bis zum Jahr 2020 

im Vergleich zu 1990 vorsieht. 

Die EU-Umweltminister streben eine Vereinbarung 

auf der Weltklimakonferenz 2009 zur 

Reduktion des CO2-Ausstosses um 10% bis zum 

Jahr 2020 im Vergleich zu 2005 an. 

Die internationale Zivilluftfahrt-Organisation ICAO 

verspricht ab 2020 CO2-neutrales Wachstum und 

bis 2050 eine Halbierung der netto CO2- Emissionen gegenüber 2005 **. 

* EU Parlament 8. Juli 2008 ** ICAO Geneva 2008 

Annahmen 

• Steigerung des absoluten Brennstoffverbrauchs um 3% pro Jahr 

• Weitere Reduktion der CO2 Grenze um 20% in 2020 (in Diskussion) 


Verteilung der CO 2 Emissionsrechte 

Emission Trading System 

180% 

160% 

140% 

120% 

100% 

80% 

60% 

40% 

20% 

0% 

Kauf ausserhalb Luffahrt 

staatliche Auktion 

kostenfrei zugeteilt 

100% 

26% 

15% 

82% 

76% 

80% 

2004-2006 2012 2020 

CO 2 - 

Emissionen 

Zielwert

Konsequenzen 

Rohöl steht als Energielieferant zu akzeptablen Preisen nur noch für einen begrenzten 

Zeitraum zur Verfügung. 

Die Gesellschaft erwartet zukünftig (besonders) von der Luftfahrt eine deutliche 

Reduktion der klimaschädlichen Emissionen. 

• In den vergangen 40 Jahren konnte der spezifische Verbrauch um 70% reduziert 

werden, das entspricht einer jährlichen Verbesserung von 3% pro Jahr. 

• Ein Anstieg der absoluten CO2-Emissionen der Luftfahrt ist wegen des starken 

Verkehrswachstums von ca. 5% pro Jahr durch technologische Verbesserungen wie 

in der Vergangenheit nicht zu kompensieren bzw. zu überkompensieren. 

Produktion Flugzeug-/Triebwerk 

Entwicklung 

Einsatz Flugzeug-/Triebwerk 

Ende der Ölzeit 

massive Begrenzung der CO 2 -Emissionen 

2000 2010 2020 2030 2040 2050 2060 

Technologieentwicklungen zu effizienten Luftverkehrssystemen und alternativen 

Brennstoffen sind sofort zu starten. 


Alternative Brennstoffe 


Anforderungen an alternative Brennstoffe 

Notwendige Eigenschaften 

• Hohe Energiedichte 

Kerosin 

gravimetrische Energiedichte 

• Hohe Speicherfähigkeit 

43,3 MJ/kg 

volumetrische Energiedichte 

• Sichere Handhabung 

35,0 MJ/l 

Gefrierpunkt -47°C 

Siedebereich 

Zündgrenzen, Verdunstungsverhalten 

180-260°C 

• Langfristig gesicherte Verfügbarkeit nein 

• Geringe Klimawirksamkeit ungünstig 

Wünschenswerte Eigenschaften 

• Geringe Modifikationen an Flugzeug 

und Triebwerk 

• Einfache Infrastruktur am Boden 

• Einfacher Übergang (Drop-In Lösung) 

• Technologien verfügbar 

C 12 H 23 


Vergleich Energiedichte alternativer Energieträger für die Luftfahrt 

Gravimetrische und volumetrische Energiedichte 

vol. Energiedichte MJ/dm³ 

100 

10 

1 

0,1 

0,01 

NIMH Akku 

Li-Ionen Akku 

Gasförmige Brennstoffe 

Flüssige Brennstoffe 

Verdichtete gasförmige Brennstoffe 

Feste Brennstoffe 

Elektrischer Speicher 

Kerosin JP-1A 

Silizium, Kohlenstoff 

Magnesium, Phosphor Paraffin 

Kerosin, Diesel, Benzin, 

Benzol, Biodiesel 

Isopropanol 

Ethanol 

Kohle 

Methanol 

Flüssiggas 

Methan flüssig 

Erdgas flüssig 

Ammoniak flüssig 

Methan 200bar 

H2 flüssig 

Holz Erdgas 200bar 

Erdgas 1bar 

Butan 1bar 

Propan 1bar 

Ammoniak 1bar 

0,1 1 10 100 1000 

grav. Energiedichte MJ/kg 

Methan 1bar 

H2 200bar 


H2 1bar 

Höhere Energiedichten 

liefern 

flüssige Kohlenwasserstoffe, 

Flüssiggas, 

flüssiges Methan, 

flüssiger Wasserstoff 

und exotische 

Energieträger wie 

Silizium.

Alternative Brennstoffe und ihre Quellen 

Alternative Brennstoffe mit hoher Energiedichte ohne Festbrennstoffe 

Fossile 

Quellen 

Erneuerbare 

Energien 

Kerosin 

Erdöl oder 

Ölsande 

Synthetisches 

Kerosin 

Alkohol 

Ethanol, 

Methanol 

Ethanol aus 

Zuckerrüben, 

Getreide, … 

Biokraftstoffe 

1. Generation 

Erdgas 

Kohle 

Biomasse 

Öle, 

Methylester 

Pflanzenöle 

aus Raps, 

Palmöl, .. 

Methylester 

(Biodiesel) aus 

Raps, … 

Biokraftstoffe 

1. Generation 

Synthesegas 

Vergasung 

Gaswäsche 

CO 2 Abtrennung 

O 2, H 2O 

Synthet. 

Kerosin 

GTL (Gas to 

Liquid) Erdgas 

CTL (Coal to 

Liquid) Kohle 

BTL (Biomass 

to Liquid) aus 

Biomasse 

Biokraftstoff 2. 

Generation 

CO 

+ 

H 2 

Hydrierte 

Pflanzenöle 

HVO 

(Hydrogenated 

Vegetable Oil) 

Hydrierung von 

Pflanzenölen 

aus Jatropha, 

Palmöl, Algen, 

… 

Biokraftstoff 2. 

Generation 

Fischer-Tropsch 

Synthese 

Aufbaureaktion 

mittels Katalyse 

Flüssiggas 

LPG (Liquefied 

Petroleum 

Gas) 

Erdgas, Erdöl, 

Ölsande 

Langkettige 

Paraffine 

n(-CH 2-) 

Methan 

Erdgas 

Methanhydrat 

vom Meeresboden 

Biogas aus 

Biomasse 

Hydro Prozess 

Cracken 

Wasserstoff 

Erdgas 

Kohle 


Solar 

Kerosin 

Diesel 

Benzin 

Flüssiggas 

Naptha 

…

MTU Bewertung alternative Brennstoffe 

Energieträger 

Kerosin 

GTL, CTL Kerosin 

Flüssiggas 

LPG Liquefied Petroleum Gas 

Flüssigerdgas (Methan) 

LNG Liquefied Natural Gas 

Ethanol, Methanol 

Methylester, Pflanzenöl 

BTL Kerosin 

Hydrierte Pflanzenöle 

Methan flüssig 

Flüssiger Wasserstoff 

LH2 Liquefied Hydrogen 

Quelle 

fossil 

regenerativ 

Öl, 

Ölsande 

Kohle, 

Ergas 

Öl, Erdgas 

Erdgas 

Biomasse 

Biomasse 

Biomasse 

Biomasse 

Biomasse 

solar 

Energiedichte 

+ 

+ 

+ 

+ 

- 

0 / + 

+ 

+ 

+ 

+ 

Modifikationen 

- 

gefriert 

Technologiereife 

Kraftstoff 


+ 

+ 

- 

Drucktank 

- 

Isoliertank 

+ 

+ 

+ 

- 

Isoliertank 

- 

Isoliertank 

+ 

+ 

+ 

+ 

+ 

+ 

0 

0 

+ 

- 

Langfristige 

Verfügbarkeit 

- 

- / 0 

Gas / Kohle 

- 

- 

- 

- 

- / + 

Land / Alge 

- / + 

Land / Alge 

0 

+ 

Klimawirkung 

- 

- 

0 

0 

+ 

+ 

+ 

+ 

+ 

+

BTL Kerosin (Biomass to Liquid) 

Kraftstoffsynthese aus Biomasse: Energiepflanzen, Holz, Bioreststoffe, Algen 

Pilotanlagen produzieren bereits (z.B. Choren 18 Mio. l Sun-Diesel pro Jahr) 

Günstige CO 2 -Bilanz, da bei der Verbrennung nur die Menge an CO 2 frei wird, die die 

Pflanzen zuvor absorbiert haben. 

Erfordert für den Anbau von Energiepflanzen oder Holz große Flächen und steht damit in 

Konkurrenz zur Nahrungsmittelproduktion, außerdem wird die Umwelt durch Pestizide 

und Düngemittel geschädigt. 

Bioreststoffe stehen nur begrenzt zur Verfügung. 

Der Anbau von Algen ist eine erfolgversprechende 

Alternative, da Algen sehr schnell wachsen und bei 

Verwendung von nicht für konventionelle Landwirtschaft 

geeigneten Flächen keine Konkurrenz zur 

Lebensmittelproduktion entsteht. 

Auf Hawaii wird eine Pilotanlage zur Algenproduktion 

in Kooperation von Shell und HR 

Biopetroleum erstellt. 

Quelle: www.hrbiopretroleum.com 

Leeres Algenfeld 


Wasserstoff 

Einsatz von flüssigem Wasserstoff im Flugzeug 

Herstellung des Wasserstoffs mittels Elektrolyse aus Solarstrom (Kernfusion) 

Hohe gravimetrische Energiedichte (2,8 mal leichter als Kerosin), jedoch niedrige 

volumetrische Energiedichte (4,1 mal voluminöser als Kerosin) 

Erfordert massive Änderungen am Flugzeug, da voluminöser und gute Isolierung 

notwendig (Temperatur flüssiger Wasserstoff -253°C) 

Verbrennung mit relativ geringen Modifikationen an der Brennkammer möglich, jedoch 

größere Modifikationen an Anbaugeräten und Kraftstoffsystem 

Sehr schlechte Handhabbarkeit und Sicherheitsrisiken 

Erfordert sehr hohe Investitionen in die 

Versorgungsinfrastruktur. In der Übergangszeit 

ist eine parallele Infrastruktur 

an allen Flughäfen notwendig. 

Schlechte Langzeitspeicherbarkeit 

CO2 frei (regenerative Energiequellen), 

jedoch Klimawirkung von Wasserdampf 

strittig. 

LH2-Tank Integration in A310 


Sun Fuel 

Direkte Herstellung von synthetischem Kerosin 

„Sunshine to Petrol“ 

• Erzeugung von Synthesegas für Fischer- 

Tropschsynthese aus CO 2 und H 2 O mittels 

konzentrierter Sonnenenergie 

2H 2 O 2H 2 + O 2 

2CO 2 2CO + O 2 

• Zunächst Verwendung von CO 2 aus 

Kraftwerken, später CO 2 aus Umgebungsluft. 

Machbarkeitsnachweis durchgeführt und 

Prototyp erstellt durch Sandia National 

Laboratory, USA 

Quelle: News Releases Sandia National Laboratories 

Sandia‘s Sunshine to Petrol project seeks fuel from thin air Sonnenlicht Receiver 


Landbedarf erneuerbare Energien 

Die Realisierbarkeit einer Brennstoffversorgung 

durch erneuerbare Energien wird 

u.a. durch die Verfügbarkeit der 

notwendigen Flächen bestimmt. 

Abschätzung des Flächenbedarfs für den 

maximalen Energiebedarf der Luftfahrt: 

• Synthetisches Kerosin aus 

Energiepflanzen 

Flächenbedarf ~ 3,2 Mio. km² 

(20% der Ackerflächen der Erde) 

• Synthetisches Kerosin aus Algen 

Flächenbedarf ~ 0,52 Mio. km² 

(1% der Wüstenflächen der Erde) 

• Solarer Wasserstoff 

Flächenbedarf ~ 90.000 km² 

(1,2-fache Größe von Bayern bzw. 

0,17% der Wüstenflächen der Erde) 

Kerosin 

aus Algen 

Kerosin aus Energiepflanzen 

Solarer 

Wasserstoff 

Flächenbedarf zur Versorgung der Weltluftfahrt 



Quelle: 

Airbus

Flugtests mit Bio-Kraftstoffen 

Flugzeug 

B747-400 

B747-400 

B737-800 

B747-300 

Fluggesellschaft 

Virgin Atlantic 

Air New Zealand 

Continental Airlines 

JAL 

Partner 

Boeing 

GE 

Boeing 

Rolls Royce 

Boeing 

GE, CFM 

Honeywell UOP 

Boeing 

Pratt&Whitney 

Honeywell UOP 

Datum 

23.02.2008 

30.12.2008 

07.01.2009 

30.01.2009 

Bio- 

Kraftstoff 

Kokosnuss, 

Babassu 

Jatropha 

Algen, 

Jatropha 

Camelina, 

Jatropha, 

Algen 

Mischung 

Triebwerke 

20% 

ein Triebwerk 

50% 

ein Triebwerk 

50% 

ein Triebwerk 

50% 

ein Triebwerk 


Roadmap alternative Kraftstoffe in der Luftfahrt 

+ 

Klimaverträglichkeit 

– 

Kerosin 

Biodiesel 

Äthanol 

X 

CTL 

heute 

GTL 

BTL 

HVO 

drop-in 

vorhandene Infrastruktur 

BTL/HVO-Kerosin und solarer Wasserstoff sind luftfahrtgeeignet und können eine 

nachhaltige und weitgehend klimaneutrale Energieversorgung der Luftfahrt sicherstellen. 


LNG 

LH2 

(solar) 

kryogene Kraftstoffe 

neue Infrastruktur 

nachhaltig 

fossil 

Zeit

Antriebstechnologien 


Wirkungsgrad von Flugantrieben 

Kreisprozess 

Bypassverhältnis Druckverhältnis 

η gesamt = η Vortrieb Installation · η thermisch Temperatur 

…. Komponentenwirkungsgrad 

… 

Propulsion Efficiency % 

100 

90 

80 

70 

60 

50 

ideal 

installed 

5 10 15 20 25 30 

Bypass Ratio 


Thermal Efficiency % 

60 

50 

40 

30 

20 

10 

0 

T max = 2000 K 

1000 K 

1500 K 

0 10 20 30 40 50 

Overall Pressure Ratio

Designtreiber Gesamtdruckverhältnis und Bypassverhältnis 

Bypassverhältnis 

12 

10 

8 

6 

4 

2 

0 

1960 1970 1980 1990 2000 2010 

Zertifizierung 


Gesamtdruckverhältnis 

60 

50 

40 

30 

20 

10 

1960 1970 1980 1990 2000 2010 

Zertifizierung

Triebwerkskonzepte 

mit verbessertem 

Vortriebswirkungsgrad 


Getriebefan 

Beschreibung 

• Getriebe zwischen Niederdruckturbine und Fan 

• schnelllaufende Niederdruckturbine 

• hohes Bypassverhältnis > 12 

Vorteile / Ziele 

• hoher Vortriebswirkungsgrad 

• effiziente und leichte Niederdruckturbine 

• 15% reduzierter Brennstoffverbrauch * 

• Lärmreduktion um 24 dB (kumuliert) * 

• EIS 2015 

Technologische Herausforderungen 

• widerstandsarme Gondel 

• leichtes Getriebe 

• Leichtbauweisen 

* im Vergleich zum Jahr 2000 Triebwerk 

Heutige 

konventionelle 

Turbofans 

Konventioneller 

Turbofan 

Getriebefan 


Brennstoffverbrauch & Lärm 

Lärm 

Brennstoffverbrauch 

Bypassverhältnis

Getriebefan - Deutliche Lärmreduktion 

Heutiges Flugzeug Next Generation Flugzeug 

mit Getriebefan 

Noise Simulation: Pratt & Whitney 

SEL Contour Source: Wyle Laboratories 

Flughafen München 

Reduktion der 75dB Lärmkontur um 72% 


Verbesserungspotential Schnelllaufende Niederdruckturbine 

V2500 LPT 

• similar SHP 

• + 60% speed 

• 3 stages vs 5 

• - 40% airfoil count 

• - 60 - 70% weight 

CLEAN LPT 

Vorteile der Schnelllaufenden Niederdruckturbine 

• reduzierte Stufen- und Schaufelzahl durch höhere Umfangsgeschwindigkeit 

• reduziertes Gewicht und Kosten 

• hoher Wirkungsgrad wegen niedriger aerodynamischer Belastung 

• niedrige Lärmemission infolge hoher Schaufelwechselfrequenzen 


Getriebefan - Technologie Entwicklung und Validierung 

Gear System Test Facility (P&W) 

LPC Rig (P&W) 

HPC Rig (MTU) 

LPT in the Clean Demo. (ATF Stuttgart) 


Getriebefan - Technologiedemonstration 

ADP Demonstrator 

50 klb 

Partner: PW-A, MTU, Avio 

MTU: schnelllaufender NDV, 

schnelllaufende NDT 

Triebwerkstests: P&W Florida 

Höhentests: NASA Ames 

1993 

ATFI Geared Fan Demo 

13 klb 

Partner: PW-C, PW-A, MTU, Avio 

MTU: schnelllaufende NDT 

Triebwerkstests: PWC 

2001 

GTF-Demonstrator 

28 klb 

Partner: PW-A, MTU, Avio 

MTU: HDV, schnelllaufende NDT 

Triebwerkstests: P&W Florida 

Flugtests: B747 Flying Testbed 

2007 


Getriebefan - Demonstrator Programm und Anwendungen 

Build Start 

May 2007 

Ground Test 

Nov. 2007 

747 FTB 1 st Flight 

July 2008 

2007 2008 

A340 1 st Flight 

Oct. 2008 

Mitsubishi 

MRJ 

Bombardier 

CSeries 

Nachfolge 

A320 & 

B737 

• Technologiereife Ende 2008 und Serieneinführung 2013 

• Erste Anwendung in Kurzstreckenflugzeugen 

• Wegen großem Brennstoffkostenanteil vor allem für Langstreckenflugzeuge interessant 


Open Rotor 

Beschreibung 

• offener gegenläufiger Fan 

• Getriebe oder gegenläufige Niederdruckturbine 

• „pusher“ oder „puller“ Konfiguration 

• sehr hohes Bypassverhältnis 


• sehr hoher Vortriebswirkungsgrad 


• Technologiereife 2020 


• Lärmemission (Umgebung + Kabine) 

• Installation am Flugzeug 

• Blattverstellung 

• Blade off / Vogelschlag, Zulassung 

• Getriebe / gegenläufige Turbine 

• hohe Fluggeschwindigkeit 


pusher 

puller 


Open Rotor 

Entwicklung des neuen Triebwerkskonzepts in den 80-er Jahren nach dem ersten 

Ölpreisschock in den USA durch General Electric und Pratt&Whitney-Allison. 

• GE36 von GE, Antrieb der Rotoren direkt durch gegenläufige Niederdruckturbine 

• 578-DX von P&W-Allison, Antrieb der Rotoren über ein Getriebe 

Demonstratorflüge an B727 und MD80 Anfang der 80er Jahre durchgeführt. 

Die Entwicklungen wurden wegen ungelöster Lärmprobleme (Lärmemission in etwa auf 

dem Niveau ICAO Stage 3) und wieder sinkender Energiepreise gestoppt. 

Wiederaufnahme der Open Rotor Entwicklung durch Rolls Royce und GE, zur Zeit 

Lärmmessungen an Modellen im Windkanal. 

P&W-Allison 578-DX General Electric GE36 

Installation am Heck 


Counter Rotating Shrouded Fan 

Beschreibung 

• gegenläufiger ummantelter Fan 

• Getriebe oder gegenläufige Niederdruckturbine 

• hohes Bypassverhältnis ~ 25 


• hoher Wirkungsgrad 

• weiter Betriebsbereich 

• hoher Durchsatz (= hohes Bypassverhältnis) 


• Technologiereife ab 2025 


• widerstandsarme Gondel 

• Lärmemission 

• Umkehrschub 

• leichtes Getriebe 

• Leichtbauweisen 


CRISP Nationales Modell 

CRISP 

1m-Rig 


CRISP Modell in Windkanaltests 

Niedergeschwindigkeitswindkanal DLR Göttingen 

Fan/Gondel-Wechselwirkung 

• Start 


• Windmilling 

Deutsch-Niederländischer Windkanal (DNW) 

Fan/Gondel-Wechselwirkung 

• Start 

• Akustik 


Die neuen Hochbypass-Konzepte erfordern einen signifikant 

größeren Fandurchmesser 

Fan-Diameter, inch 

175 

150 

125 

100 

75 

50 

25 

VHB- 

Engines,GTF 

(geared fan) 

MRJ 

Open Rotor 

Ducted Propfan, Claire 2, 3 

C-Series 

CRISP 

NGSA-GTF 

UHB-Engine 

GTF-60K 

Trent500 

Turbofan (BPR

Triebwerkskonzepte 

mit verbessertem 

thermischen Wirkungsgrad 


Verbesserung des thermischer Wirkungsgrads 

Einfacher Gasturbinenprozess 

BK 

NDV HDV HDT 

NDT 

h 


HDV 

NDV 

BK 

HDT 

NDT 

Düse 

s


Triebwerk mit Zwischenkühler 

ZK 

BK 

NDV HDV HDT 

NDT 

h 


HDV 

ZK 

NDV 

BK 

HDT 

NDT 

Düse 

s


Triebwerk mit Zwischenkühler und Abgaswärmetauscher 

ZK 

WT 

BK 

NDV HDV HDT 

NDT 

h 


HDV 

WT 

ZK 

NDV 

BK 

Düse 

WT 

HDT 

NDT 

s


Triebwerk mit Zwischenkühler, Zwischenüberhitzung und Abgaswärmetauscher 

ZK 

WT 

HDBK 

NDV HDV HDT 

NDBK 

NDT 

h 


HDV 

WT 

ZK 

NDV 

HDBK 

Düse 

WT 

HDT 

NDBK 

NDT 

s

Thermischer Wirkungsgrad verschiedener Kreisprozesse 

Thermal Efficiency 

Intercooled Recuperated 

5 10 20 50 

100 

Overall Pressure Ratio 

Conventional 

Intercooled 


Intercooled Core 

Beschreibung 

• Zwischenkühler zwischen Niederdruckund 

Hochdruckverdichter 

• konventioneller Fan 

• hohes Gesamtdruckverhältnis > 70 


• hoher thermischer Wirkungsgrad 




• Integration des Zwischenkühlers 

• niedrige Druckverluste in Luftführung und 

Zwischenkühler 

• leichter und zuverlässiger Zwischenkühler 

• effizienter Verdichter für sehr hohe Drücke 

• Schadstoffemissionen 


Kalte Seite 

Heiße Seite 

Wärmetauscher 


Intercooled Recuperated Core 

Beschreibung 

• Zwischenkühler zwischen Niederdruckund 

Hochdruckverdichter 

• Abgaswärmetauscher 

• niedriges Gesamtdruckverhältnis ~ 25 


• sehr hoher thermischer Wirkungsgrad 

• geringe NO X -Emissionen 




• Integration von Zwischenkühler und 

Abgaswärmetauscher 

• niedrige Druckverluste in Luftführung, 

Zwischenkühler und Abgaswärmetauscher 

• leichter und zuverlässiger Wärmetauscher 



Fan 

Intercooler 

IPC 

HPC 

HPT 

IPT 

LPT 

Recuperator

Intercooled Recuperated Core 

Anordnung der Wärmetauschermatrizen 


Langfristkonzept - Ultra Efficient Propulsion 

Beschreibung 

• neuer Gasturbinenkreisprozess mit sehr hohem 

thermischen Wirkungsgrad 

• Zwischenkühlung, Zwischenüberhitzung und Abgaswärmetauscher 

• Turbomaschinen Niederdrucksystem mit Freikolben Gaserzeuger 

• Turbomaschinen Niederdrucksystem mit Pulse Detonation Gaserzeuger 

• Schuberzeugung mittels verteilter integrierter 

Fans zur Reduktion des Flugzeugwiderstands 

• elektrisch angetriebene Fans 

• Stromerzeugung durch Gasturbine/Generator 

mit Unterstützung durch Batterie, 

Ultrakondensator oder Brennstoffzelle 


• sehr hoher thermischer Wirkungsgrad 

• reduzierte Flugzeugwiderstände 


• deutliche Lärmreduktion 



Pulse 

Detonation 


Generator 

E-Motor 

E-Motor 

E-Motor

Technologieprogramme 


VISION 2020 Targets 

ACARE (Advisory Council of Aeronautical Research in Europe) 

Safety & Security 

• Reduce accident rate by 80% 

• Zero successful hijack 

Quality & Affordability 

• Halve time to market 

• Fall in travel charges 

Air Transport System Efficiency 

• On time arrival/departure 99% within 15 

minutes 

• Increase movements of aircraft x3 

Environment 

• Reduce perceived noise by half 

• Reduce NOx by 80% 

• Reduce CO2 by 50% 

Engine Contribution 

• Reduce specific fuel 

consumption by 20% 

• Reduce NOx by 60% to 80% 

• Reduce noise by 6 dB per 

operation 

• Reduce accident rate by x5 

• Reduce operational costs 

• Half time to market 

Reference: year 2000 in service engine 


Überblick EU Technologieprogramme 

year 2000 in 

service engine 

ACARE 

Reference 

SILENCER 

Noise reduction 

technologies 

ANTLE&CLEAN 

Component improvements, 

New components 

EEFAE 

Validation at 

engine level 

VITAL 

Low spool components for 

DDTF, GTF and CRTF 

LP component impr. 

New LP components 

HP component impr. 

New HP components 

NEWAC 

High spool components, 

Intercooler, Recuperator 

Engine Validation 

Concept 1 

Engine Validation 

Concept 2 


CO 2 improvements - ACARE objectives versus EU technology projects 

CO 2 reduction 

Reference: 3 rd generation aero engine BPR=5-8 

(V2500, CFM56, Trent700) 

- 11 % 

- 16 % 

EEFAE 

ANTLE-DDTF 

CLEAN-GTF 

CLEAN -IRA 

TRL 4 - 6 

TRL 22 

ACARE 2020 target: - 20% 

- 7 % 

Innovative 

Low Spool 

Technology 

VITAL 

DDTF 

GTF 

CRTF 


TRL 3 - 5 

TRL Technology Readiness Level 

1 basic principles observed and reported 

2 technology concept formulated 

3 critical function proof-of-concept 

4 component validation in laboratory environment 

5 component validation in relevant environment 

6 system/subsystem prototype demonstration in relevant environment 

7 system prototype demonstration in real environment 

8 flight/production qualified 

9 flight/application proven 

- 6 % 

Innovative 

Core 

Technology 

NEWAC - 3 

IC, AC, 

FCC, IRA TRL 5 

TRL 3

BDLI Roadmap Ökoeffizientes Fliegen - Antriebe 

Getriebefan 

• widerstandsarme 

Gondel 

• Getriebe 

• Leichtbau 

Open Rotor 

• Lärmreduktion 

• Installation 

• Blattverstellung 

• Blade Off 

• Getriebe / gegenläufige 

Turbine 

Counter Rotat. 

Shroud. Prop 

• widerstandsarme 

Gondel 

• Lärmreduktion 


• Getriebe 

• Leichtbau 

Intercooled 

• Integration 

• Zwischenkühler 

• Luftführung 

• effizi. Verdichter 

für hohe Drücke 

• Schadstoffe 

Intercooled 

Recuperated 

• Integration 

• Wärmetauscher 

• Zwischenkühler 

• Luftführung 

Ultra Efficient 

• neue Kreisprozesse 

• verteilte 

Propulsoren 

• Hybrid Power 

2010 2020 2030 2040 2050 


Auswirkungen 

auf den Luftverkehr 


Abschätzung der zukünftigen Technologiepotentiale 

Flugzeug 

Antrieb 

Luftverkehrsmgt. 

Betrieb 

Brennstoff 

∆CO 2 

0 

-50 

-100 

Gewichtsreduktion 

Advanced 

Turbofan 

Strömungskontrolle 

Geared 

Turbofan 

Effizienzsteigerung 

Airline 

Brennstoffzelle 

SESAR 

Laminarhaltung 

4D-Routenplanung 

Systeme 

Intercooled 

Recuperat. 

Free Flight 

30% BTL 

2000 2010 2020 2030 2040 


Open 

Rotor 

5% BTL 

Counter 

Rotating Fan 

Formationsflug 

15% BTL 

neue 

Konfigurat. 

Embedded 

Engines 

Luftbetankung 

50% BTL 

Quellen: DLR, Airbus, eigene Abschätzungen

Zukünftige CO 2 -Emissionen des Luftverkehrs 

Relative Änderung 

4 

3 

2 

1 

0 

Weltluftverkehr 

Verbrauchsreduktion 2%/Jahr 

CO2- Emissionen Technologieoffensive 

2000 2010 2020 2030 2040

Zukünftige Flugantriebe - MTU Aero Engines

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