GF - Grüner Frachter

Entwurfsuntersuchungen zu umweltfreundlichen und kosteneffektiven Frachtflugzeugen mit unkonventioneller Konfiguration

Der "Grüne Frachter" war ein Forschungsverbundvorhaben mit einer Dauer von nominell 3 Jahren. Das Projekt startete am 01.09.2006. Das Laufzeitende war der 30.04.2010.

Partner im Projekt

Hochschule für Angewandte Wissenschaften Hamburg (HAW) - Federführer
Institut für Flugzeugbau und Leichtbau (IFL) an der Technischen Universität Braunschweig
Airbus in Hamburger mit dem Future Project Office (FPO)
Bishop GmbH

Ziel des Projektes

Ziel war, konventionelle and unkonventionelle Frachtflugzeugkonfigurationen zu erforschen. Die Untersuchungen basieren auf einem angenommenen Jahr der Indienststellung um 2025. Im Mittelpunkt standen umweltfreundliche Flugzeuge mit ökonomischem Flugbetrieb. Das schließt folgende technische Aspekte ein:

geringer Kraftstoffverbrauch
zukünftige Kraftstoffarten (LH2, LPG, synthetische Kraftstoffe, ...)
geringer Fluglärm (Nachtflug)
geringe Emissionen (CO2, NOx, ...)
geringe Betriebskosten auch durch reduzierte Besatzung (pilotenloser Flug)

Methoden und Werkzeuge

"Aircraft preliminary sizing" wurden mit einem Tabellenkalkulationsprogramm der HAW durchgeführt. Vertiefte Arbeiten zum Flugzeugentwurf, der Analyse und Optimierung wurden mit dem Programm PrADO (Preliminary Aircraft Design and Optimisation program) des IFL durchgeführt. PrADO wurde im Hinblick auf die neuen Features der Frachtflugzeuge weiter entwickelt. Einige Arbeitspakete des Projektes (Untersuchungen zur Fracht, zum LH2-Kraftstoffsystem, zum pilotenlosen Flug, ...) wurden im wesentlichen mittels Literaturrecherchen und theoretischer Überlegungen durchgeführt. Aus dem Tabellenkalkulationsprogramm der HAW entwickelte sich das Projekt PreSTo.

Mitarbeiter und Finanzen

Der HAW-Anteil am Grünen Frachter wurde mit 234000 EUR finanziert durch das FH3 Programm des Bundesministeriums für Bildung und Forschung. Die finanzielle Abwicklung hatte die Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigungen "Otto von Guericke" e.V. (AiF) als Projektträger übernommen. Dipl.-Ing. Kolja Seeckt arbeitete Vollzeit an der HAW Hamburg am GF-Projekt. Die TU Braunschweig arbeitete - finanziert durch Airbus - am Projekt im Umfang von etwa einem Mitarbeiter. Insgesamt waren rechnerisch 2.6 Mitarbeiter am Projekt beteiligt - unterstützt von sehr vielen Studenten. Das Gesamtvolumen des GF Projektes betrug 646000 EUR.

Einfache Erkenntnisse aus dem Projekt

Das Ende fossiler Kraftstoffe bedeutet nicht das Ende des Fliegens. Wasserstoff kann als Energieträger genutzt und in Strahltriebwerken verbrannt werden. Wasserstoff ist sicher und lässt sich durch Elektrolyse einfach herstellen. Mit verschiedenen innovative Methoden, die derzeit noch erforscht werden, soll Wasserstoff noch effizienter als durch Elektrolyse hergestellt werden. Die Energie die zur Wasserstoffproduktion erforderlich ist würde idealerweise (bereits heute) oder ansonsten nach dem Ende fossiler Kraftstoffe aus regenerativen Energiequellen kommen. Das große Volumen des Wasserstoffs erfordert eine Speicherung im Flugzeug unter hohem Druck oder in verflüssigtem (extrem kaltem, kryogenem) Zustand. Die Verwendung von flüssigem Wasserstoff (LH2) ist davon bei großen Flugzeugen die praktikablere und sichere Variante.

Vorteile von LH2 sind:

Fliegen bleibt auch nach dem Ende fossiler Kraftstoffe möglich. Bereits heute ist die LH2-Technologie im Flugzeug bekannt und anwendbar.
Die Verbrennung von Wasserstoff ist (nach Abwägung aller Umstände) erheblich umweltfreundlicher als die von Kerosin.
Falls zur Erzeugung von Sekundärenergien im Flug (hier: Elektrik) die Brennstoffzelle (aufgrund hoher Wirkungsgrade) zum Einsatz kommt, dann wäre für deren Einsatz der optimale Kraftstoff (Wasserstoff) bereits an Bord verfügbar.

Nachteile von LH2 sind:

Herkömmliche Flugzeuge können nicht genutzt werden. Um die gleiche Nutzlast über die gleiche Reichweite zu transportieren müssen neue größere Unterbringungsräume für die (nahezu) zylindrischen LH2-Tanks gefunden werden. Das Forschungsprojekt hat optimale Orte der Unterbringung gezeigt (s.u.).
LH2-Flugzeuge sind aufgrund der großen Tanks größer und zeigen damit einen höheren Nullwiderstand. Positiv wirkt sich jedoch aus, dass der Kraftstoff leichter ist, damit sinkt der induzierte Widerstand. Insgesamt gesehen zeigen alle untersuchten LH2-Konfigurationen (nur) leicht höhere Betriebskosten im Vergleich mit Flugzeugen, die mit Kerosin betrieben werden (bei gleichem Kraftstoffpreis pro Energieeinheit).
Es ist eine neue Infrastruktur am Flughafen erforderlich, um LH2 für das Flugzeug bereit zu stellen.
Trotz der Isolierung der Tanks erwärmt sich der Wasserstoff und wird teilweise wieder gasförmig. Im Flug kann dieser Wasserstoff verbraucht werden. Am Boden würde der Druck im Tank steigen und Wasserstoff müsste abgelassen werden. Ein betanktes Flugzeug kann also nicht einfach so auf dem Vorfeld stehen gelassen werden. Eine Betankung ist erst kurz vor dem Start sinnvoll. Der Flugbetrieb muss diesen Umstand berücksichtigen und wird damit etwas weniger flexibel.

zu Nachteil 1.)
Zur optimalen LH2-Unterbringung könnte
a) eine unkonventionelle Flugzeugkonfiguration gewählt werden. Hier bietet sich die voluminöse Blended Wing Body (BWB) Konfiguration an.
b) eine konventionelle Flugzeugkonfiguration (Flügel-Rumpf) sollte so realisiert werden, dass die Kraftstofftanks vorn und hinten im Rumpf untergebracht werden (siehe Bild). Andere Anordnungen (Tanks über Kabine/Frachtraum, außenliegende Tanks, ...) sind weniger optimal.

Beobachtungen außerhalb des Arbeitsumfangs des Forschungsprojektes

Aufgrund der Nachteile 1 und 3 wären erhebliche Investitionen in Flugzeuge und Flughafeninfrastruktur erforderlich. Daher zeigt die Luftfahrtindustrie eine große Zurückhaltung gegenüber dem Einsatz von Wasserstoff. Hoffnungen werden in Biokraftstoffe gesetzt. Biokraftstoffe können mit herkömmlichem Kerosin gemischt werden (Drop-In-Fuel). Schritt für Schritt könnten Biokraftstoffe Kerosin auch ganz ersetzen. Biokraftstoff soll aus Algen gewonnen werden auf Flächen, die nicht in Konkurrenz zur Nahrungsmittelproduktion stehen. Jedoch werden die Verfahren zur Kraftstoffproduktion aus Algen heute noch nicht beherrscht. Eine preiswerte Produktion im großen Maßstab ist noch nicht in Sicht (FLIGHT 2011). Biokraftstoff gewonnen aus einem technisch hergestellten Synthesegas (bestehend aus Wasserstoff, Kohlenmonoxid und Kohlendioxid) ohne Einsatz von Pflanzen ist ein weiterer Hoffnungsträger. Dies wird z.B. an der ETH Zürich erprobt, wo das Synthesegas in einen Solar-Reaktor bei 1500 °C erzeugt wird. Bisher ist der Wirkungsgrad in der Versuchsanlage noch gering; er beträgt weniger als ein Prozent (Chueh 2010). Da alles danach aussieht, dass der Einstieg in die Wasserstofftechnologie in der Luftfahrt heute nicht vollzogen wird, bleibt nur zu hoffen, dass die Biokraftstoffe rechtzeitig in großer Menge und effizient bereit gestellt werden können.

Sollte der Biokraftstoff als Drop-In-Fuel für herkömmliche Flugzeug in absehbarer Zeit nicht zur Verfügung stehen, dann wäre es auch für den rechtzeitigen Einstieg der Luftfahrt in die Wasserstofftechnologie zu spät, weil dies Zeit braucht für die neuen Flugzeuge und Infrastrukturen am Boden. Eine weitgehende Durchdringung der Weltflotte mit LH2-Flugzeugen dauert Jahrzehnte bedingt durch die langen Produktzyklen in der Luftfahrt. Auch der Bau der Infrastruktur für LH2 (Versorgungswege, Tanklager, ...) erfordert viele Jahre. Alles deutet darauf hin, dass wir die Zukunft einfach auf uns zu kommen lassen werden. Hinterher sind wir dann klüger, was am besten hätte getan werden müssen.

Berichte zum Grünen Frachter

Veröffentlichungen zum Grünen Frachter

Dr.Hut item SEECKT, Kolja: Conceptual Design and Investigation of Hydrogen-Fueled Regional Freighter Aircraft. Stockholm, KTH, School of Engineering Sciences, Aeronautical and Vehicle Engineering, Licentiate Thesis, 2010. - Verlag: US-AB, Series: Trita-AVE, 2010:02. URN: urn:nbn:se:kth:diva-26348. ISSN: 1651-7660. ISBN: 978-91-7415-764-2. Download: http://GF.ProfScholz.de

SEECKT-LIC-KTH_DesignHydrogenFueledFreighterAircraft_10-10-25.pdf Size: 8.9M

Ein gedrucktes Exemplar der Dissertation kann in den Bibliotheken dieser Hochschulen ausgeliehen werden:
HAW Hamburg.

Einträge in Bibliothekskatalogen:

item Schlussbericht und Erfolgskontrollbericht zum Projekt Grüner Frachter

SCHOLZ, Dieter; SEECKT, Kolja: Schlussbericht - FH3-Projekt "Grüner Frachter". HAW Hamburg, Department F&F, Aero, 2010. - Berichts-Nr.: GF_WT0.1_AB

GF_WT0.1_AB_10-04-30.pdf Size: 6.6M

Anlage 1: Kurzbericht

GF_WT0.1_AB_Anlage1_Kurzfassung_10-04-30.pdf Size: 139K

Anlage 2: Diese Anlage ist der (eigentlich eigenständige) Erfolgskontrollbericht (s.u.)

Anlage 3: Endgültiger Verwertungsplan

GF_WT0.1_AB_Anlage3_Verwertungsplan_11-07-11.pdf Size: 209K

Anlage 4: Berichtsblätter für Publikationen

GF_WT0.1_AB_Anlage4_Publikationen_10-04-30.pdf Size: 788K

SCHOLZ, Dieter; SEECKT, Kolja: Erfolgskontrollbericht - FH3-Projekt "Grüner Frachter". HAW Hamburg, Department F&F, Aero, 2010 - Berichts-Nr.: GF_WT0.1_AB_EKB

GF_WT0.1_AB_EKB_10-04-30.pdf Size: 315K

item Daten zum Schlussbericht in der Technischen Informationsbibliothek, Hannover:
DOI: 10.2314/GBV:678799423
Datensatz der TIB zur gedruckten Ausgabe
Datensatz der TIB zur Online-Ressource
Datensatz in GetInfo der TIB zum Volltext
Leseprobe von der TIB (PDF, 5 Seiten)
Volltext von der TIB (PDF, 92 Seiten)

Vortrag zum Deutschen Luft- und Raumfahrt Kongress, Rostock, 22. - 24. September 2015:

SCHOLZ, Dieter; DIB, Leon: Hydrogen as Future Fuel Used in Minimum Change Derivatives of the Airbus A321 (Deutscher Luft- und Raumfahrtkongress, Rostock, 22. - 24. September 2015). Presentation, 2015 - Download: http://Airport2030.ProfScholz.de

Airport2030_PRE_DLRK2015_HydrogenA320_2015-09-22.pdf Size: 3.1M

RICHEY, Manfred: Green Freighter. In: Biowasserstoff Magazin. Ausg. 37, 2013-01-15, S. 21-29. - URL: http://biowasserstoff-magazin.richey-web.de (2013-06-16)

RICHEY-2013-01-15_BiowasserstoffMagauzi_GruenerFrachter.pdf Size: 681K

SEECKT, Kolja; KRAMMER, Philip; SCHWARZE, Malte; SCHOLZ, Dieter: Mitigating the Climate Impact of Aviation – What does Hydrogen Hold in Prospect? In: LEAL FILHO, Walter (Hrsg.): The Economic, Social and Political Elements of Climate Change. Berlin : Springer, 2011, S. 649-667. - ISBN 978-3-642-14776-0

Download: Siehe "Klima 2009" unten auf dieser Seite!

BORGERDING, Maren: Der halbe Doktortitel. In: news online journal (2011-01-05). - URL: http://www.haw-hamburg.de/news-online-journal/newsdetails/artikel/der-halbe-doktortitel/print.html

GF_Article_NewsOnlineJournal_11-01-05.pdf Size: 270K

Paper und Vortrag (von Dieter Scholz) zum 27th CONGRESS OF THE INTERNATIONAL COUNCIL OF THE AERONAUTICAL SCIENCES, Nizza, 19.-24. September 2010:

SEECKT, Kolja; HEINZE, Wolfgang; SCHOLZ, Dieter: Hydrogen Powered Freighter Aircraft - The Final Results of the Green Freighter Project. In: CD Proceedings : ICAS 2010 - 27th Congress of the International Council of the Aeronautical Sciences (ICAS, Nizza, 19.-24. September 2010). Edinburgh, UK : Optimage Ltd, 2010. - ISBN: 978-0-9565333-0-2. Paper: ICAS2010-1.2.1 (228.pdf). Download: http://GF.ProfScholz.de

GF_Paper_ICAS_10-09-19.pdf Size: 702K

SEECKT, Kolja; SCHOLZ, Dieter: Application of the Aircraft Preliminary Sizing Tool PreSTo to Kerosene and Liquid Hydrogen Fueled Regional Freighter Aircraft. In: DGLR: Deutscher Luft- und Raumfahrtkongress 2010 : Tagungsband - Ausgewählte Manuskripte (DLRK, Hamburg, 31. August - 02. September 2010). - ISBN: 978-3-932182-67-7. DocumentID: 161161. Download: http://GF.ProfScholz.de

PreSTo_PUB_DLRK_10-08-31.pdf Size: 590K

Beitrag zur Festschrift "75 Jahre Flugzeugbaustudium in Hamburg"

SEECKT, Kolja; SCHOLZ, Dieter: Grüner Frachter - Unkonventionelle Frachtflugzeuge. In: Festschrift : 75 Jahre Flugzeugbaustudium in Hamburg. HAW Hamburg, Department Fahrzeugtechnik und Flugzeugbau, 2010, S. 104-105. - Download: http://GF.ProfScholz.de

GF_Article_Festschrift-FZT_10-06-04.pdf Size: 934K

HOFFMANN, Peter: New Study Examines Regional & Intercontinental H2-Fueled Transport Planes. In: Hydrogen & Fuel Cell Letter, Band XXV (2010), Nummer 4 (April), S. 4-6. - ISSN 1080-8019. Online Ausgabe: URL: http://www.hfcletter.com/Content/TransportPlanes.aspx (2010-04-03).

GF_Article_HFCL_10-04-03.pdf Size: 198K

SEECKT, Kolja; KRAMMER, Philip; SCHOLZ, Dieter; SCHWARZE, Malte: Mitigating the Climate Impact of Aviation – What does Hydrogen Hold in Prospect? Klima 2009 - Die weltweite klimaneutrale wissenschaftliche Klimakonferenz (Klima 2009, Online: www.klima2009.net, 02.-06. November 2009). Download: http://GF.ProfScholz.de

GF_Paper_Klima2009_09-11-02.pdf Size: 374K

SEECKT, Kolja; SCHOLZ, Dieter: Jet versus Prop, Hydrogen versus Kerosene for a Regional Freighter Aircraft. In: DGLR: Deutscher Luft- und Raumfahrtkongress 2009 : Tagungsband - Ausgewählte Manuskripte (DLRK, Aachen, 08.-10. September 2009). - ISBN: 978-3-932182-63-4. DocumentID: 121195. Download: http://GF.ProfScholz.de

GF_Paper_DLRK_09-09-08.pdf Size: 575K

item HEINZE, W.; HANSEN, L.-U.; WERNER-SPATZ, C.; HORST, P.: Gesamtentwurfsuntersuchungen zu BWB-Frachtflugzeugen mit alternativen Treibstoffen (Deutscher Luft- und Raumfahrtkongress, Aachen, 08.-10. September 2009). - DocumentID: 121266 (nicht auf DVD). Download: http://GF.ProfScholz.de

GF_Paper_DLRK_09-09-08_Heinze.pdf Size: 4.3M

SPERLING, Linda: Grüner Frachter. In: impetus (2009), Nr. 10, S. 38-39. - URL: http://www.haw-hamburg.de/4416.html

GF_Article_Impetus_09-01-15.pdf Size: 4.4M

BLUME, Heike: Projekt "Grüner Frachter" an der HAW Hamburg. In: Newsletter der Initiative Luftfahrtstandort Hamburg (ILSH) (2009-01-02). - URL: http://www.luftfahrtstandort-hamburg.de >> Newsletter >> Archiv

GF_Article_ILSH_09-01-02.pdf Size: 52K

SCHÜTTE, Gisela: Umweltschutz hoch über den Wolken. In: DIE WELT (2008-12-08), S.32. - Online Ausgabe: WELT ONLINE (2008-12-08). URL: http://www.welt.de/welt_print/article2843148/Umweltschutz-hoch-ueber-den-Wolken.html

GF_Article_DIE_WELT_08-12-08.pdf Size: 1.3M

Bild aus dem Artikel:
Bild aus DIE WELT

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GF_Article_DIE_WELT_08-12-08_l.jpg Size: 13.4 MB (PW!)

SEECKT, Kolja; HEINZE, Wolfgang, SCHOLZ, Dieter: The Green Freighter Project – Objectives and First Results. In: CD Proceedings : ICAS 2008 - 26th Congress of the International Council of the Aeronautical Sciences including the 8th AIAA Aviation Technoloy, Integration, and Operations (ATIO) Conference (Anchorage, Alaska, USA, 14-19 September 2008). Edinburgh, UK : Optimage Ltd, 2008. - Paper: ICAS 2008-4.10.3 (056.pdf). ISBN: 0-9533991-9-2. Download: http://GF.ProfScholz.de

GF_Paper_ICAS_08-09-14.pdf Size: 840K

SEECKT, Kolja; SCHOLZ, Dieter: Der Grüne Frachter. In: Ingenieurspiegel (2008), Nr. 1, S. 8 - 15. - ISSN 1868-5919. Download: http://GF.ProfScholz.de

GF_Article_Ingenieurspiegel_08-03-01.pdf Size: 1.0M

SLINGERLAND, Ronald; ZANDSTRA, Sijmen; SCHOLZ, Dieter; SEECKT, Kolja: Green Freighter Systems. In: AIAA: 46th AIAA Aerospace Sciences Meeting and Exhibit (Reno, NV, 07.-10. January 2008). Reston, VA : American Institute of Aeronautics and Astronautics, 2008. - Paper: AIAA-2008-146. . Download: http://GF.ProfScholz.de

GF_Paper_AIAA_08-01-07.pdf Size: 524K

Ein erster Überblick zum "Grünen Frachter" wird in der Zeitschrift mobiles geboten:

SEECKT, Kolja; SCHOLZ, Dieter: Green Freighter - Development of an Eco-Friendly Freighter at HAW Hamburg. In: mobiles, 33 (2007/2008). HAW Hamburg, Department Fahrzeugtechnik und Flugzeugbau, 2007, S. 34-37. Download: http://GF.ProfScholz.de

GF_Article_Mobiles_07-09-01.pdf Size: 1.8M

Einleitende Präsentation anlässlich der Kick-Off-Veranstaltung des "Grünen Frachters":

GF_PRE_KickOffMeeting-Intro_06-12-05.pdf Größe: 544K

STAND: 22. 10. 2021
AUTOR: Prof. Dr. Scholz
IMPRESSUM (PDF)

  Prof. Dr. Scholz
  Aircraft Design and Systems Group (AERO)
  Studiengang Flugzeugbau
  Department Fahrzeugtechnik und Flugzeugbau
  Fakultät Technik und Informatik
  HAW Hamburg