Die Lufthansa hat den ersten Airbus A320neo erhalten. Der Name kommt von der “New Engine Option”, also den neuen Triebwerken des Flugzeugs. Das Flugzeug soll im Vergleich mit dem herkömmlichen Airbus A320 um 6 dB leiser sein sowie etwa 15 Prozent weniger Treibstoff verbrauchen.

Dazu kommen einige aerodynamische Verbesserungen durch Winglets, die Airbus unter dem Namen Sharklets schon seit 2012 einbaut. Mit einem vollbesetzten Flugzeug soll der Verbrauch pro Passagier so auf etwa 3 Liter pro 100 Kilometer sinken. Insgesamt hat die Lufthansa 71 A320neo und 45 A321neo für 13,3 Milliarden US Dollar bestellt.

Zu den Verbesserungen der Triebwerke und Aerodynamik kommt auch eine neue Sitzanordnung. Insgesamt sollen 180 Passagiere Platz finden, nachdem zwölf weitere Sitze in der Economy-Klasse eingebaut wurden. Allein das wird eine weitere Einsparung von etwa 6,5 Prozent im Verbrauch pro Passagier bringen. So weit die Pressemeldung.

Treibstoffeinsparungen sind nichts Neues

Solche Einsparungen sind durchaus glaubhaft, denn die Entwicklung hin zu effizienteren Flugzeugen ist weder neu noch überraschend. Nach den ersten “Höher-schneller-weiter”-Exzessen kurz nach der Entwicklung der ersten Jetantriebe kam spätestens mit der ersten Ölkrise die Einsicht, dass Effizienz wichtiger als pure Leistung ist. Trotz der langen Phase niedriger Ölpreise nach den 1970er Jahren fliegt kein modernes Verkehrsflugzeug mehr so schnell wie die alte Boeing 707.

Der Treibstoffverbrauch ist einer der größten Kostenfaktoren beim Betrieb eines Flugzeugs. Nachdem das Prestige des Fliegens und der hohen Geschwindigkeiten nachgelassen hat, mussten zur Profitmaximierung immer mehr Menschen in immer leichteren Flugzeugen untergebracht werden. Fluglinien, die den Treibstoffverbrauch minimieren, haben nach dem Ticketverkauf mehr Profit.

Aus diesem Grund arbeiten Hersteller schon länger an effizienteren Flugzeugtriebwerken. Das PW1100G-Triebwerk des Airbus bedient sich dafür einiger Tricks. Der wichtigste ist ein Getriebe, das mit den hohen Umdrehungszahlen der Turbine zurechtkommt. Wofür braucht man in einem Düsentriebwerk ein Getriebe?

Um die Triebwerke effizienter zu machen, entfernen sie sich immer mehr vom klassischen Bild eines Düsentriebwerks: Luft wird angesaugt, verdichtet, mit Treibstoff erhitzt und unter hohem Druck durch eine Düse ausgestoßen. Stattdessen ist die Turbine nur noch ein sehr leichtgewichtiger Antrieb für die Luftschaufeln, die Luft an der Turbine vorbei durch einen Mantel blasen.

Mehr Luft bringt mehr Effizienz

Dieser Bypass hat einen guten Grund. Um mit einem Triebwerk mehr Schub zu erzeugen, könnte man die Luft im Triebwerk einfach auf eine höhere Geschwindigkeit bringen. Aber der Energiebedarf dafür steigt mit dem Quadrat der Geschwindigkeit. Bei der Steigerung der Luftmenge ist der Zusammenhang zuerst einmal linear. Die doppelte Luftmenge braucht nur die doppelte Energiemenge. Triebwerke, die mehr Luft mit weniger zusätzlicher Geschwindigkeit ausstoßen, sind deswegen meistens effizienter.

Die Luftschaufeln, die das tun, können aber nur eine bestimmte Umdrehungszahl verkraften. Ohne Getriebe muss die Turbine für diese Umlaufzahl gebaut werden und kann nicht mehr auf bestmögliche Effizienz hin optimiert werden. Natürlich gibt es auch dort Tricks. Man verschachtelt mehrere Turbinen, die mit unterschiedlichen Umdrehungszahlen laufen, um bessere Kompromisse zu erreichen. Um die zentrale Achse einer Turbine läuft eine weitere Turbine auf einer hohlen Achse und so weiter. Das hat aber Grenzen und geht zulasten höherer Komplexität. Das W1100G kommt mit einem Getriebe und zwei verschachtelten Achsen aus.

Durch solche Tricks konnte das Bypass-Verhältnis immer weiter gesteigert werden. Inzwischen wird über zwölfmal so viel Luft um die Turbine herum geleitet, wie durch die Turbine geht. Es gibt jetzt schon Pläne, dieses Verhältnis auf 19:1 zu steigern.

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Kommentare (10)

  1. #1 Laptec
    25. Januar 2016

    Welche Fortschritte benötigen wir noch, bis es rentabel werden könnte, auf elektrische Triebwerke im Lienienflugverkehr umzusteigen?
    Da im Text der Vergleich der Effizienz mit Autos kam, welche mit 1-2 Insassen in vergleichbarem Bereich liegen und lediglich die Reichweite ein Problem darstellt, kam mir der Gedanke, dass wir vieleicht nicht mehr zu weit davon entfernt sind.
    Reichen die Aluminium bassierten Batterien, welche wenn sie in 3-5 Jahren entwickelt sind die 4- bis 6-fache Kapazität pro Masse gegenüber Lithiumionenbatterien erreichen sollen?
    Google Suchtreffer besagt, mein Gefühl liegt zumindest nicht zu weit daneben:
    http://www.n24.de/n24/Wissen/Technik/d/3024636/forscher-entwickeln-elektrischen-jet-antrieb-.html

  2. #2 PDDOW
    25. Januar 2016

    http://www.randomhouse.de/Buch/Dinge-Erklaerer-Thing-Explainer/Randall-Munroe/Knaus/e491610.rhd

    Mich haben die Fachbegriffe nie gestört, habe auch nichts gegen guugeln wenn ich (solche Artikel) lese. Im Gegenteil, jetzt habe ich wiki zum pw1000g auf und lese dort weiter.

    Wo wir dann bei Fässer öffnen sind, es ist ja auch faszinierend wie stark sich das Gewicht auf die Reichweite auswirkt. Z.B. bei der an Antonow leer zu voll von >15.000km auf 2.500km.

  3. #3 frank quednau
    25. Januar 2016

    Wenn in irgendeiner Form die Fachbegriffe erwähnt werden, hat es allerdings den Vorteil, dass man dann mit dem besten Wort recherchieren kann. Vielleicht kann man auch verständlich schreiben und als Anmerkung in den Fußnoten den Fachbegriff erwähnen:)

    • #4 wasgeht
      25. Januar 2016

      Sehr guter Punkt. Werd ich drauf achten müssen.

  4. #5 fherb
    25. Januar 2016

    Hallo!
    Der Gedanke von frank quednau kam mir auch. Ich finde prinzipiell Deinen Ansatz sehr gut. Kannst den Fachbegriff aber auch in Klammern unmittelbar nach der deutschen Umschreibung nennen. Fußnote finde ich nicht so gut: Da erwartet man eine Zusatzinformation, die man online erst durch scrollen erreicht. Und dann würde da “nur” der Fachbegriff stehen. Klammer an Ort und Stelle wäre mir lieber. Liest sich flüssiger. – Und das absolute non-plus-ultra wäre, wenn dann noch der Fachbegriff direkt auf Wikipedia o.ä. verlinken würde. (Nur, falls Du lange Weile haben solltest, wenn ein Artikel fertiggeschrieben ist.) ;-)

    Beste Grüße!

  5. #6 Raspel
    26. Januar 2016

    Die Fachbegriffe habe ich nicht so richtig verstanden. Aber mit Googles Hilfe wurde ich dann doch fündig:
    https://www.esska.de/esska_de/bilder/lbilder/719510_1348647130_z.jpg

    • #7 wasgeht
      26. Januar 2016

      Du kannst dich drüber lustig machen, oder versuchen es besser zu machen. Ich habe festgestellt, dass das letztere deutlich schwieriger ist als man glaubt.

  6. #8 Roland B.
    26. Januar 2016

    “Du kannst dich drüber lustig machen, oder versuchen es besser zu machen. ”
    Das muß kein Widerspruch sein, man kann versuchen, beides der Reihe nach zu erreichen.
    Die Forderung, etwas besser zu machen, läuft aber irgendwie ein wenig ins Leere, wenn sie sich an Leser und Leserinnen wendet. Das kennt man eher von schlechten Politiker/innen und Beamten, die Kritiker/innen damit glauben entgegentreten zu können.
    Aber vielleicht interpretiere ich da jetzt noch mehr in die Antwort rein als wasgeht in Raspels netten Kommentar.

  7. #9 Raspel
    26. Januar 2016

    @Laptec
    “Welche Fortschritte benötigen wir noch, bis es rentabel werden könnte, auf elektrische Triebwerke im Lienienflugverkehr umzusteigen?”

    Dies wird nicht möglich sein, wenn man dies mit Akkus machen will. 1 kg Sprit liefert nach Umwandlung im Verbrennungsmotor (Triebwerk) 6 kWh verwertbare mechanische Energie.

    Das Triebwerk selbst ist ein Leichtgewicht im Verhältnis zu einem Elektromotor gleicher Leistung.

    Es gibt also gleich zwei Hürden zu überwinden, von denen jede einzelne nicht schaffbar ist.

    Der Nutzenergieverbrauch eines Flugzeugs ist praktisch ausschließlich vom Produkt Gleitwinkel x Masse x Erdbeschleunigung bestimmt. Die Geschwindigkeit spielt hierbei also keinerlei Rolle. Anders sieht es bei der Leistung aus. Die Antriebsleistung beträgt dann Gleitwinkel x Masse x Erdbeschleunigung x Geschwindigkeit.

    Man kann also nur bei der Leistung sparen, nicht aber am Treibstoffgewicht oder dem Batteriegewicht. Bei geringer Geschwindigkeit sind also leichtere Motoren möglich, was wiederum etwas “Energiemasse” einspart.

    Ein heutiges Triebwerk samt Fan schafft etwa 10 kW/kg. Davon sind die besten E-Motoren samt Propeller (“Luftschaufel”) noch sehr weit entfernt. Ein soeben komplett durchoptimierter kleiner E-Motor (Siemens) schafft bei 250 kW etwa 5 kW/kg ohne Fan.

    Ein Akku hat zwei Kennwerte. Leistung je Gewicht und Energie je Gewicht. Nimmt man heutige Höchstleistung (bei schlechter Kapazität) und gleichzeitig 10 fache Höchstkapazität (bei schlechter Leistung) schafft man in einigen Jahren vielleicht diese elektrischen Topwerte: 10 kW/kg und 1,0 kWh/kg.

    Nun nehme ich einmal einen A320neo mit max. Masse von 64300 kg ohne Treibstoff. Dann nehme ich noch die beiden Triebwerke weg und habe dann 59400 kg, die ich nun mit E-Antrieb entsprechend den Topwerten versehe. Als Limit gilt dann das maximale Landegewicht.

    Was kann man damit erreichen, ohne jegliche Reserve gerechnet und mit einem sehr guten Gleitwinkel von 1/22 gerechnet?

    Bei einer Reisegeschwindigkeit von 450 km/h eine Reichweite von 559 km.
    Bei einer Reisegeschwindigkeit von 550 km/h eine Reichweite von 491 km.

    Wenn ich hingegen nur mit Akkus entsprechend 0,6 kWh/kg rechne, erreiche ich bei 450 km/h nur 335 km Reichweite.

    Elektroflug ist also nur bei Kurzstrecken möglich und da fliegen Auto, Bus und Bahn wohl doch noch schneller, wenn man die üblichen “Sicherheitscheks” am Flughafen noch mit einkalkuliert.

    Wenn natürlich die Startbahn auf 8 km Länge ausgedehnt wird, sieht es etwas besser aus. Dann schafft man mit dem 1 kWh/kg Akku bei 450 km/h 761 km Reichweite. Weil dann das Motorgewicht wegen kleinerer Startleistung geringer ist. Allerdings kann man dann nur bei Windstille fliegen :)

  8. #10 Raspel
    26. Januar 2016

    Ich sehe gerade, daß der Artikel gesplittet war und ich die zweite Hälfte noch gar nicht gelesen hatte. Ansonsten war es nicht meine Intension, an den Fachbegriffen Kritik üben zu wollen.

    “Um mit einem Triebwerk mehr Schub zu erzeugen, könnte man die Luft im Triebwerk einfach auf eine höhere Geschwindigkeit bringen. Aber der Energiebedarf dafür steigt mit dem Quadrat der Geschwindigkeit. ”

    Vor hundert Jahren wußte ich es auch noch nicht so richtig. Weil ich es aber jetzt weiß, werde ich diese Aussage korrigieren.

    Man muß sich einfach nur vorstellen, was passiert. Die Flugkiste fliegt mit 250 m/s und der Propeller mit 10m² Querschnittsfläche dreht sich frei, unangetrieben und das Ergebnis ist Nullschub!

    Wie entsteht der Schub und welche Leistung wird hierfür benötigt?

    Nehmen wir eine luftdichte von 1 kg/m³ an dann wissen wir schon einmal, daß durch diesen Propeller 10 m² x 250 m/s * 1 kg/m³ fließen. Das sind 2500 kg/s.

    Und der Schub beträgt Null!

    Wenn wir jedoch diese Luftmasse außerdem noch um 2 m/s beschleunigen, ergibt das 2500 kg/s* 2 m/s = 5000 kgm/s² und das sind Newton. Der Schub beträgt dann 5000 N.

    Da die Kiste 250 m/s fliegt, ist dann die Leistung 5000 N * 250 m/s = 1250000 Nm/s = 1250 kW.

    Dis stimmt natürlich nur in erster Näherung, wo die erteilte Zusatzgeschwindigkeit der Luft in Bezug auf die Fluggeschwindigkeit klein ist.

    Bei der doppelten Zusatzgeschwindigkeit, also 4 m/s, ist der Schub dann doppelt so groß und der Leistungsbedarf ebenfalls doppelt so groß. Bei der 5-fachen Zusatzgeschwindigkeit, also dv = 10 m/s, gilt dieser lineare Zusammenhang bei der ersten Daumenpeilung auch noch.

    Daher muß es richtig lauten: “Der Leistungsbedarf steigt linear mit der Zusatzgeschwindigkeit und linear mit dem Schub bei einem Flugzeug im Flug”

    Da gibt es noch den Begriff Vortriebswirkungsgrad. Dieser ist stark von der erfassten Querschnittsfläche des Propellers und dieser Zusatzgeschwindigkeit und der Fluggeschwindigkeit abhängig.

    Dieser beträgt dann Etavortrieb = 2 / ( 1 + (v + dv) / v )

    Um im Beispiel zu bleiben war dann Etavortrieb2/250 = 0,996 und Etavortrieb10/250 = 0,980 und Etavortrieb100/250 = 0,833

    Dann hat man schon ein Gefühl, welchen Vorteil größere Luftschrauben/Fan noch bringen können. Gerade wenn man den wegen des Luftwiderstands noch störenden größeren Mantel mit berücksichtigt, wenn die “Luftschaufel” größer wird.

    Das Interessante beim Flugzeug ist, daß “theoretisch” der streckenbezogene Spritverbrauch im Gegensatz zum Auto unabhängig von der Fluggeschwindigkeit ist. Aber der Leistungsbedarf ist proportional zur Fluggeschwindigkeit.