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Innovative Lösungsansätze
Innovative solutions
Untersuchung von Batterien
als Schlüsseltechnologien
des elektrischen Fliegens
Assessment of batteries
as key technologies for
electric flight
For quite some time, Bauhaus Luftfahrt has analysed the future
potential of electrically powered commercial air transport vehicles.
Their payload, range and flight time predominantly depend on batteries
as the most important key technology for electric flight. In
recent years, more than 35 fixed-wing or rotary-wing aircraft with
battery or hybrid-electric propulsion were developed in the ge neral
aviation sector. This increase has been fostered by impressive advancements
in lithium-ion battery technology, which hence form
an important field of future technology analysis at Bauhaus Luftfahrt.
The fast development of electric flight is furthermore well do c-
umented by the current speed record of 326 kilometres per hour,
an energy consumption per person equivalent to 0.7 litres per 100
kilometres, and flight times of up to three hours.
To a much greater extent than in automotive applications, an
aircraft must focus on the weight of its components, since the takeoff
weight directly impacts the required takeoff power and overall
energy demand during flight. This is an additional, aviation-specific
requirement for electric power trains and batteries that hence
dif fers from the energy storage capability, which is equally crucial
for a vehicle’s range in both ground and airborne applications. The
twofold challenge of high specific power and simultaneously high
specific energy is met by several developments in battery research,
of which Bauhaus Luftfahrt in 2013 analysed in detail the potential
for specific energy increase.
The maximum amount of stored energy is determined by the
choice of positive and negative electrode materials. Information on
chemical composition, equilibrium potential, reversible lithium-ion
insertion, material density and electric conductivity as documented
in the literature is used to calculate feasible specific energy
values for future lithium-ion batteries. Currently, around 30 electrode
materials are inventoried in Bauhaus Luftfahrt’s database,
hinting at possible specific energies in the range of 400 to 1000
watt-hours per kilogramme (Wh / kg) for a state-of-the-art battery
cell design. In comparison to commercially available batteries today,
this would represent a two- to five-fold increase in specific energies.
However, it should be noted that even by using batteries in
Das Bauhaus Luftfahrt untersucht bereits seit längerem die Zukunftsperspektive
für vollelektrisch betriebene Verkehrsflugzeuge
im kommerziellen Einsatz. Deren Nutzlast, Reichweite und Flugdauer
werden vor allem durch Batterien als die wichtigste Schlüsseltechnologie
des Elektrofluges bestimmt. So entstanden in den
letzten Jahren in der allgemeinen Luftfahrt mehr als 35 batterieoder
hybridelektrisch angetriebene Flugzeuge oder Helikopter. Dieser
Zuwachs ist vor allem der rasanten Technologieentwicklung
bei Lithium-Ionen-Batterien zu verdanken, die dementsprechend
auch im Fokus der Zukunftstechnologie-Analyse im Bauhaus Luftfahrt
steht. Deutliche Anzeichen für die schnelle Entwicklung des
Elektroflugs sind unter anderem der aktuelle Geschwindigkeitsrekord
von 326 Stundenkilometern, ein Verbrauch pro Passagier, der
0,7 Litern auf 100 Kilometern entspricht, und Flugzeiten von bis zu
drei Stunden.
Weit mehr als zum Beispiel im Automobilbereich steht beim
Flugzeug aber das Gewicht einzelner Komponenten im Mittelpunkt,
da das Abfluggewicht die benötigte Startleistung und den Gesamtenergieverbrauch
stark beeinflusst. Dies ist eine luftfahrtspezifische
Anforderung an elektrische Antriebssysteme, während sich
die Reich weite, wie auch im Straßenverkehr, aus der gespeicherten
Energiemenge ergibt. Für diese zweifache Herausforderung,
ein hohes Leistungs-Gewichts-Verhältnis bei möglichst großer spezifischer
Energie zur Verfügung zu stellen, bieten sich in der Batterieentwicklung
mehrere Ansatzpunkte, von denen das Bauhaus
Luftfahrt im Jahr 2013 die spezifische Energie im Rahmen einer
Potenzialanalyse detailliert aufgearbeitet hat.
Die maximale Menge an gespeicherter Energie wird durch die
in der Batterie verwendeten positiven und negativen Elektrodenmaterialien
bestimmt. Aus der Fachliteratur entnommene Informationen
wie chemische Zusammensetzung, Gleichgewichtsspannung,
re versible Lithium-Ionen-Einlagerung, Dichte des Materials und
elek trische Leitfähigkeit dienen als Berechnungsgrundlage für zukünftig
plausible spezifische Energien von Lithium-Ionen-Batterien.
Derzeit enthält die Datenbank des Bauhaus Luftfahrt insgesamt circa
30 Elektrodenmaterialien. Unter Beibehaltung des heutigen Designs
der Batteriezelle lassen einige dieser Kombinationen eine > the 1000 Wh / kg range, a medium-sized commercial aircraft >
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Bauhaus Luftfahrt Neue Wege.