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Treiber der Luftfahrt
Drivers of aviation
Elektrische Energiespeicher und
-wandler: Skalierungsverhalten
hybrider Antriebssysteme
Electric energy storage and
conversion: Hybrid power
system scaling
Mit Hilfe voll- oder hybridelektrischer Antriebssysteme werden
umfangreiche Ressourcen an erneuerbarer Primärenergie nutzbar
und gleichzeitig lassen sich die Emissionen erheblich verringern.
Innovationspotenziale auf System- und Subsystem-Ebene elektrischer
Komponenten treffsicher auszumachen ist eine Herausforderung,
der das Bauhaus Luftfahrt in der Zukunftstechnologieanalyse
begegnet.
Ein „schwerer“ Energiespeicher wie eine Batterie schneidet
zum Beispiel beim Verhältnis „Leistung zu Masse“ besser ab als
ein System aus „leichtem“ Tank und einer hocheffizienten, aber
pro Gewicht weniger leistungsfähigen Brennstoffzelle. Kombiniert
man beide zu einem Hybridsystem, können sich Vorteile für bestimmte
Missionsprofile ergeben.
Das Systemverhalten wird allgemeingültig am besten durch
dimensionslose Parameter beschrieben, das heißt, die Metriken
des Systems werden auf einen geeigneten Bezugspunkt hin skaliert.
So kann in einer ersten Näherung zum Beispiel die erforderliche
Spitzenleistung in Beziehung zur Leistung im Reiseflug gesetzt
werden. Deren Quotient hat dann keine physikalische Einheit
mehr. Erkenntnisse aus dem dimensionslosen Modell können dann
auf alle Fälle mit ähnlichem Skalierungsverhalten übertragen werden.
Als Ergebnis erhält man charakteristische Schwellenwerte für
Zeitskalen und Leistungsverhältnisse, für die ein Gewichtsvorteil
hybridelektrischer Architekturen gegenüber den Einzelsystemen
zu erwarten ist. Für das Bauhaus Luftfahrt stellt diese Analyse
zukünftige Innovationspotenziale und Schlüsselanforderungen an
Energiespeicher und -wandler in Hybridsystemen klar heraus.
Fully electric or hybrid-electric motive power systems have the
potential to tap into a vast resource of renewable primary energy
in combination with a significant reduction of emissions. The unerring
identification of innovation potentials, enabled by electrical
systems and subsystems, is a challenge that is fundamentally
addressed by Bauhaus Luftfahrt in the future technology analysis
of power systems.
For example, the combination of a battery as a “heavy” electrical
energy carrier with a superior power-to-mass ratio and a fuel
cell subsystem consisting of a “light” fuel reservoir with a highly
efficient fuel cell but with lower power-to-mass ratio may result in
a system benefit within certain mission envelopes.
The general behaviour of the system is best modelled with
metrics scaled to a useful benchmark value such that the specific
metric has no physical units or dimensions. For example, in
a first approximation, the peak power demand can be scaled to
the cruise power demand which renders the power ratio, a value
without units. The fully dimensionless model and its results then
apply to all real cases that share this scaling similarity.
As a consequence, a characteristic break-even timescale and
peak-to-cruise power ratio is derived for which a mass benefit can
be expected for hybrid electrical architectures as compared to a
single-module system. This analysis provides Bauhaus Luftfahrt
with the necessary insights into future innovation potentials for
hybrid systems and the key requirements for their energy storage
and conversion technologies.
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Bauhaus Luftfahrt Neue Wege.