NEUE MOBILITÄT 18

Ausflug in die Zukunft - Antares DLR-H2
Ausflug in die Zukunft - Antares DLR-H2
Elektromobilität in die Luft
gebracht
Prof. Rolf Henke
Vorstand für den Bereich Luftfahrt
Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR)
www.dlr.de
Die Behälter unter der Tragfläche enthalten das Brennstoffzellensystem sowie den Wasserstofftank
Quelle: DLR /Ernsting
Beim Thema Elektromobilität denken viele an Elektroautos,
die in den kommenden Jahren die Straßen erobern sollen.
Elektroautos haben viele Vorteile: Sie fahren effizient, leise
und - wenn mit Ökostrom betankt - nahezu emissionsfrei.
Diese Vorteile lassen sich prinzipiell auch auf die Luftfahrt
übertragen. Allerdings sind die Herausforderungen in der
Luftfahrt sehr viel größer als auf der Straße.
Mit Batterie und Brennstoffzelle in der Luft
Die Antares DLR-H2, ein kleiner einsitziger Motorsegler, war
2009 das erste Flugzeug, das ausschließlich mit Brennstoffzellen
angetrieben wurde. Mit an Bord: ein Wasserstofftank,
eine Brennstoffzelle und ein sehr effizienter Elektromotor, der
das Flugzeug in Bewegung setzte. Bei den ersten Starts hob die
Antares nur mit Mühe ab und gewann sehr langsam an Höhe.
Der Grund dafür: Die Leistung der hocheffizienten Brennstoffzelle
ist für den Reiseflug auf konstanter Höhe ausgelegt.
Sie wandelt die Energie, die in der elektrochemischen Reaktion
von Wasserstoff und Sauerstoff frei wird, in elektrische
Energie um. Dies geschieht in einer sehr gleichmäßigen Reaktion,
die Brennstoffzelle kann daher kaum die Lastspitzen
liefern, die man zum Abheben eines Flugzeugs braucht.
Andererseits hat ein Brennstoffzellenantrieb große Vorteile:
Aufgrund der hohen Energiedichte von Wasserstoff wird nur
ein kleiner Tank benötigt, um einen Motorsegler über eine lan-
ge Zeit mit elektrischer Energie zu versorgen. Eine Batterie
kann dagegen sehr hohe elektrische Leistungen bereitstellen,
das allerdings nur für eine relativ kurze Zeit.
Bei der Weiterentwicklung des Forschungsflugzeugs setzten
die DLR-Forscher daher schnell auf einen Hybridantrieb und
nahmen eine Batterie mit an Bord. Damit konnten sie die Vorteile
der beiden Systeme vereinen: Die Brennstoffzelle liefert
eine zuverlässige Leistungsabgabe, um die Maschine in der
Luft zu halten. Die Batterie bedient Leistungsspitzen wie sie
beim Start oder im Steigflug vorkommen. Zudem bietet ein
Hybridantrieb einen weiteren Vorteil für die Luftfahrt: Der
Einsatz von zwei Leistungsquellen erhöht die Zuverlässigkeit.
Fällt ein System aus, können sich Brennstoffzellen- und
Batterieantrieb kurzzeitig gegenseitig ersetzen.
Einsatz der Brennstoffzelle in Verkehrsflugzeugen
Eine große Herausforderung in der Luftfahrt ist es, technische
Systeme für den sicheren Einsatz in einem Flugzeug
weiterzuentwickeln, denn dort müssen sie luftfahrtrelevanten
Bedingungen wie Druck- und Temperaturschwankungen,
ständige Vibration und Beschleunigung standhalten. Wenngleich
die Brennstoffzelle in absehbarer Zeit als primäre Energiequelle
für den Antrieb von Verkehrsflugzeugen nicht in
Frage kommt, kann sie einen großen Anteil der Stromversorgung
an Bord übernehmen. Im DLR-Forschungsflugzeug Airbus
A320-ATRA wurde eine Brennstoffzelle getestet, die beim
Ausfall der Triebwerke die Notstromversorgung übernehmen
kann, um beispielsweise den Hydraulikdruck zum Bewegen
der Ruder zu erzeugen. Am Boden können Brennstoffzellen
zudem den Betrieb der Hilfstriebwerke ersetzen und
Energie für die elektrischen Systeme und Druckluftsysteme,
inklusive der Klimaanlage an Bord eines Flugzeugs liefern.
Erfolgreich getestet hat das DLR auch den Einsatz eines
brennstoffzellenbetriebenen Bugrades, womit sich Lärm
und Abgase an Flughäfen im Bodenbetrieb an Flughäfen
vermeiden lassen. Ein Ziel der Forschungsarbeiten sind
Brennstoffzellensysteme, die in der kommerziellen Luftfahrt
als zuverlässige Bordstromversorgung eingesetzt werden
können. Für solche Tests und Qualifizierungen dient der Motorsegler
Antares DLR-H2 als kostengünstiges und flexibles
fliegendes Testlabor.
Weiterentwicklungen
Nicht nur das DLR entwickelt kleine Propellermaschinen, die
mit elektrischer Energie fliegen. Bertrand Piccard will in diesen
Monaten mit seinem Flugzeug »Solar Impuls 2« beweisen,
dass es möglich ist, allein mit Energie der Sonne um die
Erde zu fliegen. Dabei wird die Energie der Photovoltaikzellen
in einer Batterie gespeichert und das Flugzeug mit einem
Elektromotor angetrieben. Der Luft- und Raumfahrtkonzern Airbus
entwickelt mit dem E-Fan derzeit ein zweisitziges Elektro-
flugzeug und die Firma AutoGyro in Hildesheim verzeichnete
im Juni 2015 mit ihrem eGyro den ersten rein elektrisch
angetriebenen Tragschrauberflug.
Das DLR hat sein Konzept zum elektrischen Fliegen seit dem
Erstflug der Antares DLR-H2 inzwischen weiterentwickelt und
arbeitet an einem mehrsitzigen Flugzeugkonzept. Durch den
Einsatz von Elektroflugzeugen auf Regionalflughäfen könnte
zwischen manchen Städten die Reisedauer im Vergleich zur
Bahn deutlich reduzieren werden. Derzeit stößt das elektrische
Fliegen jedoch ganz klar an seine Grenzen und bleibt für die
Luftfahrtforschung noch geraume Zeit eine Herausforderung.
Neue Flugzeugkonzepte werden möglich
Gleichzeitig eröffnet die Entwicklung neuer elektrischer Antriebsstränge
Freiräume für andersartige Flugzeugkonzepte
und Designs: Die Antriebsmotoren werden wesentlich leichter
als heutige Verbrennungsmaschinen sein. Zudem müssen
sie nicht mehr zwingend nah an der Leistungsquelle angebracht
sein. Stattdessen können Batterien und Brennstoffzellen
so in das Flugzeugdesign integriert werden, dass sie
sich möglichst vorteilhaft auf Aerodynamik und Auftrieb auswirken.
Auch wird erwartet, dass in der Luftfahrt, in den kommenden
Jahren erheblich leichtere Materialien eingesetzt
werden können. Entwicklungen wie diese werden auch dem
Fortschritt beim Fliegen mit Elektroantrieb zugutekommen.
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