Jahrbuch Bauhaus Luftfahrt 2016

50 energy technologies & power systems
Hybridelektrischer
Antrieb – Situation und
Herausforderungen
Hybrid-electric
propulsion – situation
and challenges
Die Einbindung elektrischer Energie in den Antrieb
von Flugzeugen eröffnet vielfältige Möglichkeiten
der Systemgestaltung und stellt damit neue Herausforderungen
an das Gesamtsystemdesign. Um
optimale Antriebskonzepte für eine bestimmte Anwendung
zu finden, müssen große Designräume
analysiert werden. Um einen Überblick über die
Situation und die Herausforderungen im Zusammenhang
mit hybridelektrischen Antrieben zu geben,
haben die Forscher des Bauhaus Luftfahrt eine
„Landkarte“ entwickelt, die den aktuellen Wissensstand
zu wichtigen hybridelektrischen Systemkonzepten
veranschaulicht: Die grundlegenden Herausforderungen
und Potenziale reiner Seriellhybride
sind auf Komponentenebene bereits verstanden.
Für turboelektrische Systeme mit paralleler Schubproduktion
durch elektrische und konventionelle
Antriebsstränge sind Teilbewertungen vorhanden.
Für integrierte Parallelhybride wurden in den
EU-FP7-Projekten „E-BREAK“ und „ENOVAL“ erste
Konzepte am Bauhaus Luftfahrt entwickelt. In
„ENOVAL“ wurden Optionen für den mechanisch
integrierten Parallelhybridantrieb in einer Konzeptentwurfs-
und Performancestudie für eine Kurzstreckenflugzeuganwendung
ausgewertet. Hier wurden
ein vielversprechendes Triebwerkslayout, eine
elektrische Systemarchitektur und ein sinnvoller
Systemhybridisierungsgrad identifiziert. Außerdem
konnten dabei wichtige Erkenntnisse zur Auslegung
mechanisch integrierter hybridelektrischer Flugantriebe
abgeleitet werden. Die tatsächlichen Effizienzpotenziale
hybridelektrischer Antriebe sind
jedoch nur auf Gesamtflugzeugebene erzielbar. Das
Zusammenspiel des Antriebssystems mit synergetisch
ergänzten Flugzeugtechnologien muss dazu
noch besser verstanden werden.
Schnittansicht
eines mechanisch
integrierten parallelhybriden
Getriebefantriebwerks
Cross-sectional view
of mechanically
integrated parallel
hybrid geared turbofan
power plant
The introduction of electrical energy into the
scheme of aircraft propulsion and power opens a
broad variety of system architectural options that
poses additional challenges to overall systems
design. In order to find best-suited technical concepts
for a given application case, large configurational
design spaces need to be evaluated. In
order to provide an overview of the situation and
challenges associated with hybrid-electric propulsion,
researchers at Bauhaus Luftfahrt have developed
a “map” that illustrates the present state
of knowledge on important hybrid-electric system
concepts: The basic challenges and potentials
for pure serial hybrids at component level are
understood. In turbo-electric setups with thrust
produced in parallel by electric and conventional
drives, partial assessments are available. For
integrated parallel hybrids, initial concepts were
developed by Bauhaus Luftfahrt in the EU FP7 projects
“E-BREAK” and “ENOVAL”. Most recently in
“ENOVAL”, options for mechanically integrated
parallel hybrid propulsion were evaluated in a
conceptual sizing and performance study for a
short-range aircraft application. Here, a most
promising power plant layout, electrical systems
configuration and feasible degree of power
hybridisation were identified. Moreover, essential
design and sizing strategies for mechanically integrated
hybrid-electric aero propulsion systems
were derived. The true efficiency potentials of
hybrid-electric aero propulsion, however, are only
accessible at the integrated aircraft level. Therefore,
the impact of synergistically annexed
airframe technologies still requires a much more
detailed understanding.