Elektrisches Fliegen - eine Zukunftsperspektive

Electric Flight
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Zweites Wasserstoff-Brennstoffzellenflugzeug der DLR entsteht Professor Dr. Josef Kallo gilt weltweit als führende Kapazität für alternative An- triebssysteme in Luftfahrzeugen. Sein Stuttgarter Institut für Thermodynamik am Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) hat mit dem  im Oktober 2015 vorgestellten HY4-Projekt einen weiteren Schritt zur Realisierung seiner Idee für emissionsfreie Passagierflüge in Angriff genommen.
Grafikmontage: DLR
Ist bereits für den Sommer 2016 geplant: HY4-Versuchsträger mit Wasserstoffantrieb
Er setzt dabei auf ein Hybridsystem: Hauptenergiequelle ist eine Niedertempe- ratur-PEM-Brennstoffzelle. Diese wandelt den im Tank mitgeführten Wasserstoff und Luftsauerstoff in Wasser und elektrische Energie um. Im Reiseflug versorgt die Brennstoffzelle den Elektromotor mit Strom. Als Zwischenspeicher dient eine Lithium-Batterie ab. Als Nebeneffekt könnte in Passagierflugzeugen der aus dem Wasserstoff und dem Luftsauerstoff produzierte Wasserdampf dem bordeige- nen Wasserkreislauf zugeführt werden. Damit reduziert sich das mitzuführende Wasser an Bord, was die Nutzlast erhöht. Bei Kleinflugzeugen würde man den ent- stehenden Wasserdampf allerdings ein- fach ablassen. Seit zehn Jahren arbeitet er bereits mit seinem Team an der Umset- zung, dieses Ziel zu erreichen. Mit der Antares H2 unternahm er 2009 die ersten Schritte. Dieser Motorsegler ist bis heute im Einsatz. Doch schon 2008 schickte Boeing eine einsitzige Dimona, ausgerüstet mit Brenn- stoffzellen und einer Speicherbatterie in Spanien in die Luft. Bekanntester Zeitge- nosse war der Franzose Gérard Thevenot,
der sein Trike 2009 nur mit den  Brennstoff- zellen und einem E-Motor ausstattete. Thevenot gab aber nach vielen Störungen im Antriebssystem und einem Totalbrand genervt wieder auf. Auch unternahmen einige Institute und Firmen wie Airbus Ver- suche, die APU‘s in Verkehrsflugzeugen durch Brennstoffzellensysteme zu ersetzen. So entstand schon 2011 eine Zusammen- arbeit zwischen Airbus und dem DLR, in deren Versuchsträger ein Airbus A320, mit einer Brennstoffzelle und einem nachge- schalteten Generator ausgestattet war. Das wasserstoffbetriebene System soll  als Not- stromversorgung die Hydraulik und Elektrik eine Stunde in Betrieb halten.
HY4H2FLY im Zulassungsprozess zu betreuen und auch den späteren Betrieb mit ihr durchzuführen. Ingenieur Tomažič erkärte: „die ganzen Integrationsarbeiten erfordern harte Arbeit. Wir haben dafür eine zusätzliche Halle angemietet, in der wir mit einem kleinen Experten-Team ungestört die Vorbereitungen für den späteren Einbau der Baugruppen für den Antriebsstrang vornehmen. Nur etwa 20 Prozent der Zelle bleiben davon erhalten, doch rund 80 Prozent der Arbeiten sind neu anzusetzen. Wir hoffen, bis zum Sommer fertig zu sein, um den Flieger dann in die Luft zu bekommen.“ Dem HY4-Projekt kommen die jahrelan- gen Erfahrungen der Firma zugute, die wie kei anderes Unternehmen in Kleinserien auf dem UL-Sektor Step-by-step die Entwicklung vorangetrieben haben.
Versuchsträger Pipistrel G4 als Basis des neuen Brennstoffzellenflugzeug HY4.
Vielen Lesern ist sicher noch die sehr uto- pisch wirkende  Doppelrumpfkonstruktion Taurus G4 in Erinnerung. Dies war eine Idee von Tine Tomažič, dem Chefent- wickler von Pipistrel, der aus zwei Taurus- Rümpfen sowie einem Flügel- und Höhen- leitwerkssatz ein Flugzeug mit einem neu- entwickelten Mittelstück zusammensetzte. Darin befand sich die elektrische Antriebs- einheit. Die „Behelfskonstruktion“ erwies sich, wie bekannt ist, als erfolgreichste Elektromotorisierung. Pipistrel-Firmenboss Ivo Bosacarol und Professor Kallo verein- barten eine Wiederverwendung des G4- Versuchsträgers.  Der vorgesehene An- triebsstrang ließe sich in dieses Flugzeug am schnellsten und preiswertesten inte- grieren. Nun ist aber nicht so, dass man Wasserstofftanks und Brennstoffzellen sowie Batteriemanagement und Elektro- motoren wie Bausteine aus einem Regal
nehmen kann, um sie in die zur Verfügung stehenden Räume wie Lego-Steine zu- sammen zu setzen. Hydrogenics konnte als Brennstoffzellenhersteller gewonnen werden. Dazu müssen Wasserstofftanks, die einem Druck bis zu 350 bar stand- halten und das dazugehörige Leitungs- system beschafft und angepasst werden. Das Batteriemanagementsystem ist mit dem E-Motor in jedem Fall in das Flügel- mittelstück einzubauen. Weitere techni- sche Details, insbesondere, wo die Brenn- stoffzellen und die Wasserstofftanks unter- gebracht werden, wollte man noch nicht verraten. Viel Arbeit also noch, bis tatsäch- lich der fertige „Passagierflieger“ im Hei- matflughafen Stuttgart ankommt und der zusätzlich von der Universität Ulm als wissenschaftlicher Partner die Stuttgarter unterstützen wird. Die DLR hat extra eine Ausgründung vorgenommen, um sie als
Fliegt seit 2009: DLR Antares H2
Prof. Dr. Josef Kallo präsentierte die HY4
Foto: DLR
Vom Elektromotorsegler zum DLR HY4
Antrieb und Ziele
Der Antrieb der HY4 wird mit einem 80 kW Elektromotor ausgestattet. Das ermöglicht eine Höchstgeschwindigkeit von rund 200 km/h sowie eine Reisegeschwindigkeit von 145 km/h. Abhängig von Geschwindigkeit, Flughöhe und Zuladung ist eine Reich- weite zwischen 750 und 1.500 Kilometern möglich. Die Doppelrumpfkonstruktion ermöglicht eine optimale Verteilung der Antriebskomponenten. In jedem der beiden Rümpfe haben zwei Passagiere Platz. Das Abflugmasse der HY4 beträgt 1.500 Kilogramm, was der Echo-Klasse entspricht. Mit dem Projekt für das vier- sitzige Flugzeug HY4 geht das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt einen weiteren wichtigen Schritt, um emissions- freies elektrisches Fliegen in die Realität umzusetzen: Die HY4 wird das weltweit erste viersitzige Passagierflugzeug sein, das allein mit einem Wasserstoff-Brenn- stoffzellen-System angetrieben wird. "Mit der HY4 wollen wir Elektromobilität in die Luft bringen, die Machbarkeit dieser Technologie demonstrieren und konkrete Anwendungsfelder im Passagiertransport aufzeigen", erklärte Professor Dr. Josef Kallo, Koordinator Elektrisches Fliegen bei dem DLR bei der Vorstellung des Projekts auf der internationalen Kongress „World of Energy Solutions“ am 12. Oktober 2015 in Stuttgart.
Foto: DLR
Grafik: Bauhaus Luftfahrt e.V.
"Die große wissenschaftliche Herausfor- derung des Projekts besteht darin, die Leistungsfähigkeit, Effizienz und Zuver- lässigkeit des Antriebssystems Schritt für Schritt zu maximieren und für den Einsatz zum Passagiertransport zu erproben", fasste Projektleiter Professor Dr. Josef Kallo zusammen. Bei den beiden Bau- gruppen des Motors und deren Steuerung kann man bereits auf Bewährtes setzen. Das Wasserstoffbetankungssystem, die Wasserstoffdrucktanks und den Brenn- stoffzellen selbst auf eine ökonomische vertretbare Schiene zu bekommen, wird aber noch auf Jahre hinaus eine große Herausforderung bedeuten, wenn nicht doch die Fahrzeugindustrie die Entwick- lung schneller vorantreibt. Wie man aller- dings den Wasserstoff sicher speichern kann, bleibt noch eine Herkulesaufgabe. 
Mit dem neuen Versuchsträger HY4 Erfahrungen sammeln
Zur Zeit gibt es dafür drei verschiedene Speichermethoden: Die Speicherung von gasförmigem Was- serstoff in Druckbehältern, was zunächst für das HY4-Projekt vorgesehen ist und in einer möglichen Phase 2 die Speicherung von flüssigem Wasserstoff in vakuumiso- lierten Behältern. Denkbar wäre auch die Einlagerung von Wasserstoff in Metallhy- driden, wie sie momentan in Kraftfahrzeu- gen erprobt wird. Der Wasserstoff könnte so in einer noch höheren Dichte als im flüssigen Zustand gespeichert werden. Doch diese Methodik hat trotz aller Vor- teile auch entscheidende Nachteile, und das sind das hohe Gewicht des Metall- hydrids und besonders auch die langen Ladungszeiten. HY4 wird also nach seiner Indienststellung noch einige Jahre ein Einzelstück bleiben.
Gestärkt durch die Erfolge mit H2 ent- standen in Stuttgart Ideen, einen größe- ren Versuchsträger für die Wasserstoff- technologie zu entwickeln, um damit auch Passagierflüge durchführen zu können. Eine geeignete Zelle dafür zu finden, die die sichere Unterbringung der Wasser- stofftanks und der Brennstoffzellen garan- tiert, war nicht ganz so einfach.- Doch während die Pläne für HY4 bereits reali- siert werden, beschäftigen sich die Inge- nieure mit Entwürfen erster Regionalver- kehrsflugzeuge, die Fimen wie Airbus in den nächsten 10-20 Jahren realisieren könnten. Als Airbus seinen E-Fan in Paris vorstellte, äußerste sich CEO Tom Enders sehr optimistisch. Er rechnet dann sogar schon mit 50-100-sitzigen Maschinen, wenn die Batterieentwickler mitzögen und das vielleicht auch schon viel früher.
In 20 Jahren schon 100-Sitzer?
Ce-Liner, eine Bauhaus-Studie für das Jahr 2035. Das Flugzeug mit 190 Sitzen soll auf Zwischenlösungen verzichten und ausschließlich mit Batterien betrieben werden.
Brennstoffzellen-Flugzeug
fertiggestellt (29.9.2016)
E-Propulsion
Foto: DLR
Foto: Frank Herzog
Elektrisches A320-Bugradfahrwerk