Abheben mit der Brennstoffzelle: Alles zur Antares DLR-H2

Antares DLR-H2: Weltweit erstes pilotengesteuertes Flugzeug mit Brennstoffzellenantrieb



 Antares DLR-H2
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Das Forschungsflugzeug Antares DLR-H2 ist das weltweit erste bemannte und ausschließlich mit Brennstoffzellen angetriebene Flugzeug. Das über mehrere Jahre am DLR-Institut für Technische Thermodynamik geführte Projekt beweist eine neue Qualität auf dem Gebiet der hocheffizienten, emissionsfreien Energiewandlung: Durch den Brennstoffzellenantrieb von Antares DLR-H2 sind Start, Flug und Landung völlig CO2-frei. Als Kraftstoff kommt Wasserstoff zum Einsatz, der in einer direkten elektrochemischen Reaktion mit dem Sauerstoff der Luft ohne Verbrennung in elektrische Energie umgewandelt wird. Während dieser partikelfreien Reaktion entsteht als Reaktionsprodukt ausschließlich Wasser.

Ende September 2008 wurde der Prototyp am Flughafen Stuttgart erstmals der Öffentlichkeit vorgestellt, am 7. Juli 2009 beweist Antares DLR-H2 dann seine Flugfähigkeit beim offiziellen Erstflug in Hamburg.

Entwickelt wurde der Antrieb des Flugzeuges am DLR-Institut für Technische Thermodynamik zusammen mit dem Projektpartner Lange Aviation. Als Basis dient der seit einigen Jahren bei Lange Aviation gebaute Motorsegler Antares 20E. Das Brennstoffzellensystem und der notwendige Wasserstoffspeicher wurden in zwei zusätzliche Außenlastbehälter eingebaut, die unter den dafür verstärkten Tragflächen angebracht wurden. Herzstück des elektrischen Antriebs ist ein hocheffizientes Brennstoffzellensystem. Das hierfür speziell entwickelte System (Effizienz bis zu 52% elektrisch) ist annähernd identisch mit dem bereits im Großraumflugzeug getesteten Brennstoffzellensystem zur Bordenergieversorgung und liefert die elektrische Energie für den von Lange Aviation entwickelten Antriebsstrang, der aus der Leistungselektronik, Motor und Propeller besteht.

Interdisziplinäre Aktivitäten aller Beteiligten zusammengeführt

Neben der herausragenden Leistung auf dem Gebiet der Brennstoffzellentechnologie besticht das Projekt auch durch die Zusammenführung interdisziplinärer Aktivitäten:

 Strömungsbild des Forschungsflugzeugs Antares DLR-H2
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Um einen sehr sparsamen Flug zu ermöglichen wurde das gesamte Flugzeug strömungstechnisch neu optimiert. Ziel war es, turbulente Luftströmungen an allen Flächen zu vermeiden. Die Integration der Außenlastbehälter stellte sowohl aeroelastisch als auch aerodynamisch eine Herausforderung dar. Hier konnte insbesondere durch die fundierte Erfahrung des DLR-Instituts für Aeroelastik eine optimale Anbringung der Behälter erreicht werden, bei der die Dynamik des Flugzeugs nicht beeinträchtigt wird. Die zusätzlichen Luftwiderstände im Vergleich zum Serienmodell Antares 20E betragen weniger als 10 Prozent bei einer möglichen zusätzlichen Last von mehr als 200kg. Damit ist bei einer Geschwindigkeit von bis zu 300 Stundenkilometer ein flatterfreier Flug von Antares DLR-H2 gewährleistet, wobei die gegenwärtige Höchstgeschwindigkeit zirka 170 Stundenkilometer beträgt.

Bei der Kopplung des Brennstoffzellensystems mit dem Antriebsstrang wurden ebenfalls neue Wege eingeläutet: Aufgrund des weiten Spektrums der Eingangsspannung kann der Motor bei einer Effizienz von über 92 Prozent von 188 bis 400 Volt flexibel betrieben werden. Damit entfällt der Schritt der Spannungsstabilisierung und das Brennstoffzellensystem konnte so ausgelegt werden, dass es direkt mit der Steuerungseinheit des Motors verbunden werden kann. Dies spart Komponenten und Kosten und erhöht die Effizienz: Die Gesamteffizienz des Antriebs vom Tank bis zum Antriebsstrang inklusive Propeller ist mit bis zu 44 Prozent etwa doppelt so hoch wie bei herkömmlichen, auf Verbrennungstechnik basierenden Antriebstechniken. Dort können nur zwischen 18 und 25 Prozent der Energie aus dem Kerosin oder Diesel tatsächlich für den Antrieb bereitgestellt werden. Hierfür haben sowohl das DLR-Institut für Fahrzeugkonzepte als auch die Berner Fachhochschule Biel und Lange Aviation wichtige Beiträge geleistet.

Vor dem Erstflug wurden am DLR-Institut für Technische Thermodynamik neben Gesamtarchitekturauslegung und Systemaufbau eine ganze Reihe von Temperatur- und Unterdruckmessungen durchgeführt.

Weitere Entwicklungsarbeiten in Planung

 Skizzen Antares DLR-H2
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Mit dem speziell ausgearbeiteten Steuerungsalgorithmus zeigt die Architektur der Antares DLR-H2 ein sehr gutes Gewichts/Leistungs-Verhältnis und erfüllt damit ein wichtiges Kriterium für die Luftfahrt. 

Das DLR verfügt mit Antares DLR-H2 über einen fliegenden Hochtechnologie-Versuchsträger zum Test unterschiedlicher Architekturen von Brennstoffzellensystemen unter luftfahrtrelevanten Bedingungen wie Unterdruck, Temperatur, Beschleunigung und Vibration. Um hier einen Vergleich anstellen zu können, stehen weitere Brennstoffzellensysteme und Architekturen bereit um auf Ihre Luftfahrttauglichkeit untersucht zu werden.

Die Leistungsdaten können gesteigert werden, indem die Kühlungskonzepte, die Brennstoffzellenarchitektur und einige Komponenten, wie zum Beispiel die Luftversorgungsanlage, weiter optimiert werden. Eine Ausstattung mit bis zu vier Außenlastbehältern und weiterentwickelten Brennstoffzellen bietet an dieser Stelle bereits ein signifikantes Potenzial zur Leistungssteigerung.


Eine spätere Hybridisierung mit einer Li-Ion-Batterie wird die Leistung des Flugzeuges weiter verbessern. Es ist zu erwarten, dass die Kopplung der Brennstoffzelle mit dem sehr leisen und leistungsstarken elektrischen Kleinflugzeugantrieb im Vergleich zu kolbengetriebene Motoren neue Maßstäbe bei der Höhentauglichkeit setzt.

Antares DLR-H2 als fliegendes Testlabor 

 Antares DLR-H2 Wasserstoff-Drucktank
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Wenngleich die Brennstoffzelle in absehbarer Zukunft nicht als primäre Energiequelle für den Antrieb von Verkehrsflugzeugen in Frage kommt, stellt sie doch als zuverlässige Bordstromversorgung in der kommerziellen Luftfahrt eine interessante und wichtige Alternative zu heutigen Energiesystemen dar: Hohe Effizienz geht einher mit minimalem Schadstoffausstoß, geringer Lärmbelastung, sicherem Flugbetrieb und hohem Passagierkomfort. Ziel der Forschungsarbeit des DLR ist es, Brennstoffzellen unter realen Einsatzbedingungen in der kommerziellen Luftfahrt als zuverlässige Bordstromversorgung einzusetzen. 

Die Brennstoffzelle in der Luftfahrt

In einem ersten Entwicklungsschritt realisierte das DLR gemeinsam mit Airbus Deutschland die Notstromversorgung der Hydraulikpumpen zur Steuerung des DLR-Forschungsflugzeugs Airbus A320 ATRA über ein Brennstoffzellensystem. "Die Antares hat uns in den vergangenen drei Jahren geholfen, die Anwendung von Brennstoffzellen-Technologien für die Luftfahrt erheblich weiterzuentwickeln", sagt Projektleiter Josef Kallo vom DLR-Institut für Technische Thermodynamik in Stuttgart. Im Sommer 2011 rollte erstmals das Forschungsflugzeug ATRA mit einem mit Brennstoffzellen betriebenen Bugrad. In einem weiteren Forschungsprojekt arbeiten DLR und Airbus daran, das komplette Hilfstriebwerk (englisch: APU - Auxiliary Power Unit) durch ein Brennstoffzellensystem zu ersetzen. Die Hilfstriebwerke können -während die Haupttriebwerke stillstehen- die Energie für die elektrischen Systeme und die Druckluftsysteme an Bord eines Flugzeugs liefern. Damit werden unter anderem auch die Klimaanlage betrieben. Mit dem Motorsegler Antares DLR-H2 können Brennstoffzellensysteme für die Luftfahrt in Zukunft kostengünstig getestet werden. Dies optimiert unter anderem die Testzeit des DLR-Forschungsflugzeugs Airbus A320 ATRA.

Förderung

Basis der Antares DLR-H2 ist der Motorsegler Antares 20E der rheinlandpfälzischen Firma Lange Aviation. Das Brennstoffzellen-System wurde im DLR gemeinsam mit Hydrogenics entwickelt. Das Forschungsprojekt wird vom Bundesministerium für Verkehr, Bau und Stadentwicklung und der Nationalen Organisation für Wasserstoff- und Brennstoffzellentechnologie (NOW) gefördert.

 

Spezifikationen Antares DLR H2

Antares DLR-H2 im Überblick Technische Daten
Spannweite: 20 m / 65,6 ft
Flügelfläche: 12,6 m² / 13 ft²
Länge Hauptkörper: 7,4 m / 24,3 ft
Länge POD: 2,87 m / 9,43 ft
Durchmesser POD: 0,6 m / 1,97 ft
Leergewicht: ca. 460 kg / 1014 lb.
Gewicht Brennstoffzellensystem: ca. 60 kg
Betriebstemperatur Brennstoff-
zellensystem im Flug:
<-45° C bis 40° C
Maximales Gewicht DLRH2: 750 kg (>900 kg in 4 POD-Version)
Reichweite: >750 km (>2.000 km in 4 POD-Version)
Max. Leistung Brennstoffzellensystem: ca. 25 kW (bis zu 45 kW in 4 POD-Version)
Dauerleistung Brennstoffzellensystem: > 20 kW
Benötigte Leistung Geradeausflug: ca. 10 kW
Max. Höchstgeschwindigkeit: ca. 170 km/h 
Flatterfreier Flug gewährleistet: bis zu 300 km/h
Max. erreichbare Höhe: >> 4000 m / >> 12.000 ft
Max. Steiggeschwindigkeit (560kg): >2,5 m/s (bei 25 kW)
Gesamteffizienz des Antriebs:  ca. 44 Prozent

Elektromotor Antares DLR-H2

Spezifikationen
Typ: DC/DC Brushless
Maximale Leistung: > 42 kW
Nenndrehzahl: 1500 1/min
Maximale Drehzahl: 1700 1/min
Maximales Drehmoment: 216 Nm
Gesamtwirkungsgrad 84 %


Kontakt
Dr.-Ing. Josef Kallo
Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR)

Institut für Technische Thermodynamik
, Elektrochemische Energietechnik
Tel: +49 711 6862-672

Fax: +49 711 6862-747

E-Mail: Josef.Kallo@dlr.de
URL dieses Artikels
http://www.dlr.de/tt/desktopdefault.aspx/tabid-4935/8219_read-13587/