CleanTech Media Award

Emissionsfreies Fliegen



Antares DLR H2 - Ein Innovationsbeschleuniger für Wasserstofftechnologie in der Luftfahrt

Als erstes bemanntes und selbststartendes Brennstoffzellen-Flugzeug ist die Antares DLR H2 eine einzigartige Plattform für Technologieentwicklung. Mit ihr konnten und können in Zukunft Brennstoffzellensysteme, die Nachhaltigkeit und Emissionsfreiheit versprechen, schnell, unkompliziert und kostengünstig ihre „Flugtauglichkeit“ unter Beweis stellen. Die Umsetzung in einem real fliegenden Objekt fasziniert und macht zukunftsfähige Technologie erlebbar.

 DLR Innovationsbeschleuniger Antares DLR-H2
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Die erfolgreiche Kooperation zwischen dem Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt und dem mittelständischen Flugzeugbauer und -entwickler Lange Aviation führte zu einem Flugzeug, das seit drei Jahren die Leistungsfähigkeit von Brennstoffzellen eindrücklich beweist. Unterschiedlichste Konfigurationen hat das Entwicklerteam bereits erprobt (Hoch-/Niedertemperatur Brennstoffzellen, Akkubetrieb). Antares DLR H2 flog dabei immer geräuscharm, hocheffizient und vor allem emissionsfrei! Das soll auch bei der Entwicklung des noch effizienteren Direkthybriden und bei der Langstreckenversion Antares DLR H3 so bleiben.
Davon unberührt, dass Passagierjets zunächst weiterhin von Verbrennungsturbinen angetrieben werden - die emissionsfreien Systeme der Antares DLR H2 kommen z.B. auch als Alternative für die Bordstromversorgung in Großraumflugzeugen in Frage. Antares DLR H2 garantiert damit eine schnellere Markteinführung dieser umweltfreundlichen Technologie in praxisrelevante Systeme.
Mit ihren Test-, Demonstrations- und Rekordflügen hat Antares DLR H2 bereits ein breites Medienecho hervorgerufen. Für Anwendungen im Bereich Kommunikation, Verkehrsbeobachtung und Umweltschutz bestehen konkrete Kundeninteressen, denen das Team mit der Entwicklung einer serienreifen Flugzeugversion nachkommt.

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Das Forschungsflugzeug Antares DLR-H2 ist das weltweit erste bemannte und ausschließlich mit Brennstoffzellen angetriebene Flugzeug.

Entwickelt wurde der Antrieb des Flugzeuges am DLR-Institut für Technische Thermodynamik zusammen mit den Projektpartnern Lange Aviation, BASF Fuel Cells und Serenergy (Dänemark). Als Basis dient der seit einigen Jahren vom Projektpartner Lange Aviation gebauter 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 die Lange Aviation wichtige Beiträge geleistet.

Vor dem Erstflug wurde das Brennstoffzellensystem in Zusammenarbeit mit der Firma BASF Fuel Cell GmbH (Elektrolyt + Elektroden) und Serenergy A/S (Stacksubsystem) für die Luftfahrt ertüchtigt. Hierfür wurden am DLR-Institut für Technische Thermodynamik neben Gesamtarchitekturauslegung und Systemaufbau eine ganze Reihe von Temperatur- und Unterdruckmessungen durchgeführt. Neben dem Projektleiter, Dr. Josef Kallo, haben insbesondere Florian Gores und Dr. Till Kaz wesentlich zur Projekt-Realisierung beigetragen.

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. Nach Abschluss des erfolgreichen Erstflugs fokussieren sich die weiteren Schritte  darauf, eine maximale Effizienz bei der Umwandlung der Kraftstoffenergie in elektrische Energie zu gewährleisten.

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. Das derzeit eingesetzte Brennstoffzellesystem und der Wasserstofftank wiegen zusammen insgesamt ca. 160 kg, es wird also nicht die maximale mögliche Zusatzlast genutzt. 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.

Brennstoffzelle zur Bordenergieversorgung

 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. Mit Antares DLR-H2 steht dem DLR hierfür nun eine kostengünstige Testplattform zur Verfügung.

Fliegendes Testlabor verstärkt zukünftig das Fuel Cell Lab Hamburg

Die Antares DLR-H2 wird in Hamburg bei Lufthansa Technik beheimatet sein und dort in den nächsten drei Jahren die Brennstoffzellenaktivitäten des DLR im Rahmen des Fuel Cell Labs als fliegender Versuchsträger verstärken. Das Fuel Cell Lab wurde von der Stadt Hamburg zusammen mit dem DLR und Airbus/EADS initiiert und soll einen Großteil der Wasserstoff- und Brennstoffzellenaktivitäten im Großraum Hamburg bündeln. Mit der Stationierung des Forschungsflugzeugs auf dem Gelände der Lufthansa Technik wird ein direkter Kontakt zu einem erfahrenen luftfahrttechnischen Entwicklungs- und Wartungsbetrieb aufgebaut. Diese Verbindung fördert auch die  Einsatz- und Wartungsfreundlichkeit von zukünftigen, für die Großraum-Luftfahrt ausgelegten Brennstoffzellensystemen, die vom DLR als Entwicklungspartner für Airbus entworfen und untersucht werden.
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. In einem zweiten Schritt wird nun der dauerhafte Einsatz eines Brennstoffzellensystems zur Bordstromversorgung in Großraum-Verkehrsflugzeugen anvisiert.
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.

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-7879/13446_read-34136/