Die Zu­kunft fliegt elek­trisch

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Simulation eines elektrifizierten Passagierflugzeugs
Küns­ter­li­sche Dar­stel­lung ei­nes elek­tri­fi­zier­ten Pas­sa­gier­flug­zeugs
Credit: DLR (CC-BY 3.0)

Künsterlische Darstellung eines elektrifizierten Passagierflugzeugs

Mit dem ge­plan­ten na­tio­na­len Er­pro­bungs­trä­ger fürs elek­tri­sche Flie­gen sol­len Flü­ge ei­nes elek­tri­fi­zier­ten Pas­sier­flug­zeugs für den kom­mer­zi­el­len Luft­ver­kehr durch­ge­führt wer­den.

Während man elektrisch betriebene Kraftfahrzeuge immer häufiger im Straßenverkehr sieht, befindet sich die Forschung auf dem Gebiet der elektrischen Flugzeuge noch ganz am Anfang. Die Industrie arbeitet schon länger an dem sogenannten More Electric Aircraft, ein Luftfahrzeug mit zunehmend elektrifizierten Bordsystemen. So fliegt zum Beispiel die A320 seit den 1980er Jahren mit einem elektrischen Steuerungssystem.

Das Flugzeug mit elektrischem Hauptantrieb steckt dagegen noch in den Kinderschuhen. Aktuell arbeiten Wissenschaft  ­–  darunter auch Forschende aus dem DLR – und Industrie gemeinsam daran, die Vision des voll elektrifizierten Flugzeugs Wirklichkeit werden zu lassen.  Gerade der potenzielle Markt des urbanen Lufttransports stellt die Entwickler vor Herausforderungen.  Elektrische Antriebe könnten Energie, Lärm und Emissionen einsparen und beim Einsatz im innerstädtischen Verkehr entscheidende Vorteile bringen.

Erste Elektroflieger heben ab

Erste voll-elektrische Flächenflugzeuge präsentierten die Flugschauen der  vergangenen Jahre im Bereich der allgemeinen Luftfahrt. Segelflugzeuge fliegen seit 2015 mit batteriebetriebener Heimkehrhilfe im Leistungsbereich von 25 Kilowatt und sind mittlerweile als Serienflugzeuge erhältlich.

Bereits 2009 hatte das DLR am Standdort Stuttgart gemeinsam mit Forschenden der Universität Stuttgart und aus der Industrie  das erste Elektrosegelflugzeug entwickelt, gebaut und geflogen, das rein mit Wasserstoff-Brennstoffzellen betrieben wird: den Antares DLR-H2. 2016 stellte das Forscherteam und das DLR, basierend auf dem Taurus G4, den ersten fliegenden Hybridantrieb mit Brennstoffzellen und Batterien vor. Der viersitzige Prototyp HY4 hob im September 2018 zum Erstflug ab.

Der mit 260 Kilowatt derzeit stärkste Elektromotor in der Luftfahrt wird seit Mitte 2016 im Kunstsportflugzeug Extra 330LE von Siemens erprobt. Der Elektrotechnikkonzern entwickelte bereits 2011 zusammen mit den Konzernen EADS und Diamond mit der DA36 E-Star das weltweit erste hybrid-elektrische Flugzeug. Seitdem hat sich das Leistungsgewicht des Motors verfünffacht, geplant ist eine Verbesserung um den Faktor zehn.

Der weite Weg zum elektrischen Passagierflieger

Dieses Ziel steht für die Flugzeugentwicklung der nächsten zwanzig Jahre. Flugzeughersteller wie Airbus und Boeing entwickeln bereits Konzepte für elektrisch angetriebene Flugzeuge. Beide Konzerne setzen dabei auf den Hybridantrieb. Bis zu dessen Marktreife ist  die schrittweise Entwicklung von kleineren zu größeren Systemen notwendig.

Der Hybridantrieb als Zukunftsinvestition

Ein wichtiger Aspekt für die Umsetzung eines voll- oder hybrid-elektrischen Antriebs sind dabei die Energiespeicher. Hocheffiziente Segelflugzeuge können ihren Reiseflug allein mit Batterien über eine Stunde verlängern. Weniger effiziente Fluggeräte  wie Multikopter oder Motorflugzeuge erreichen heutzutage eine maximale Flugzeit von 20 Minuten. Dies reicht  nur für sehr kurze Strecken im voll-elektrischen Flug. Für schwerere Flugzeuge und größere Reichweiten werden Batterien als primäre Energiespeicher nach dem heutigen Stand der Technik deutlich zu schwer. Für eine voll-elektrische A320 müssten für 20 Minuten Flugzeit über 50 Tonnen Batterien eingeplant werden. Das wären etwa zwei Drittel des maximalen Startgewichts.

Sowohl die Luft- als auch die Automobilindustrie forscht derzeit an Hybridlösungen. Hybrid-elektrische Konzepte kombinieren die Flexibilität von Batterien mit der Energiedichte von chemischen Energieträgern. Den kontinuierlichen Leistungsbedarf für den Reiseflug bezieht der Antrieb aus hochenergetischen Kraftstoffen wie beispielsweise Kerosin. Leistungsspitzen für Start und Manöver sollen mit Pufferbatterien abgedeckt werden. So erhöht sich – wie bei Elektrofahrzeugen – die Reichweite.

Neue Forschungsansätze

Derzeit gibt es drei Ansätze, um einen Hybridantrieb umzusetzen: Bei einer seriell-hybriden Architektur speist eine Gasturbine ihre gesamte Leistung in das elektrische Bordnetz ein. Dieses treibt mit der gewonnenen Energie über elektrische Motoren einen oder mehrere Propeller an. Bei einem partiell-hybridisierten Flugzeug wird die elektrische Leistung einem vorhandenen konventionellen Triebwerk entnommen. Bei einer parallel-hybriden Architektur treibt der Elektromotor den Propeller parallel zum konventionellen Triebwerk an.

Die Architektur eines hybrid-elektrischen Antriebsstrangs kann diese drei Grundkomponenten beliebig komplex kombinieren. Zusätzlich sind verschiedenste Arten von Energiewandlern denkbar, die einen Treibstoff in elektrische Energie umwandeln. Das können zum Beispiel Gasturbinen und Kolbenmaschinen mit Generatoren oder auch Brennstoffzellen sein.

Im Hinblick auf eine möglichst emissionsarme Luftfahrt versprechen gerade Wasserstoff-Brennstoffzellen extrem geringe Emissionen, die nur aus gasförmigem Wasser bestehen. Allerdings muss auch der Herstellungsprozess und die dabei anfallenden Emissionen bei der Kalkulation mit betrachtet werden. Auch bei konventionellen Energieträgern kann mit hybriden Antriebskonzepten Energie eingespart werden. Läuft der Verbrennungsprozess immer im optimalen Betriebspunkt ab und muss nicht für dynamische Lasten ausgelegt werden, wird weniger Treibstoff benötigt.

Vor- und Nachteile des Hybridantriebs

Ein wichtiger Vorteil des elektrischen Luftfahrtantriebs sind die neuen Möglichkeiten im Gesamtentwurf des Flugzeugs und eine deutliche  Lärm- und Schadstoffreduzierung. Entscheidender Nachteil eines hybrid-elektrischen Systems ist seine Komplexität und sein noch immer deutlich erhöhtes Gewicht im Vergleich zu einem rein konventionellen Antrieb Hierbei gilt es noch eine Reihe offener Fragen zu klären.

Ein Blick nach vorn

Experten aus der Forschung und Wissenschaft sowie der Industrie halten Energieeinsparungen von etwa 20 Prozent  durch die Einführung von hybrid-elektrischen Antrieben für realistisch. Der ökologische Nutzen und die Effizienzvorteile des elektrischen Antriebs sind allerdings stark vom Anwendungsfall abhängig. Für eine faire Bewertung der Umweltbilanz muss dabei neben dem reinen Antriebsstrang die gesamte Kette von der Erzeugung des Kraftstoffs bis zum kompletten Luftverkehrssystem betrachtet werden. Bis heute sind grundlegende Fragen des Elektroantriebs sind noch ungeklärt und bedürfen weiterer Forschung, Entwicklung und – vielleicht noch wichtiger – Experimente. 

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