Energiewandlungssysteme für die Zero-Emission-Luftfahrt

  Brennstoffzellen-Antrieb Urheberrecht: © RWTH Aachen | IST

Moderne, elektrifizierte Luftfahrtantriebssysteme und innovative Energieträger wie Wasserstoff und synthetische Kraftstoffe ermöglichen zukünftig eine emissionsfreie Luftfahrt. Dazu erforscht das IST innovative Energiewandlungssysteme für Flugzeuge verschiedener Größenklassen.

 

Technische Einführung

Klimaschutz ist alternativlos und betrifft Industrie und Gesellschaft gleichermaßen. Auch die Luftfahrtindustrie muss ihren Beitrag leisten und ihre zukünftigen Entwicklungsprogramme auf nachhaltige Mobilität ausrichten.

Energiewandlung und -speicherung

Um die Ziele der Emissionsreduktion zu erreichen, muss die Energiewandlung innerhalb des Triebwerks effizienter gestaltet werden. Ein möglicher Baustein ist die (Teil-)Elektrifizierung von Flugantriebssystemen. Zudem bieten neue Kraftstoffe wie Wasserstoff und E-Fuels das Potenzial für einen CO2-neutralen Flugverkehr. Die jeweiligen Eigenschaften dieser Kraftstoffe bringen neue Herausforderungen mit sich, sodass am IST neben der Energiewandlung auch die Energiespeicherung betrachtet wird.

Die Elektrifizierung von Luftfahrtantrieben bietet große Chancen, erhöht allerdings gleichzeitig die Systemkomplexität. So verfügt ein Parallelhybrid beispielsweise über zwei verschiedene Energiewandler und -speicher. Die optimale Auslegung dieses Systems erfordert daher neuer Werkzeuge, wie sie am IST entwickelt werden.

Integration

Die neuen Energiewandlungssysteme und -speicher stellen andere Anforderungen an das Flugzeug und können nicht ohne weiteres die konventionellen Antriebe substituieren. Beispielsweise arbeiten Elektromotoren und Lithium-Ionen-Batterien innerhalb deutlich niedrigerer und engerer Temperaturfenster, sodass das Thermalmanagement gänzlich neu gedacht werden muss.

Wird fossiler Kraftstoff oftmals in den Flügeln gespeichert, so ist diese Lösung nicht unmittelbar für die Lagerung von kryogenem Wasserstoff möglich. Die Integration der neuartigen Antriebssysteme mit ihren beschriebenen Herausforderungen ist ebenfalls Gegenstand der Forschungstätigkeiten am IST.

 

Eine neue Industrie startet durch

Weltweit arbeiten mehr als 200 Firmen an Flugtaxis für die urbane (UAM) und regionale Luftmobilität (RAM).

Einer Studie von Roland Berger zufolge wächst der Markt von verkauften UAM/RAM-Flugzeuge von 3.000 Einheiten jährlich im Jahr 2025 auf 28.000 Einheiten im Jahr 2035.

 

Aktuelle Forschungstrends

Hybride Antriebssysteme Urheberrecht: © Gasturb GmbH

Die Elektrifizierung kann durch wirkungsgradsteigernde Maßnahmen die Emissionen in der Luftfahrt zwar reduzieren, jedoch aufgrund der zu geringen Energie- bzw. Leistungsdichte von Batteriesystemen nicht in allen Flugzeugklassen vollständig entkarboniseren. Daher stehen neben der Elektrifizierung auch neuartige Energieträger im Fokus.

Neue Möglichkeiten durch Elektrifizierung

Durch die Fortschritte im Bereich der Batteriespeichertechnik und der elektrischen Energiewandler erhält die Elektromobilität zunehmend Einzug in die Luftfahrtindustrie. Die Möglichkeiten erstrecken sich dabei über eine Vielzahl an Leistungs- sowie Flugzeugklassen.

Trotz der höheren Effizienz der elektrischen Antriebskomponenten wird der Einsatz von Li-Ionen-Batterien als Energiespeicher durch die im Vergleich zu z.B. Kerosin deutlich geringere gravimetrische Energiedichte begrenzt. Ein batterieelektrisches Antriebssystem für ein Kleinflugzeug mit einer Mission über 500 km wiegt daher mehr als viermal so viel wie System mit Verbrennungsmotor. Dadurch reduziert sich die Anwendung für batterielektrische Luftfahrtantriebe auf Kurzstrecken- und Experimentalflugzeuge, die so emissionsfrei betrieben werden können.

In der Fahrzeugindustrie sind hybride Antriebssysteme mittlerweile weitverbreitet. Dabei ist die Skalierung des elektrischen Systems, sowohl hinsichlich Energie als auch Leistung, sehr breit gestreut. Auch in der Luftfahrt kann die Hybridisierung zu einer Verbesserung der Systemeffizienz und damit einer Emissionsreduktion beitragen. Beispielsweise kann ein Elektromotor in einem parallelhybriden Antrieb während Start und Steigflug zusätzliche Leistung freigeben, sodass das für den Reiseflug eingesetzte Triebwerk kleiner und damit sparsamer ausgelegt werden kann.

Darüber hinaus ergeben sich durch die Elektrifizierung neue Optionen für den Leistungstransfer zwischen den Wellen eines Mehrwellentriebwerks, um so die Effizienz des Antriebs zu steigern und zu einer Emissionsreduktion beizutragen.

Synthetische Kraftstoffe

Um die Emissionen von bestehenden Flugtriebwerken zu senken, werden derzeit synthetische Kraftstoffe erforscht. Diese binden bei ihrer Herstellung CO2 aus der Atmosphäre, das bei der Verbrennung im Triebwerk oder Kolbenmotor wieder freigesetzt wird. Diese CO2-Neutralität führt bereits bei der Beimischung zu fossilen Kraftstoffen zu einer reduzierten Umweltbelastung. Gegenwärtig erfordert die Produktion nachhaltiger Kraftstoffe einen hohen Energiebedarf. Im Vergleich zu fossilen Kraftstoffen resultiert daraus ein erhöhter Literpreis.

Wasserstoff als Energiespeicher

Aufgrund seiner hohen gravimetrischen Energiedichte verfügt Wasserstoff über ein großes Potenzial, um die Luftfahrt langfristig emissionsfrei zu gestalten. Für ein geringes Tankvolumen muss der Wasserstoff kyrogen, also flüssig mitgeführt werden. Dies stellt die Industrie vor neue Herausforderungen im Bereich der Tankisolierung, da der Wasserstoff bei ca. -253°C transportiert werden muss.

Neben dem Einsatz als Kraftstoff in Kolbenmotoren und Strahltriebwerken kann der Wasserstoff in einer Brennstoffzelle in elektrische Energie gewandelt werden. Diese Kombination ermöglicht langfristig einen rein elektrischen Antrieb auch für längere Flugdistanzen.

 

Relevante Referenzen

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    Köhler, Jo & Jeschke, Peter. (2021). Conceptual design and comparison of hybrid electric propulsion systems for small aircraft. CEAS Aeronautical Journal. 10.1007/s13272-021-00536-4.
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    Hofmann, Jan-Philipp & Stumpf, Eike & Weintraub, Daniel & Köhler, Jo & Pham, Duc & Schneider, Michael & Dickhoff, Jens & Burkhart, Bernhard & Reiner, Gerhard & Spiller, Martin & Werner, Ernst. (2019). A Comprehensive Approach to the Assessment of a Hybrid Electric Powertrain for Commuter Aircraft; AIAA AVIATION Forum. 
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    Kloos, Vadim & Speak, Trevor & Sellick, Robert & Jeschke, Peter. (2018). Dual Drive Booster for a Two-Spool Turbofan: High Shaft Power Offtake Capability for MEA and Hybrid Aircraft Concepts. V001T01A007. 10.1115/GT2018-75501.