Wasserstoffelektrische Antriebe für die Luftfahrt

Der Luftverkehr muss in Zukunft sauberer werden und leiser. Um das zu erreichen, braucht es hochinnovative Lösungen für umweltfreundliche Flugantriebe. Besonders vielversprechend sind hier Hybridsysteme, die Brennstoffzellen und Batterien vereinen. Sie erreichen nicht nur deutlich höhere Reichweiten als reine E-Flieger, sondern bieten auch das technologische Potential für ein Upscaling hin zu größeren Leistungsklassen. Um den Weg bis zur industriellen Herstellung und gewerblichen Verwertung dieser anspruchsvollen Technologie zu beschleunigen, fördert das Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWi) den Forschungsverbund EnaBle mit acht Millionen Euro. Beteiligt an dem Konsortium sind die Firmen Diehl Aerospace und MTU Aero Engines, zwei führende Industrieunternehmen aus dem Luftfahrtbereich, sowie das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR), die DLR-Ausgründung H2Fly und die Universität Ulm.

„Wir arbeiten gemeinsam an der Entwicklung eines hybridelektrischen Antriebs bestehend aus Brennstoffzelle, Batterie, Leistungselektronik und Power Management System. Das konkrete Ziel, das wir dabei erreichen wollen, ist die zeitnahe industrielle Umsetzung für leichte Motorflugzeuge mit bis zu 19 Sitzen“, erklärt Ronny A. Knepple. Der Ingenieur verantwortet den Bereich Energiesysteme bei der Diehl Aerospace. Das Unternehmen, das den Forschungsverbund EnaBle koordiniert, ist Technologieführer für Avionik-Systeme und Spezialist für Cockpit-Ausrüstungen.

Wie funktionieren solche Hybridsysteme eigentlich? „Die Brennstoffzelle produziert Strom aus Wasserstoff und stellt damit die energetische Grundlage des Propellerantriebes sicher. Lithium-Ionen-Batterien liefern während des Starts oder Steigfluges zusätzliche Leistung, die benötigt wird, um die Reiseflughöhe zu erreichen“, sagt Dr. Caroline Willich, Wissenschaftlerin vom Institut für Energiewandlung und -speicherung der Universität Ulm. Die Ingenieurin leitet gemeinsam mit ihrer Instituts­kollegin Dr. Christiane Bauer die Ulmer Teilprojekte. An der Uni Ulm soll unter anderem das Luft­versorgungs­modul für die Brennstoffzellen entwickelt werden. „Die Brennstoffzellen, die hier zum Einsatz kommen, werden mit Druckluft betrieben. Die Druck-Aufladung macht die Brennstoff­zellen effizienter und ermöglicht höhere Leistungen. Dies ist besonders in Flugzeugen von großem Interesse, denn diese bewegen sich in großer Höhe und damit im Unterdruck­bereich“, erläutert Willich.

In der Ulmer Verantwortung liegt auch die Entwicklung und Optimierung des Leistungsmanagementsystems. Dieses muss präzise, schnell und ausfallsicher dafür sorgen, dass die Batterie bei hohem Leistungsbedarf zusätzliche Energie für den Antrieb zur Verfügung stellt und während des Fluges wieder geladen werden kann. Das Leistungsmanagementsystem soll dabei in der Lage sein, auf die Anforderungen unterschiedlicher Flugprofile präzise und anwendungsnah zu reagieren. Ein ganz besonderes Alleinstellungsmerkmal am Brennstoff­zellen-Forschungs­standort Ulm ist ein Teststand, der in eine klimatisierte Unterdruck­kammer integriert ist. So können ganze Antriebs­strang­systeme unter realistischen, flugrelevanten Bedingungen charakterisiert und getestet werden.

Modularisierung erhöht Skalierbarkeit und erleichtert Wartung und Reparatur

Ein ganz zentraler Aspekt bei der Entwicklung des Antriebsstrangs ist die Modularisierung. Die Verbundpartner wollen damit einerseits die Skalierbarkeit des Systems erhöhen, die letztendlich entscheidend dafür ist, dass ein Prototyp industriell in Serie gehen kann. Andererseits begünstigt ein modulares Entwicklungs­konzept auch die Fehlererkennung und -behebung und sorgt so für Erleichterungen bei der Wartung und Reparatur, was wiederum mehr Sicherheit bringt. Hard- und Software müssen dafür optimal aufeinander abgestimmt sein.

Entscheidend für den Projekterfolg ist nicht zuletzt die generische Rechnerplattform, die im Rahmen von EnaBle entwickelt und eingesetzt werden soll, samt umfassender Steuerungs- und Regelungsalgorithmen, die für einen effizienten und reibungslosen Betrieb des Antriebs­strangs sorgen sollen. Diehl Aerospace stellt dafür eine sogenannte Integrierte Modulare Avionik (IMA) zur Verfügung. Die Abkürzung bezeichnet eine modulare rechnergestützte Elektronik­einheit aus standar­disierten Komponenten und Schnittstellen, die im Flugzeug dafür sorgt, dass die verschiedenen Systeme miteinander kommunizieren können.

Das Institut für Technische Thermodynamik am DLR kümmert sich speziell um die Entwicklung des Brennstoffzellen- und Batterie­systems. An der Universität Ulm – wie bereits beschrieben – konzentriert man sich insbesondere auf das Luftver­sorgungsmodul für die Druckluft-Brennstoffzelle, das ausfallsichere Leistungs­management sowie die Prüfung des neuen hybriden Gesamt­antriebs­stranges in der Uni-eigenen Testanlage mit klimatisierter Unterdruckkammer. MTU Aero Engines, führender deutscher Triebwerkhersteller, arbeitet an der Gesamtintegration des Entwicklungskonzepts für Flugzeuge aus der Klasse der 19 bis 80 Sitzer. Die DLR-Ausgründung H2Fly widmet sich im Rahmen von EnaBle insbesondere der Klärung sicherheits­technischer Anforderungen und Fragen der Zulassung.

„Industrieunternehmen, Forschungs­einrichtungen und Ausgründungen arbeiten bei EnaBle Hand in Hand. Letztendlich geht es um den Aufbau einer Gesamt­system­kompetenz für Brenn­stoffzellen-Batterie-Hybride, die dazu beitragen wird, den Technologie­standort Deutschland zu stärken und neue Arbeits­plätze zu schaffen“, sind die Projekt­partner überzeugt. Aber auch die Universität Ulm und ihre Studierenden profitieren von diesem industrie­nahen Verbund­projekt: „EnaBle gibt unseren Nachwuchs­wissenschaft­lerinnen und Wissen­schaftlern die Chance, anwendungs­nahe Forschung in einem hoch­innovativen Umfeld zu betreiben. Unsere Ingenieure und Ingenieu­rinnen lernen dabei, nach Normen und Qualitäts­richtlinien zu arbeiten, die Industri­alisierung von Produkten vorzu­bereiten und gleich­zeitig Zukunfts­technologien weiter­zutreiben“, betont Dr. Bauer. (Quelle: Uni Ulm)

Link: Institut für Energiewandlung und -speicherung (EWS), Universität Ulm

Bild: Wissenschaft­lerinnen des Instituts für Energie­wandlung und -speicherung verfolgen am Monitor Kamerabilder aus dem Inneren des Teststands (Quelle: U. Ulm, E. Eberhardt)

Kommentar verfassen

Trage deine Daten unten ein oder klicke ein Icon um dich einzuloggen:

WordPress.com-Logo

Du kommentierst mit Deinem WordPress.com-Konto. Abmelden /  Ändern )

Google Foto

Du kommentierst mit Deinem Google-Konto. Abmelden /  Ändern )

Twitter-Bild

Du kommentierst mit Deinem Twitter-Konto. Abmelden /  Ändern )

Facebook-Foto

Du kommentierst mit Deinem Facebook-Konto. Abmelden /  Ändern )

Verbinde mit %s