Wasserstoffelektrische Antriebe für die Luftfahrt

Effizientes, sicheres und damit kom­merziell nutzbares hybridelek­trisches Fliegen : So lautet das Ziel des Forschungsver­bunds EnaBle, der vom Bun­desmin­is­teri­um für Wirtschaft und Energie mit ins­ge­samt 8 Mil­lio­nen Euro gefördert wird. Dabei geht es um die Weit­er­en­twick­lung und Opti­mierung eines hochin­no­v­a­tiv­en Hybri­dantrieb­ssys­tems für den Flugverkehr, das Brennstof­fzellen und Bat­ter­iesys­teme vere­int. Herzstück ist ein elek­trisches 250 kW Antrieb­sstrang­mod­ul, bei dem Druck­luft-gespeiste Brennstof­fzellen zum Ein­satz kom­men. Beteiligt an dem Pro­jekt, das von Diehl Aero­space geführt wird, ist auch die Uni­ver­sität Ulm.
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 8 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.“
— 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. Chris­tiane Bauer.