Forschungsflugzeuge

Antares DLR-H2

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    Antares DLR-H2

    Die Antares DLR-H2 ist das weltweit erste pilotengesteuerte Flugzeug mit Brennstoffzellenantrieb.

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    CO2 frei durch die Luft

    Als Kraftstoff kommt Wasserstoff zum Einsatz. Ist dieser durch regenerativen Strom hergestellt, fliegt die Antares DLR-H2 klimaneutral. Der zusätzliche Luftwiderstand durch die Außenlastbehälter ist Vergleich zum Serienmodell Antares 20E weniger als 10 Prozent.

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    Brennstoffzellensystem im Außenlastbehälter

    Im Außenlastbehälter unter der linken Tragfläche befindet sich das Brennstoffzellensystem mit einer maximalen Leistung von 33 Kilowatt. Im rechten Außenlastbehälter ein Wasserstofftank mit einem Fassungsvermögen von fünf Kilogramm H2.

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    Einsatzfähig auch in mehr als 2000 Meter Höhe

    Im November 2009 konnte mit einer Flughöhe von 2558 Metern die Funktionsfähigkeit der Brennstoffzelle bei Unterdruckbedingungen bewiesen werden.

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Weltweit erstes pilotengesteuertes Flugzeug mit Brennstoffzellenantrieb

Das Forschungsflugzeug Antares DLR-H2 ist das weltweit erste bemannte und ausschließlich mit Brennstoffzellen angetriebene Flugzeug. Als Kraftstoff der Antares DLR-H2 kommt Wasserstoff zum Einsatz, ist dieser mit regenerativem Strom hergestellt, sind Start, Flug und Landung völlig CO2-frei. In einer direkten elektrochemischen Reaktion wird der Wasserstoff mit dem Sauerstoff der Luft -ohne Verbrennung- in elektrische Energie umgewandelt. Während dieser partikelfreien Reaktion entsteht ausschließlich Wasser als Reaktionsprodukt.

Der offizielle Erstflug der Antares DLR-H2 fand am 7. Juli 2009 in Hamburg statt, im  November 2009 konnte mit einer Flughöhe von 2558 Metern die Funktionsfähigkeit der Brennstoffzelle bei Unterdruckbedingungen in mehr als 2000 Metern Höhe bewiesen werden.

Modifikationen

Entwickelt wurde der Antrieb des Flugzeuges am DLR-Institut für Technische Thermodynamik in Stuttgart zusammen mit dem Projektpartner Lange Aviation. Als Basis dient der seit einigen Jahren bei Lange Aviation gebaute Motorsegler Antares 20E. Das Brennstoffzellensystem und der notwendige Wasserstoffspeicher wurden in zwei zusätzliche Außenlastbehälter eingebaut, die unter den dafür verstärkten Tragflächen angebracht wurden. 2009 wurde der elektrische Antrieb der Antares durch ein eigens entwickeltes Brennstoffzellen-System mit einer Effizienz von bis zu 52% elektrisch, vervollständigt. Dieses System wurde bereits im Großraumflugzeug ATRA zur Bordenergieversorgung getestet und liefert die elektrische Energie für den von Lange Aviation entwickelten Antriebsstrang, der aus der Leistungselektronik, Motor und Propeller besteht.

Ein neues Brennstoffzellensystem

In Zusammenarbeit mit Hydrogenics wurden im Jahr 2012, leistungsstärkere und kompaktere Brennstoffzellensysteme eingebaut. Die verbesserten Systeme nehmen ein geringeres Volumen ein, die Stacks inklusive Luftzuführung ordneten die Projektingenieure auf einem Board in der oberen POD-Hälfte an, unterhalb des Geräteträgers befindet sich jetzt ein Kühlluftkanal. Zusätzlich zu dem äußerst beschränkten Bauraum müssen beim Einbau der Komponenten immer die speziellen Anforderungen aus der Luftfahrt hinsichtlich Massenverteilung, Sicherheit und Leichtbau beachtet werden.

Im Außenlastbehälter der rechten Tragfläche ersetzen die Entwickler den bisherigen Tank mit zwei Kilogramm Fassungsvermögen Wasserstoff durch einen neuen, größeren Drucktank, der jetzt bei 350 bar fünf Kilogramm Wasserstoff fasst. In allen Bereichen des Brennstoffzellensystems überwachen Sensoren die Wasserstoffkonzentration in der Luft, um die Betriebssicherheit jederzeit zu garantieren. Darüber hinaus werden noch viele weitere Sensoren im Flugzeug eingebaut, um möglichst umfassend die Rahmenbedingungen des Betriebs erfassen zu können.

Weitere Antriebsmöglichkeiten

Eine Hybridisierung mit einer Li-Ion-Batterie soll 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 Reichweite setzt.

Mission

Antares DLR-H2 als fliegendes Testlabor

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 der Antares DLR-H2 kann das DLR unterschiedliche Architekturen von Brennstoffzellensystemen unter luftfahrtrelevanten Bedingungen wie Unterdruck, Temperatur, Beschleunigung und Vibration testen. Darüber hinaus wurden optische Sensoren für Verkehrsbeobachtung auf Fernstraßen als Nutzlast eingebaut. Diese ermöglichen die zeitnahe Feststellung von Verkehrsstaus und die Informationsweitergabe bspw. zur Stauumfahrung.

Kooperation von Luftfahrt- und Energieforschern

Für das Brennstoffzellenflugzeug Antares DLR-H2 haben im DLR-Luftfahrt- und Brennstoffzellenforscher eng zusammengearbeitet:

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 der Antares DLR-H2 gewährleistet, wobei die gegenwärtige Höchstgeschwindigkeit zirka 176 Stundenkilometer beträgt.

Brennstoffzellensystem direkt mit der Motorsteuerung verbunden

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 40 Prozent im besten Arbeitspunkt 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 Aeroelastik als auch die Berner Fachhochschule Biel und Lange Aviation wichtige Beiträge geleistet.

Technische Daten der Antares DLR-H2

Spannweite 20m
Rumpflänge 7,4m
Länge der Außenlastbehälter 2,87m
Leergewicht ca. 460kg
Maximalgewicht 875kg
Reichweite > 750km
Max. Leistung Brennstoffzelle ca. 33kW
Wirkungsgrad Brennstoffzelle bis 52%
DLR-Flugbetrieb Stuttgart

Die Brennstoffzelle in der Luftfahrt

In einem ersten Entwicklungsschritt realisierte das DLR gemeinsam mit Airbus Deutschland und einem weiteren Zulieferer die Notstromversorgung der Hydraulikpumpen zur Steuerung des DLR-Forschungsflugzeugs Airbus A320 ATRA über ein Brennstoffzellensystem. Im Sommer 2011 rollte das Forschungsflugzeug erstmals mit einem mit Brennstoffzellen betriebenen Bugrad. In einem weiteren Forschungsprojekt arbeiten DLR und Airbus daran, das komplette Hilfstriebwerk (englisch: APU - Auxiliary Power Unit) durch ein Brennstoffzellensystem zu ersetzen. Während die Haupttriebwerke stillstehen, liefern Hilfstriebwerke die Energie für die elektrischen Systeme - die unter anderem auch die Klimaanlage betreiben - und die Druckluftsysteme an Bord eines Flugzeugs. Mit der Antares DLR-H2 können diese spezifischen Brennstoffzellensysteme für die Luftfahrt kostengünstig getestet werden.

Förderung

Basis der Antares DLR-H2 ist der Motorsegler Antares 20E der rheinlandpfälzischen Firma Lange Aviation. Das Brennstoffzellen-System wurde im DLR gemeinsam mit Hydrogenics entwickelt. Das Forschungsprojekt wird vom Bundesministerium für Verkehr, Bau und Stadtentwicklung und der Nationalen Organisation für Wasserstoff- und Brennstoffzellentechnologie (NOW) gefördert.

Zuletzt geändert am:
26.09.2013 15:29:02 Uhr