Emissionsarm elektrisch Fliegen: Was sind die Herausforderungen für elektrische Antriebe in der Luftfahrt?
Elektrisches Fliegen bietet eine Reihe von Vorteilen: Es ist lokal emissionsfrei, wesentlich leiser und sehr energieeffizient. Doch welche technologischen Hürden gilt es noch zu nehmen, bis Elektromobilität in die Luft gehen kann? Über diese Herausforderungen, die bei der Realisierung von Flugzeugen mit elektrischem Antrieb auftreten, tauschten sich mehr als einhundert Vertreter aus Wissenschaft und Industrie am 18. und 19. Februar 2016 beim Symposium E²Fliegen in Stuttgart aus. Das vom Institut für Technische Thermodynamik des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR), dem Institut für Flugzeugbau (IFB) der Universität Stuttgart und der Einrichtung DLR-Flugexperimente veranstaltete Symposium brachte zum zweiten Mal Akteure aus ganz Europa zusammen, die auf dem Gebiet des elektrischen Fliegens forschen und arbeiten.
Im Interview gibt Prof. Josef Kallo, Koordinator in der Gruppe Energiesystemintegration am DLR-Institut für Technische Thermodynamik, Leiter des Instituts für Energiewandlung und -speicherung an der Universität Ulm und Projektleiter HY4, einen Einblick ins Thema.
Wie ist der aktuelle Stand auf dem Gebiet des elektrischen Fliegens?
Prof. Josef Kallo: Am DLR arbeiten wir gerade intensiv am Projekt HY4 – dem weltweit ersten Passagierflugzeug, das ausschließlich mit einem Brennstoffzellen-Batterie-System angetrieben wird. Aktuell bauen wir die dazu benötigten Antriebskomponenten in das Flugzeug ein. Im Sommer wollen wir zum Erstflug abheben und so nachweisen, dass auch Passagierflüge mit diesem Hybridsystem möglich sind. Weltweit gibt es viele interessante Projekte im Bereich des elektrischen Fliegens: Bei der NASA arbeiten Forscher an einem batteriebetriebenen Flugzeug mit zehn, über die Tragflächen verteilten Elektromotoren, das auf sehr kurzen Strecken abheben können soll. Auch die Kollegen der japanischen Luft- und Raumfahrtagentur JAXA sind auf diesem Gebiet aktiv und haben ein sehr interessantes, modulares und ebenfalls batteriebasiertes Antriebskonzept vorgestellt.
Was wird in den nächsten zehn Jahren realistisch möglich sein?
Kallo: Elektrische Antriebe werden definitiv im Bereich General Aviation Einzug halten, sprich in Leicht-, Geschäftsreise- und Privatflugzeugen zum Einsatz kommen. Mit heutiger Antriebstechnologie kann man Flugzeuge mit vier bis sechs Sitzen für die Kurzstrecke realisieren. Im Bereich der kommerziellen Luftfahrt zeigen erste Studien, dass Antriebskonzepte für ein Regionalflugzeug mit bis zu 40 Sitzen und einer Reichweit von bis zu 700 Kilometern durchaus machbar sind, auch wenn die technischen Herausforderungen groß sind. Das Thema elektrisches Fliegen wird sicher in den nächsten Jahren viel Interesse erfahren.
Für welche Anwendungsszenarien und Marktbereiche sind elektrisch betriebene Flugzeuge interessant?
Kallo: Aus unserer Sicht eignen sich elektrisch betriebene Flugzeuge vor allem dazu, als Air Taxis die Regionalflughäfen, die ein- oder zweihundert Kilometer auseinanderliegen, besser zu vernetzen oder mit größeren Flughäfen zu verbinden. Hier ist die Zeitfrage oft ein entscheidendes Kriterium. Die Europäische Union hat sich mit den ACARE-Zielen, neben der Minderung von Emissionen auch die Aufgabe gestellt, ihren Bürgern die europaweite Reise von Tür zu Tür in nur vier Stunden zu ermöglichen. Ersten Berechnungen zufolge können elektrische Antriebe aufgrund ihrer höheren Effizienz als Baustein für diesen Anwendungsfall durchaus konkurrenzfähig sein – wenn man die Entwicklungskosten separat betrachtet. Die für diesen Bereich benötigte Technologie wird relativ zeitnah zur Verfügung stehen. Ob sich dann ein Markt dafür ergibt, ist eine andere Frage. Für den Bereich der größeren Flugzeuge werden die nächsten zehn Jahre genutzt werden, um entsprechende Schlüsseltechnologien und Konzepte zu identifizieren und gezielt für die Anwendung in der Luftfahrt weiterzuentwickeln. Das ist auch mit wirtschaftlichen Herausforderungen verbunden. Denn die Voraussetzungen für die Zulassung sind in der Luftfahrt wesentlich andere als zum Beispiel im Automobilbereich.
Welche Herausforderungen gibt es speziell bei der Antriebtechnik noch zu lösen?
Kallo: Was die Antriebstechnik betrifft, liegt definitiv ein Schwerpunkt auf dem Zusammenspiel von Elektromotor, Leistungselektronik und Energieverteilung. Wichtig ist es hier, die notwendige Zuverlässigkeit zu erreichen sowie die für die Zulassung im Luftverkehr notwendigen Redundanzen im System zu schaffen. Bei Batterien gilt es, die Zyklenstabilität weiter zu steigern und maßgeschneiderte Systeme für die Anwendung im Flugzeug auszulegen und zertifiziert zu bekommen. Im Bereich der Brennstoffzellenentwicklung stehen Regelungsstrategien im Vordergrund, um diese bei unterschiedlichen Flughöhen möglichst effizient und zuverlässig betreiben zu können.
Gibt es technologische Hürden, die auf absehbare Zeit noch nicht bewältigt werden können?
Kallo: Im Bereich General Aviation sehe ich keine technologischen Hürden. Anders sieht es bei der kommerziellen Luftfahrt aus. Die Hürde ist hier die Antriebstechnik selbst, bei der wir große elektrische Leistungen und damit hohe Spannungen handhaben müssen. Hier gibt es sehr dezidierte Vorschriften und Richtlinien, die es bereits bei der Entwicklung und Auslegung zu beachten gilt. Generell werden wir je nach Anwendungsszenario unterschiedliche technologische Wege beschreiten und Hybridsysteme nutzen. Ähnlich wie im Automobilbereich beispielsweise Batteriesysteme mit Brennstoffzellen, Gasturbinen oder Verbrennungsmotoren kombinieren.
Wie wird elektrisches Fliegen den Luftverkehr insgesamt verändern?
Kallo: Gerade im kürzeren Streckenbereich hat elektrisches Fliegen das Potenzial, als Türöffner zu dienen – um neue Verkehrskonzepte aufzubauen und zu erproben und gleichzeitig auf sehr effiziente, emissionsarme bis hin zu komplett emissionslose Technologien zu setzen. In Zukunft werden wir auf der ganzen Welt immer mehr städtische Ballungsräume und Megacities haben, die sich über mehr als hundert Kilometer ausdehnen und mehr als zehn Millionen Einwohner haben. Hier stellt sich die Frage, ob wir mit einem rein bodengebundenen Verkehr noch flexibel genug agieren können oder für Transport auch auf den Luftraum zurückgreifen müssen. Effiziente, elektrisch betriebene Flugzeuge würden sich hier besonders gut eignen, um die urbane Umweltproblematik nicht weiter zu verschärfen. Eine weitere Einsatzmöglichkeit wäre die schnelle Anbindung strukturschwächerer Gebiete an größere Zentren mit wenig zusätzlicher Infrastruktur.