Ideen für elektrische Flugzeugantriebe von morgen
Dass der Flugverkehr zu der durch Treibhausgase verursachten Umweltbelastung beiträgt, ist kein Geheimnis. Es gibt aber bereits Maßnahmen und Entwicklungen, die den Treibstoffverbrauch von Flugzeugen reduzieren und damit die Umwelt weniger belasten. Der Umstieg von fossilem Kerosin auf klimafreundliche Energiequellen ist daher auch eines der Kernthemen der Luftfahrtforschung des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR).
Neue Flugzeuggenerationen können bereits auf Optimierungen der Gasturbinentechnologie und verbesserte Aerodynamik oder auf neuartige Leichtbauwerkstoffe und -strukturen zurückgreifen. So sind moderne Flugzeuge bereits heute umweltfreundlicher und effizienter als noch vor einigen Jahren. Trotzdem stehen die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler vor immer neuen Herausforderungen – auch im Bereich umweltfreundlicher Antriebslösungen.
Emissionsfreie Antriebsalternativen und ihre Klimawirkung
Es gibt mehrere Möglichkeiten, klimaneutrale Energiespeichertechnologien in Flugzeugen mit Verbrennungsmotoren einzusetzen. Eines davon ist das synthetische Kerosin. In der Herstellung werden aus Synthesegas bestehend aus Kohlenmonoxid (CO) und Wasserstoff (H2) Treibstoffe hergestellt. Dieser alternative Treibstoff wird schon heute als sogenannter Drop-in Treibstoff konventionellem Kerosin beigemischt und in sehr kleinen Mengen bereits eingesetzt. Eine andere Möglichkeit bieten mit Wasserstoff betriebene Gasturbinen.
Bei der Bewertung der Umweltbelastungen durch den Flugverkehr, ist allerdings zu bedenken, dass es neben CO2 noch weitere klimaschädliche Emissionen gibt. Für einen effizienten Betrieb von Gasturbinen ist eine Verbrennung unter hohen Temperaturen und unter Druck notwendig. Dabei entstehen als Nebenprodukte zum Beispiel Stickoxide (NOx), die ebenfalls eine Klimabelastung darstellen. Beim Einsatz von Wasserstoff werden CO2-Emissionen komplett eliminiert und auch Nebenprodukte wie Schwefeloxide (SOx) oder Stickoxide (NOx) können weitgehend vermieden werden. Wasserdampf, als Nebenprodukt der Kerosinverbrennung und Hauptemission der Wasserstoffverbrennung, beeinflusst jedoch weiterhin die Auswirkungen auf das Klima unter anderem mit der Bildung von Kondensstreifen und Kondensstreifenzirren, was zukünftig noch eingehender zu untersuchen ist.
Es wird also deutlich: Kohlendioxidneutrale Technologien in verbrennungsbasierten Konzepten emittieren zwar weniger Schadstoffe, nehmen aber trotzdem Einfluss auf das Klima haben. Diese Einflüsse müssen noch besser verstanden und detaillierter bewertet werden. Elektrische Antriebe sind die derzeit einzige bekannte Alternative, die völlig ohne Emissionen am Flugzeug auskommt, denn sie benötigen keine Verbrennung für ihren Betrieb.
Sind sie die Wegbereiter für eine emissionsfreie Luftfahrt? Und welche Möglichkeiten gibt es hier?
Die Elektrifizierung der Luftfahrt
Eine klimaneutrale Energiequelle für Elektromotoren könnten mit erneuerbarer Energie aufgeladene Batterien sein. Eine andere Möglichkeit sind Wasserstoffbrennzellen, die keine Stickoxide erzeugen und deren Wasserdampf nicht so schädlich ist, solange das Flugzeug in ausreichend geringer Höhe fliegt. Für eine CO₂-Minderung ist es darüber hinaus nur sinnvoll Wasserstoff einzusetzen, der aus regenerativen Quellen erzeugt wurde.
Flugzeuge mit Batterie-elektrischem Antrieb
Die Vorteile liegen auf der Hand: Batterie-elektrische Antriebe sind die einzigen, die Flugzeuge komplett ohne Emissionen in die Luft bringen können. Sie haben eine ausreichende Leistungsdichte um als primäre Leistungsquelle verwendet zu werden. Zusätzlich verursachen steigenden Höhen kaum einen Leistungsverlust Was dazu führt, dass sie in sehr großen Höhen schnelle Geschwindigkeiten erreichen können.
Doch natürlich haben auch batteriebetrieben Flugzeuge ihre Nachteile: so haben sie im Vergleich zu den Brennstoffen, eine sehr niedrige Energie- und Leistungsdichte. Daraus ergibt sich eine relativ geringe Reichweite. Batterien sind nach derzeitiger Technologiereife etwa 60 Mal schwerer als chemische Energieträger wie Kerosin. Modernste Batterien ermöglichen bei entsprechend konstruierten Flugzeugen kurzfristig eine maximale Reichweite von rund 200 Kilometern. Allerdings versprechen technische Fortschritte mittelfristig höhere Leistungen, die Reichweiten von mehr als 500 Kilometern zulassen. Interkontinentalflüge, die ausschließlich mit Batterieantrieben stattfinden, werden aber nach derzeitigem Forschungsstand auch langfristig nicht möglich sein.
Flugzeuge mit batterie-elektrischem Antrieb sind prädestiniert für Reisen innerhalb von Ballungsgebieten oder als Zubringerflugzeug zu größeren Flughäfen. Darüber hinaus eigenen sie sich für Senkrechtstarts auf hochliegende Flughäfen und sind daher für den Betrieb von Air Taxis interessant.
Flugzeuge mit Batterien-hybrid-elektrischem Antrieb
Es besteht jedoch auch die Möglichkeit, unterschiedliche Antriebsarten miteinander zu kombinieren und so von den jeweiligen Vorteilen zu profitieren. Ergänzt man beispielsweise das batteriebetriebene System mit einer Verbrennungsmaschine, kann die geringe Energiedichte von Batterien durch hybrid-elektrische Architekturen verschiedener Ausführungen kompensiert werden. Das Problem der begrenzten Reichweite von batteriebetriebenen Flugzeugen kann also mithilfe eines Range-Extenders auf Verbrennungsbasis – zum Beispiel einer Gasturbine – gelöst werden.
Die Kombination elektrischer Antriebe mit alternativen Kraftstoffen ermögliche zum Beispiel am Flughafen einen emissionsfreien batterie-elektrischen Betrieb, während der Reiseflug zumindest CO₂-neutral möglich wäre. Perspektivisch wären mit solch einer Kombination umweltneutrale Flugzeuge realisierbar, die Reichweiten eines Airbus A320 fliegen können.
Eine weitere Möglichkeit ist Batterien nur als Unterstützung des Primärantriebes zu verwenden. Dabei kann man die Operation des Flugzeuges in den inneffizienten Operationszuständen, wie zum Beispiel Taxi oder Sinkflug, mit dem hocheffizienten elektrischen Antrieb unterstützen. Zusätzlich können solche Batterien auch Flugzuständen mit hohen Leistungsanforderungen, wie etwa Start oder Durchstarten, unterstützen. Dies hat das Ziel die Auslegungsrandbedingung des Primärantriebs zu entlasten, was die Gesamteffizienz des Antriebes steigern kann.
Flugzeuge mit Brennstoffzellen-hybrid-elektrischem Antrieben
Obwohl nach wie vor großer Forschungsbedarf besteht, konnten in den letzten Jahren deutliche Fortschritte bezüglich Leistungsgewicht und Lebensdauer von Brennstoffzellen erzielt werden, sodass sie auch für die Luftfahrt interessant werden. Grundsätzlich existieren verschiedene Arten von Brennstoffzellen, wie beispielsweise die Solid Oxide-Brennstoffzelle (SOFC) oder die Proton Exchange Membrane-Brennstoffzelle (PEM). In der Regel wird Wasserstoff als Kraftstoff verwendet. Aus heutiger Sicht hat die Brennstoffzelle in Verbindung mit nachhaltig produziertem Wasserstoff langfristig das Potenzial, ausreichende Leistung und Reichweite für die kommerzielle Luftfahrt bereitzustellen. Damit wäre ein emissionsfreier Luftverkehr möglich. Doch die Brennstoffzellenentwicklung ist noch nicht so weit, dass sie ohne weiteres in der Luftfahrt bereits angewendet werden könnte. Sie befindet sich im Forschungs- und Entwicklungsstadium.
Aufgrund ihres Reifegrades, des hohen Leistungsgewichts und kurzer Reaktionszeit stellt sich die PEM als einzige derzeit in der Luftfahrt einsetzbare Technologie dar. Erfahrungen der letzten 20 Jahre und Investitionen im Automobilbereich sorgen dafür, dass die Dauerhaltbarkeit, Leistungsfähigkeit und Integration stark verbessert wurden.
Große Herausforderungen liegen unter anderem in der Energiespeicherung und insbesondere in der Kühlung. Ungefähr die Hälfte der Energie des verbrauchten Wasserstoffs wandelt die Brennstoffzelle in nutzbare Leistung um. Die restlichen 50 Prozent erzeugen Abwärme, die auf Temperaturen unter 100 Grad Celsius gekühlt werden muss. So braucht zum Beispiel ein neunsitziges Zubringerflugzeug mit PEM-Brennstoffzelle ein Megawatt Leistung. Ungefähr ein Megawatt Wärmeleistung wird dann an die Atmosphäre abgegeben. Ein Megawatt entspricht der Energie von etwa 1.000 Herdplatten, die irgendwo im Flugzeug platziert sein müssen.
Dieses Beispiel macht deutlich, wie notwendig ein effektives Kühlsystem ist. Es muss sehr große Mengen der von Brennstoffzellen produzierten Wärme an die Außenluft abführen können. Das wiederum führt zu einer erheblichen zusätzlichen Masse und einem signifikanten Luftwiderstand, was sich wiederum auf die optimale Auslegungsgeschwindigkeit des Flugzeugs auswirkt. Ein langsameres Flugzeug benötigt zwar einerseits weniger Leistung und somit weniger Kühlung, andererseits begrenzt diese geringere Geschwindigkeit aber die praktische Reichweite solcher Flugzeuge.
Herausforderungen des Technologiewandels
Schnell stellt sich die Frage, warum Antriebe mit Batterien oder sogar Brennstoffzellen in anderen Verkehrssektoren bereits möglich sind. Hier werden ständig neue elektrische Antriebstechnologien eingeführt, um die Belastungen für die Umwelt zu minimieren. Wieso geht das nicht auch in der Luftfahrt?
Ein Technologiewandel in der Luftfahrt ist ein langwieriger und kostenintensiver Prozess. Eine der größten Herausforderungen besteht in der Zulassung neuer Technologien. Das Zulassungsverfahren jedes neuen Flugzeugmodells, einschließlich seiner Subsysteme und Teilkomponenten, ist extrem zeitaufwändig und sehr kostspielig, da es natürlich den höchsten Sicherheitsansprüchen entsprechen muss. Hinzu kommt, dass bisher keine Zulassungsanforderungen für elektrische Antriebe definiert wurden. Außerdem ist die Technologiereife alternativer Antriebslösungen für die Luftfahrt noch sehr gering. Flugzeuge benötigen schließlich weitaus mehr Leistung als Fahrzeuge, aber es gibt beispielsweise noch keine Elektromotoren der Megawattklasse für Luftfahrtanwendungen. Darüber hinaus haben neue Antriebslösungen Auswirkungen auf das gesamte Flugzeug, die noch untersucht werden müssen. Die Luftfahrtforschung arbeitet gemeinsam mit der Industrie derzeit an mittelgroßen bis großen elektrisch angetriebenen Vorführmodellen, die eine gewisse Grundlage für die Lösung dieser Probleme bieten. Bei der Einführung dieser neuen Technologien muss außerdem die aktuelle Infrastruktur des Luftverkehrs bedacht werden, die für das Betanken mit Kerosin ausgelegt ist. Dies gilt insbesondere für die Nutzung von Wasserstoff als Treibstoff, aber auch das Aufladen oder den Austausch von Batterien, während das Flugzeug am Boden ist. Neue Infrastrukturen an Flughäfen sind natürlich sehr kostspielig.
Aufgrund der notwendigen Investitionen für die Forschung und Entwicklung, die Zulassung und die Infrastruktur sowie den damit verbundenen Risiken ist der Übergang zum umweltneutralen Luftverkehr ein langsamer und kostspieliger Prozess, der vielleicht nur durch konstante politische Unterstützung möglich wird.
Ein Ausblick: E-Flugzeuge werden in Betrieb und Wartung kostengünstiger
Nach anfänglichen Investitionen in die Entwicklung und Umsetzung der neuen Technologien wird die Herstellung, Wartung und Instandhaltung der elektrischen Flugzeugkomponenten günstiger sein, als sie es bei derzeitigen Antriebskonzepten ist. Das liegt daran, dass die elektrischen Komponenten weniger bewegte Teile beinhalten, als andere Antriebsformen. Die geringere Komplexität des Antriebssystems beim elektrischen Fliegen birgt zusätzlich auch das Potenzial, Wartungskosten zu reduzieren. Von der Instandhaltung der (hybrid-) elektrischen Konzepte kann insgesamt aber die ganze Wertschöpfungskette profitieren: von den Lagerkosten, über die Reduktion der Bauteile bis hin zu verlängerten Wartungsintervallen – hier spricht alles für die neue Form der Antriebe. Zur Abschätzung der Instandhaltungskosten müssen die Wissenschaftler und Wissenschaftlerinnen dann allerdings aktuelle Modelle entwickeln, die die neuartigen Flugzeugsystemarchitekturen und -komponenten berücksichtigen.
Wie gelingt die Energiewende in der Luftfahrt?
Für eine umweltschonende Luftfahrt müssen Zukunftstechnologien wie nachhaltige Kraftstoffe verbunden mit neuen Gasturbinenkonzepten, hybrid-elektrische Flugzeugen und Wasserstofftechnologien vorangetrieben werden.
Im Bereich alternative Kraftstoffe kann die Wirkung von Drop-In-Treibstoffen durch höhere Beimischungsraten maximiert werden. Als Ideal für eine minimierte Klimawirkung stellen sogenannten aromatenfreie Near-Drop-In-Treibstoffe dar. Derzeit gibt es allerdings keine Zulassung für solche Treibstoffe. Da das Beimischungslimit von 50 Prozent einen Sicherheitspuffer darstellt, sind zuverlässige Methoden zur Treibstoffbewertung und zum Flugzeugkomponentendesign erforderlich. Im Zusammenspiel von alternativen Kraftstoffen und neuen Gasturbinenkonzepten mit zum Beispiel schadstoffarmen Brennkammern lassen sich bei Near-Drop-In-Treibstoffen die CO₂-Emissionen um bis zu 80 Prozent, die Ruß- und Partikelemissionen um bis zu 90 Prozent und die NOₓ-Emissionen um fast 100 Prozent reduzieren.
Wesentlicher Forschungsbedarf zu elektrischem Fliegen besteht, neben der Komponentenentwicklung, im Systemverständnis der verschiedenen hybrid-elektrischen Varianten. Um diese Fragestellungen zu beantworten, sind sowohl numerische Analysen als auch systematische experimentelle, reale Flugversuche mit einem geeigneten Flugdemonstrator erforderlich. Außerdem muss die Leistungs- und Energiedichte aller Komponenten im System vergrößert werden, um so die Reichweite hybrid-elektrischer Flugzeuge zu erhöhen. Im Bereich Brennstoffzelle müssen die Wissenschaftler und Wissenschaftlerinnen das Wärmemanagement untersuchen und verbessern. Es gilt Fragen nach einer effizienten Speicherung von Wasserstoff zu beantworten. Die Experten müssen das Leistungs-Managementsystem untersuchen, erforschen und weiterentwickeln und auch die Frage, welchen Einfluss elektrische Antriebssysteme und -integrationen auf das Gesamtsystem haben, sollte Bestandteil der Forschung sein. Hier spielt unter anderem der Bereich der verteilten Antriebe und der Grenzschichteinsaugung eine Rolle. Um belegbare Aussagen für das Gesamtsystem treffen zu können, müssen die Forschenden eine enge Kopplung von Triebwerk und Flugzeug berücksichtigen. Hierfür ist es notwendig, die Triebwerksinnenaerodynamik und Flugzeugaußenaerodynamik parallel zu betrachten. Die Herausforderung liegt in der Erfassung und Verarbeitung des Systemzustands – angefangen mit den Regelungsplattformen bis hin zur Softwareeinbettung der Steuerungsalgorithmen. Leistungsverteilung und Betriebssicherheit sind der Schlüssel für die Einführung der elektrischen Antriebstechnologie. Da hier Redundanzen vorliegen müssen, kann die Betriebssicherheit nur mit einer modularen Leistungsverteilung erreicht werden.
Und auch bei der Wasserstoffverbrennung sind noch viele Fragen offen, insbesondere hinsichtlich seiner Klimawirkung. Um darauf Antworten zu finden, sind reale Experimente mit einem Flugdemonstrator notwendig. Durch die Umrüstung des Triebwerkes eines Regionalflugzeuges für die Wasserstoffverbrennung könnten Flugversuche durchgeführt werden, welche die Atmosphäreneinflüsse quantifizieren und die Effizienz der Technologie testen. So könnten die daraus gestammten Wasserdampfemissionen in der Atmosphäre untersucht werden, um deren komplexe Prozesse besser zu verstehen. Zunächst könnte die Kompatibilität mit Gasturbinen inklusive neuen Brennkammern erforscht werden und gleichzeitig der Zusammenhang zwischen Flugführung und die Wirkung der Wasserdampfemissionen weiterentwickelt, um die Klimawirkung dieser Technologie möglichst zu vermeiden.
Die Transformation der Luftfahrtindustrie verlangt vielfältige Investitionen in Entwicklung, Zulassung und Infrastruktur sowie die Unterstützung nationaler und internationaler politischen Entscheidungen. Die erfolgreiche Einführung von Schlüsseltechnologien für einen klimafreundlichen Luftverkehr führt zwingend über Flugversuche und damit über ein planmäßiges Demonstratoren-Programm. Bis dahin müssen aktuelle Flugzeuggenerationen durch Retro-fit-Lösungen ausgerüstet werden, um ihre Umweltauswirkung zu minimieren.
Wie funktioniert eine Brennstoffzelle?
Eine Brennstoffzelle ist eine elektrochemische Zelle zur direkten Umsetzung der chemischen Energie von Wasserstoff und Sauerstoff in Elektrizität. Bisher reicht das Leistungsgewicht der Brennstoffzelle mit etwa einem Kilowatt pro Kilogramm auf Systemebene für Luftfahrtanwendungen nicht aus, da zusätzlich noch Elektromotor und Tank zum Gesamtgewicht beitragen. Zum Vergleich: Ein reines Gasturbinensystem hat eine Leistungsdichte von etwa fünf bis 15 Kilowatt pro Kilogramm. Im Gegensatz zur Batterie ist die Brennstoffzelle ein Energiewandler, bei dem die Energie selbst ist in einem Tank gespeichert ist, der die Reichweite bestimmt. Emissionen wie Kohlenstoffdioxid, Ruß Stickoxid fallen bei Brennstoffzellen nicht an, da die Brennstoffzelle nicht auf einem Verbrennungsprozess, sondern auf einer katalytischen Reaktion basiert. Brennstoffzellen verursachen daher mit Ausnahme von Wasser keine Emissionen und zeichnen sich zudem durch einen hohen Wirkungsgrad von über 50 Prozent aus.