Brennstoffzellenbasierter Antriebsstrang für Luftfahrzeuge 1,5+ MW
BALIS
Ansicht des BALIS Testfelds
Untersuchung der einzelnen Kernkomponenten (Brennstoffzellen, Flüssigwasserstofftank, Batterie und Elektromotor) und ihres Zusammenspiels in einer bodengestützten Testumgebung
Die Senkung der Treibhausgasemissionen im Luftverkehr ist eine herausfordernde und weitgehend ungelöste Aufgabe. Während für Langstreckenflugzeuge aktuell Sustainable Aviation Fuels verfolgt werden, bietet sich mit der Brennstoffzellen-Technologie eine vielversprechende Alternative für z.B. Regionalflugzeuge. Diese Technologie ermöglicht es aus der Reaktionsenergie von grünem Wasserstoff und Sauerstoff, elektrische Energie zur Verfügung zu stellen und gleichzeitig Treibhausgasemissionen zu vermeiden. Um Regionalflugzeuge mit 40 bis 60 Sitzplätzen und einer Reichweite von 1.000 Kilometern zu ermöglichen, ist eine erhebliche Hochskalierung der bestehenden Komponenten erforderlich. Bisherige Demonstrationsflüge bewegen sich in einer Größenordnung von rund 600kW1 Fuel-Cell Leistung.
Zur Demonstration dieser Hochskalierung auf 1,5 MW hat das DLR im Rahmen des Projekts BALIS (Brennstoffzellenbasierter Antriebsstrang für Luftfahrzeuge 1,5+ MW) mit mehreren Industriepartnern eine einzigartige Testumgebung gebaut. Die Kernkomponenten bestehend aus einem Brennstoffzellensystem, einem Tank für flüssigen Wasserstoff, einem Hochleistungs-Elektromotor, einer Batterie sowie der Steuerungs- und Regelungstechnik samt der dazugehörigen Infrastruktur (s. Abbildung 1). Über eine Schaltmatrix lassen sich die Komponenten sowohl einzeln als auch gekoppelt betreiben und testen. So ist es möglich, für jede Komponente und das Gesamtsystem beliebige Lastfälle für ein Luftfahrzeug zu simulieren und zu untersuchen.
Ein beispielhaftes Lastprofil ist in Abbildung 2 dargestellt. Hier wird zunächst die Bewegung zur Startbahn mit einer geringen Geschwindigkeit simuliert. Bei der anschließenden Startphase wird für 10 Minuten die maximale Systemleistung abgerufen. Anschließend steigt das Luftfahrzeug mit einer hohen Leistung von 1,2 MW innerhalb von 20 Minuten auf die gewünschte Reisehöhe, die abschließend für 60 Minuten bei mittlerer Leistung gehalten wird.
Die vom Bundesministerium für Verkehr und digitale Infrastruktur (BMVI) mit 26 Millionen Euro geförderte Testumgebung wird auf dem Innovations Campus Empfingen bei Stuttgart in mehreren Modulcontainern errichtet. Koordiniert durch das DLR hat der industrielle Systementwickler AVL die notwendige Mess- und Versuchsinfrastruktur aufgebaut. Die flugrelevanten Kernkomponenten sind in Zusammenarbeit mit mehreren Technologiepartnern entwickelt und in die Testumgebung integriert worden. Der Bauzeitraum begann im Oktober 2021 und die Demonstration des Gesamtsystems erfolgte bis zum Projektende im Juni 2023.
Die BALIS Testumgebung ermöglicht es, sowohl die Kernkomponenten eines Antriebsstranges basierend auf Brennstoffzellen und/oder Batterien als auch deren Wirkung auf das gesamte Antriebssystem realitätsnah und einfach zu testen. Somit kann die Testumgebung zu einer schnelleren Entwicklung der Komponenten beitragen und damit die Marktreife brennstoffzellen- oder batteriebasierter Luftfahrtsysteme beschleunigen.
1 Universal hydrogen Co, K. Gundry, Universal Hydrogen Successfully Completes First Flight of Hydrogen Regional Airliner, Press Release; March 2, 2023
