Wenn die Luftfahrt elektrisch wird, können wir regionale Strecken mit Flugzeugen zurücklegen, die weder Ruß noch Kohlendioxid ausstoßen. Im Institut für Technische Thermodynamik des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR) arbeitet ein interdisziplinäres Team an einem klimaverträglichen Flieger mit Wasserstoff-Brennstoffzellenantrieb.

Sie machen emissionsfreies Fliegen möglich: Projektleiter Prof. Josef Kallo und sein Kollege Steffen Flade vom DLR Institut Technische Thermodynamik (v.l.n.r.). © DLR/ Sebastian Berger

Der Zeitplan ist ehrgeizig: Mit seinem Team möchte Professor Josef Kallo noch in diesem Jahr ein bemanntes Flugzeug mit leistungsstarkem hybrid-elektrischen Antrieb in die Luft bringen; im kommenden Jahr sind Mittelstreckenflüge geplant. Dass die Technologie funktioniert, hat das DLR-Team bereits gezeigt: 2016 gelang ein erfolgreicher Testflug mit der Hy4 – dem weltweit ersten viersitzigen Passagierflugzeug mit Wasserstoff-Brennstoffzellentechnologie und Elektroantrieb. Seit diesem Meilenstein ist viel passiert: "Wir haben alle Subsysteme leistungsfähiger und zuverlässiger gemacht", erklärt Josef Kallo, der die Forschungsgruppe Energiesystemintegration des Instituts leitet. "Das bedeutet einen großen Schritt in Richtung Alltagstauglichkeit."

Zu seiner Gruppe gehören etwa 20 Forscherinnen und Forscher aus Maschinenbau, Luft- und Raumfahrttechnik, Elektrotechnik und anderen Fachbereichen. Bei der Weiterentwicklung der einzelnen Komponenten wie Brennstoffzellensystem, Antrieb, Wasserstoffspeicher oder Kühlung arbeiten sie eng mit industriellen und universitären Partnern aus der Luftfahrt- und Elektrotechnikbranche zusammen. Das gemeinsame Ziel: Emissionsfreies Fliegen mit Reichweiten bis zu 2.000 Kilometern bei einer Reisegeschwindigkeit von etwa 500 km/h. Denkbar wären zum Beispiel Flüge zwischen kleineren, regionalen Flughäfen und großen internationalen Drehkreuzen. Allein nach Frankfurt am Main fliegen jährlich rund 17 Millionen Passagiere aus einem Radius kleiner als 1.000 Kilometer. "Diese Flüge emissionsfrei durchzuführen, würde Anwohner und Umwelt erheblich entlasten", betont Josef Kallo. Elektrisches Fliegen verursacht weniger Lärm und ist "lokal emissionsfrei": Das bedeutet, dass das Flugzeug selbst keine Schadstoffe ausstößt. Für tatsächliche Emissionsfreiheit müssten der Wasserstoff und die elektrische Energie aber regenerativ erzeugt werden.

Seit über zehn Jahren arbeitet Prof. Josef Kallo an der Realisierung seines Traums: dem Einsatz schadstofffreier Brennstoffzellenflugzeuge in der Passagierluftfahrt. © DLR/ Sebastian Berger

 

Anwendungen verzahnen, die in die Luftfahrt drängen

 

"Wir haben im Institut für Technische Thermodynamik jahrelang die elektrochemische Energiespeicherung für terrestrische Anwendungen erforscht", sagt Projektleiter Josef Kallo. "Diese Erkenntnisse bringen wir jetzt in die Luft und profitieren dabei von den milliardenschweren Investitionen, die in den letzten 20 Jahren in die Entwicklung von Autos mit Elektro- und Brennstoffzellenantrieb geflossen sind." Das Team strebt die Skalierung des schadstofffreien Antriebssystems auf eine Passagierzahl von etwa 40 an, ähnlich heutigen Regionalflugzeugen. Mit einem rein batterie-elektrischen Antrieb ist das in der nahen Zukunft wohl nicht zu schaffen – weil Batterien sehr schwer sind. Sie wiegen etwa sechzig Mal so viel wie Kerosin mit demselben Energieinhalt. Daher setzt das Team auf einen hybriden Antrieb: Ein Wasserstoff-Brennstoffzellensystem – als Hauptenergiequelle – wird mit einer Hochleistungsbatterie gekoppelt, die Lastspitzen bei Start und Steigflügen abdeckt. Die hohe Energiedichte von Wasserstoff lässt sich dadurch mit der Emissionsfreiheit von Batterien kombinieren.

Mechatronik-Ingenieur Steffen Flade entwickelt den Antriebsstrang des Brennstoffzellen-Flugzeugs. © DLR/ Sebastian Berger

Für die Entwicklung des Antriebsstrangs ist Mechatronik-Ingenieur Steffen Flade verantwortlich. Der 35-Jährige hat seit 2013 das Brennstoffzellensystem mitentwickelt, das auf detaillierten Modellierungen, Simulationsrechnungen und Laborversuchen basiert, und das ergänzende Batteriesystem daran angepasst. Derzeit arbeitet er im Team daran, die Leistungsdichten von hybrid-elektrischen Antriebssträngen zu erhöhen, die heute noch unter denen von Verbrennungsmotoren liegen. Daneben stellt das Kühlsystem eine besondere Herausforderung dar. "Es muss in großen Höhen, bei Unterdruck und niedrigen Außentemperaturen funktionieren und dabei den sehr hohen Anforderungen an Sicherheit und Zuverlässigkeit in der Luftfahrt genügen", erklärt der Ingenieur. Seine Kolleginnen und Kollegen kommen nicht nur aus unterschiedlichen Fachbereichen, sondern auch aus verschiedenen Ländern, darunter Spanien, Ghana, Indien, Georgien und Deutschland; Arbeitssprachen sind Deutsch und Englisch. Das ist nicht ungewöhnlich im DLR, das in der internationalen Forschungsgemeinde einen ausgezeichneten Ruf genießt und schon Nachwuchstalenten vielseitige Einstiegsmöglichkeiten in spannende Projekte aus den Bereichen Luft- und Raumfahrt, Energie, Verkehr, Digitalisierung und Sicherheit bietet.

 

DLR als Vorreiter beim elektrischen Fliegen

 

Die modulare Technologie basiert auf einer flexiblen Architektur. Die Grundmodule mit jeweils 250 kW lassen sich mit Elektromotoren unterschiedlicher Leistung kombinieren. Die Brennstoffzelle wandelt den in mehreren Drucktanks mitgeführten gasförmigen Wasserstoff und Luftsauerstoff in Wasser und elektrische Energie um. Vor der Flugkampagne wird das Grundmodul des Brennstoffzellensystems im Labor in Charakterisierungs- und Funktionstests genau überprüft. Am Systemteststand wird anschließend kontrolliert, ob alle Einzelfunktionen des Gesamtsystems in Betrieb genommen werden können. Am Ende steht ein letzter Abnahmetest, bei dem selbstverständlich auch Steffen Flade im Labor sein wird. Danach folgt die Integration der Komponenten in den neu ausgelegten Demonstrator Hy4 und die Erprobung im Flug. Beim DLR, das als einzige Großforschungseinrichtung in Europa alle Aspekte des elektrischen Fliegens im Detail und bis hin zur Demonstration verfolgen kann, denkt man schon weiter. Für ein doppelmotoriges Regionalflugzeug wären zukünftig insgesamt 1,2 Megawatt pro Seite notwendig: eine spannende Herausforderung für das Team. "Wir müssen die Grundlagen der Technologien verstehen und weiterentwickeln, zugleich aber immer das große Ganze betrachten", bekennt Josef Kallo, der bereits seit 15 Jahren die Vision des emissionsfreien elektrischen Fliegens verfolgt. "Für die Bedürfnisse der Mobilität brauchen wir Alternativen – die Grenzen müssen in allen Bereichen verschoben werden."


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