Antriebe und Hybrid-elektrisches Fliegen

Quelle: MTU Aero Engines

Auch in Zukunft wird der Antrieb einen wesentlichen Teil der notwendigen Emissionsminderungen in der Luftfahrt liefern müssen. Weiterentwickelte Turbomaschinen und Turbomaschinen mit neuen Kreisprozessen können in Verbindung mit nachhaltigen Brennstoffen schrittweise die Klimawirkung der Luftfahrt deutlich reduzieren. Noch größeres Potenzial für eine emissionsfreie Luftfahrt bieten langfristig elektrische Antriebe auf Basis von Wasserstoff-Brennstoffzellen und mit Wasserstoff betriebenen Gasturbinen.

Weiterentwicklung der Turbomaschine

Eine bedeutende Neuentwicklung der letzten Jahrzehnte im Bereich der Flugantriebe ist das Getriebefan-Triebwerk. Aktuelle Studien zeigen, dass auf Basis des Getriebefan Prinzips weitere Verbesserungen in allen Anwendungsbereichen möglich sind. Weiterentwicklungen versprechen eine weitere Absenkung des Brennstoffverbrauchs je nach Anwendung um 25 bis 35 Prozent gegenüber einem Triebwerk aus dem Jahr 2000. Das Getriebefan – Triebwerk wird daher noch für lange Zeit den Standardantrieb für große Passagierflugzeuge in der kommerziellen Luftfahrt bilden. Neben den Turbofan- Triebwerken müssen auch Turboprop- Triebwerke für Propeller- Flugzeuge und Wellenleistungstriebwerke für Hubschrauber weiterentwickelt werden. Mit der Fortentwicklung weiterer Schlüsseltechnologien für den Triebwerksbau stehen über die klassischen Technologien hinausgehend mit revolutionären Turbomaschinen weitere Leistungspotenziale und Effizienzgewinne in Aussicht.

Nachhaltige Brennstoffe

Der Energieträger bestimmt in der Luftfahrt in hohem Maße Leistung und Design von Flugzeug und Antrieb. Gefordert wird eine hohe Energiedichte bezogen auf sein Volumen und Gewicht, eine sichere Handhabung sowie geringe CO2 und Schadstoffemissionen. Der erste Schritt in Richtung eines klimaneutralen Luftverkehrs sind nachhaltige Drop-in Brennstoffe, die in existierenden Flugzeugen und mit der vorhandenen Infrastruktur ohne Änderungen genutzt werden können. Ideal für eine minimale Klimawirkung und Schadstoffemission sind jedoch aromatenfreie Near-Drop-In Brennstoffe, die zusätzlich zu den CO2-Emissionen, auch die Ruß- und Partikelemissionen um bis zu 90% und die NOx-Emissionen um beinahe 100 % reduzieren helfen. Diese Brennstoffe erfordern allerdings kleine Änderungen an Flugzeug, Antrieb, Infrastruktur und im Betrieb. Damit eröffnet sich ein erfolgversprechender Weg, ohne gravierende Änderungen an Flugzeug, Antrieb und Infrastruktur eine weitgehend klimaneutrale und schadstoffarme Luftfahrt zu verwirklichen. Deutlich größere Änderungen am Gesamtsystem sind bei der Einführung von grünem Wasserstoff als Energieträger nötig. Wasserstoffverbrennung in der Gasturbine bietet noch etwas bessere Voraussetzungen für einen klimaneutralen und schadstoffarmen Luftverkehr als nachhaltige Near-Drop-in Brennstoffe, da bei seiner Verbrennung keine Ruß- und Partikelemissionen entstehen und nur sehr geringe NOx-Emissionen erwartet werden. Nachteilig sind die höheren Wasseremissionen, deren Klimawirkung noch zu klären ist. Der größte Entwicklungsbedarf bei der Gasturbine liegt im Bereich der Brennkammer. Weiterhin müssen neue Kühlkonzepte für die Turbine entwickelt werden. Eine Herausforderung stellt die Speicherung des Wasserstoffs an Bord dar, da dies neue Anforderungen an die Flugzeugarchitektur definiert. Außerdem muss eine neue Infrastruktur für die Wasserstoffversorgung von der Produktion über die Verteilung und Bevorratung bis zum Flughafen aufgebaut werden.

Elektrisches Fliegen

Die Luftfahrtindustrie steht bei der Elektrifizierung des Antriebs vor deutlich größeren Herausforderungen als der bodengebundene Verkehr, da die Anforderungen an das Leistungsgewicht des Antriebs und die Energiedichte des Energieträgers um ein Vielfaches größer sind.
Prinzipiell lässt sich die Forderung nach Mobilität und Nachhaltigkeit durch elektrische Antriebe verwirklichen. Elektrische Motoren sind sehr effizient und leistungsstark. Die elektrische Leistungsübertragung erleichtert die Umsetzung unkonventioneller Antriebsintegrationen in das Flugzeug mit dem Ziel, Effizienzvorteile zu erschließen wie z.B. Widerstandsreduktion durch Grenzschichtabsaugung, Auftriebserhöhung oder Reduktion der Steuerflächen durch verteilte Vortriebserzeuger. Nachteile elektrischer Antriebe gegenüber Turbomaschinen ergeben sich aus einem höheren Gewicht, und Wirkungsgradverlusten infolge notwendiger Energiewandlung und Wärmemanagement.

Die Bewertung der Vor- und Nachteile elektrischer Antriebe ist abhängig von der Wahl der Antriebsarchitektur, die im Wesentlichen wie folgt unterschieden werden kann

1. Batterie-elektrische Antriebe die ausschließlich Batterien zur Energieversorgung nutzen

Batterie-elektrische Antriebe verursachen keine Emissionen im Flug und zeichnen sich durch einen hohen Wirkungsgrad aus, so dass Batterie-elektrisch betriebene Flugzeuge besonders für Kurz- und Senkrechtstart geeignet sind. Allerdings erreichen heute verfügbare Batterien bei weitem nicht die Energiespeicherkapazität von Kerosin. Die aktuell verfügbare Batteriekapazität reicht für Motorsegler und kleine Sportflugzeuge aus, kurzfristig sind auch Urban and Regional Mobility Konzepte mit Batterie-elektrischen Antrieben vielversprechend. Für den Bereich der kommerziellen Luftfahrt sind auf absehbare Zeit Batterie-elektrische Antriebe jedoch nur in Nischenanwendungen mit geringem Marktanteil zu erwarten. Eine interessante Marktnische könnte sich aus der Forderung von Norwegen ergeben, den dortigen Regionalluftverkehr ab dem Jahr 2030 mit elektrisch betriebenen Zubrin-gerflugzeugen abzuwickeln. Commuter Flugzeuge mit Batterie-elektrischem Antrieb für kurze Flugstrecken oder turbo-hybrid-elektrische Antriebe für größere Flugstrecken könnten diese Forderungen abdecken.

2. Turbo-hybrid-elektrische Antriebe, die zusätzlich einen Gasturbinen-Generator nutzen

Die Kombination von Gasturbine, Generator, Batterie und Elektromotor ermöglicht eine Vielzahl von verschiedenen Antriebssystemen. Hierbei wird die Energie in Form von flüssigem Brennstoff oder zusätzlich Batterie-elektrisch mitgeführt. Die Vortriebserzeuger können allein vom Elektromotor oder von Elektromotor und Gasturbine zusammen angetrieben werden. Für einen klimaschonenden und emissionsarmen Betrieb wird in Abhängigkeit vom Leistungsbedarf in der aktuellen Flugphase die Leistungsabgabe der verschiedenen Energiesysteme variiert. Grundsätzlich eignen sich turbo-hybrid-elektrische Antriebssysteme eher für Kurz-und Mittelstreckenflugzeuge mit großen Anteilen unterschiedlicher Leistungsanforderungen. Der Einführung turbo-hybrid-elektrischer Antriebe stehen jedoch gravierende Nachteile wie hohes zusätzliches Gewicht, zusätzliche Verluste infolge Energiewandlung, komplexe Systeme und hohe Kosten gegenüber. Nur eine intelligente Kombination der Vorteile von Flugzeug und Antrieb bei Minimierung der Nachteile liefert ein erfolgreiches neues Flugzeug-/Antriebskonzept. Neue Regularien wie emissionsfreie Starts und Landungen zur Luftreinhaltung im Flughafenbereich könnten jedoch turbo-hybrid-elektrische Systeme notwendig machen.

3. Brennstoffzellen-(hybrid)-elektrische Antriebe, die eine Wasserstoffbrennstoffzelle zur Stromerzeugung nutzen

Eine Brennstoffzelle ist eine elektrochemische Zelle zur direkten Umsetzung der chemischen Energie von Wasserstoff und Sauerstoff in Elektrizität. In den letzten Jahren konnten deutliche Fortschritte bezüglich Leistungsgewicht und Lebensdauer erzielt werden, so dass die Brennstoffzelle auch für die Luftfahrt interessant wird. Im Gegensatz zur Batterie ist die Brennstoffzelle ein Energiewandler und die Energie selbst ist in Form von Wasserstoff in einem Tank gespeichert, der die Reichweite bestimmt. Den Vorteilen emissionsfreier Betrieb und hoher Wirkungsgrad stehen größere Herausforderungen gegenüber, die eine schnelle Einführung in der Luftfahrt verhindern und weitere Technologieentwicklung erfordern: das Leistungsgewicht der Brennstoffzelle muss weiter verbessert werden, die in der Brennstoffzelle entstehenden erheblichen Wärmemengen müssen weggekühlt werden, die Speicherung des Wasserstoffs stellt auch bei Brennstoffzellen dieselbe Herausforderung dar wie beim Betrieb einer Gasturbine mit Wasserstoff. Zusammen mit dem großen Volumen der Brennstoffzelle stellt das große Volumen des zu speichernden Wasserstoffs höhere Anforderungen an neue Flugzeugdesigns. Aus heutiger Sicht hat die Brennstoffzelle in Verbindung mit nachhaltig produziertem Wasserstoff langfristig das Potenzial, ausreichende Leistung und Reichweite für die kommerzielle Luftfahrt bereitzustellen und damit einen emissionsfreien Luftverkehr zu ermöglichen. Für Luftfahrtanwendungen befindet sich die Brennstoffzellen-entwicklung heute noch im Forschungsstadium.

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