Alternative Antriebe im Luftverkehr:
Elektromobilität der Lüfte

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Herkömmliche Flugzeugturbinen werden laufend weiterentwickelt und sind dadurch wesentlich energieeffizienter geworden, was zu einem geringeren Kraftstoffverbrauch und Emissionsausstoß geführt hat. Das langfristig erklärte Ziel der Luftfahrt ist jedoch, den Luftverkehr komplett CO2-neutral zu gestalten. Zur Erreichung dieses Ziels können alternative Antriebe einen entscheidenden Beitrag leisten. Im Zentrum der Forschung und Entwicklung stehen dabei elektrische Antriebe, deren Strom entweder aus erneuerbaren Quellen wie Sonne und Wind oder aus Brennstoffzellen gewonnen wird. Dabei sind die ersten Schritte getan und kleinere Flugzeuge lassen sich bereits rein elektrisch fliegen, so dass sie keine Emissionen ausstoßen.

Ein Beispiel ist der E-Fan, ein zweisitziges und rein elektrisch betriebenes Flugzeug von Airbus, das 2015 den Kanal zwischen Frankreich und England in 36 Minuten überquert hat. Jedoch bedarf es noch weiterer Forschung, bis alternative Antriebe technologisch so ausgereift und wirtschaftlich tragfähig sind, bis sie in neuen Flugzeugen zum massentauglichen Einsatz kommen. Es wird also noch viele Jahre dauern, bis große Passagierflugzeuge ausschließlich elektrisch angetrieben werden können.

Eine große technische Hürde ist die Speicherkapazität der Batterien und die damit einhergehende Gewichtszunahme: Batterien, die die notwendige Menge an Strom speichern können, sind leider noch zu schwer, um in einem Flugzeug zum Einsatz zu kommen. Der Weg in die Zukunft führt deshalb eher über Hybridantriebe, die den benötigten Strom mit alternativen Flugkraftstoffen erzeugen.

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Wirkungsgrad η und Gewicht von Antriebssystemen

Quelle: Verein Deutscher Ingenieure (VDI)
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E-Thrust und E-Fan: Mit Strom abheben

Wie elektrisch angetriebene Flugzeuge der Zukunft aussehen können, lässt sich an der Konzeptstudie E-Thrust für ein Flugzeug mit HybridantriebHybridantriebKombination verschiedener Techniken für den Antrieb. erkennen. Dabei ist nicht nur die Antriebstechnik neu, sondern auch das Design des Flugzeugs. So sollen nur durch eine verbesserte AerodynamikAerodynamikDie Lehre von den Strömungsvorgängen in Gasen befasst sich mit den Kräften, die am Flugzeug wirken. Einerseits muss genug Auftrieb zum Abheben geschaffen werden, andererseits der Luftwiderstand so gering wie möglich gehalten werden, um effizient unterwegs zu sein. schon 25 bis 30 Prozent Energie eingespart werden. Der E-Fan wiederum zeigt, dass elektrisches Fliegen im Kleinen bereits möglich ist. Beide Projekte reduzieren übrigens nicht nur den Kraftstoffverbrauch und somit die Treibhausgasemissionen, sondern auch den Lärm.

Das Augenfälligste der E-Thrust Konzeptstudie ist, dass die Triebwerke nicht mehr unter den Flügeln hängen, sondern sich dicht am Rumpf oberhalb der Flügel befinden. Dabei handelt es sich nicht um herkömmliche Turbinen, in denen Kerosin verbrannt wird, sondern um sechs Elektromotoren. Dazu kommt eine Gasturbine im Heck, die mit Kerosin oder alternativem Flugkraftstoff angetrieben werden kann. Diese Turbine kann – zum Beispiel bei Anflug und Landung – auch genutzt werden, um als Windrad Strom zu erzeugen.

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E-Thrust Konzept

Quelle: TechnologicVehicles

Ein Problem, das die Ingenieure noch lösen müssen, ist das Speichern des Stroms. Heute ist die Leistungsdichte von Kerosin noch 50 Mal höher als die einer Batterie. Anders gesagt: Die Batterie ist 50 Mal schwerer als das notwendige Kerosin. Die Experten der Konzerne gehen davon aus, dass frühestens im Jahr 2035 Flugzeuge mit HybridantriebHybridantriebKombination verschiedener Techniken für den Antrieb. für Verkehrsflugzeuge mit unter 100 Passagieren Realität werden könnten.

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Bildergalerie: Der E-Fan von Airbus

  • Quelle: Airbus

    Der E-Fan besitzt einen rein elektrischen Antrieb.

  • Quelle: Airbus

    Auf dem Osons La France Economic Summit 2014 wurde der E-Fan erstmals vorgestellt.

  • Quelle: Airbus

    In dem E-Fan Plus ist ein Hybridantrieb verbaut.

Bei der Entwicklung des E-Thrust bauen die Ingenieure auf Technik, die bereits funktioniert: den E-Fan. Der E-Fan ist das erste rein elektrisch angetriebene Flugzeug, das den 74 Kilometer breiten Ärmelkanal im Jahr 2015 aus eigener Kraft überquerte. Im Jahr 2016 wurde als nächster Schritt der E-Fan Plus vorgestellt. Er verfügt im Gegensatz zum reinen Elektroantrieb des E-Fans über einen zusätzlichen Hybridantrieb. Mit diesem Hybridantrieb kann das Flugzeug auch längere Strecken zurücklegen, weil er neben dem Elektroantrieb auch einen Verbrennungsmotor zuschalten kann.

Der E-Fan Plus kann damit auf dreifache Weise angetrieben werden: rein elektrisch, elektrisch in Kombination mit dem Verbrennungsmotor oder ausschließlich mit dem Verbrennungsmotor. Alle Antriebstechnologien reduzieren sowohl die Lärm- als auch die Treibhausgasemissionen, wobei ein rein elektrischer Antrieb die Emissionen fast auf Null reduzieren kann – vorausgesetzt der Strom kommt aus erneuerbaren Quellen.

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Prototyp meistert ersten längeren Flug

Quelle: Stern
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Jungfernflug mit Elektromotor

Kleinere hybride Elektroflugzeuge können schon heute in die Luft gebracht werden. Das hat das Kunstflugzeug Extra 330LE gezeigt: Siemens-Forscher haben einen neuartigen Elektromotor für das Flugzeug entwickelt, der bei einem Gewicht von nur 50 Kilogramm rund 260 Kilowatt – und damit immerhin gut 350 PS, so viel wie ein Tesla S – elektrische Dauerleistung liefert.

Im Juli des Jahres 2016 erfolgte der Jungfernflug, der durch die Leistungswerte des neuen Motors zugleich ein Weltrekord war. Zum ersten Mal ist ein Elektroflugzeug in der Leistungsklasse von einem Viertel Megawatt geflogen. Auf der Basis dieses Motors wollen Siemens und Airbus weitere hybrid-elektrische Regionalflugzeuge entwickeln. Dabei hat man sich anspruchsvolle Ziele gesetzt, denn bereits bis zum Jahr 2030 sollen erste Maschinen mit bis zu 100 Passagieren und rund 1.000 Kilometern Reichweite möglich sein.

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Entwicklung der elektrischen Leistung
von Elektro-Flugzeugmotoren

Quelle: Siemens

Zudem sind die Einsparmöglichkeiten sehr hoch, denn die Experten von Siemens erwarten eine Reduktion des Kraftstoffverbrauchs und des Schadstoffausstoßes um 50 Prozent. Außerdem sind die elektrischen Flugzeuge sehr viel leiser als herkömmliche Maschinen. Das entlastet zum einen die Anwohner und ermöglicht zum anderen Abend- und Nachtflüge, die bisher aus Lärmschutzgründen verboten sind.

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Kunstflugzeug 330LE mit Weltrekord-Elektromotor

Quelle: Siemens AG

Partner von Siemens sind in diesem Projekt die Unternehmen Extra Aircraft, MT-Propeller und Pipistrel. Dazu wurde die Entwicklung im Rahmen des Deutschen Luftfahrtforschungsprogramms LuFoLuFoLuftfahrtforschungsprogramm Mit dem Luftfahrtforschungsprogramm fördert die Bundesregierung neue Technologien in der Luftfahrt. vom BMWi gefördert.

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Siemens hebt mit neuartigem Elektromotor ab

Quelle: Siemens
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Emissionsfreies Fliegen mit Wasserstoff

Hy4: Dahinter steht das Konzept eines viersitzigen Passagierflugzeugs, das mit einem System aus Wasserstoffbrennstoffzelle und Batterie angetrieben wird. Wasserstoff und Sauerstoff – mehr braucht es nicht, um Energie zu erzeugen, deren einzige Emission Wasser ist. Ganz so einfach, wie es klingt, ist es aber nicht, Flugzeuge mit Hilfe von Brennstoffzellen anzutreiben. Mit dem Hy4 gibt es jedoch bereits ein Modell, das mit der Kraft aus Wasserstoff und Sauerstoff abhebt.

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Emissionsfreier Erstflug des Hy4

Quelle: Jean-Marie Urlacher

Durch die Elektrolyse wird zunächst Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff gespalten. Der so erzeugte Wasserstoff wird dann in Drucktanks des Flugzeugs gespeichert und als regenerativer Kraftstoff für das Hy4 eingesetzt. Mit Hilfe der Brennstoffzellen und Sauerstoff aus der Luft wird der Wasserstoff wieder zu Wasser und elektrischem Strom. Das Hy4 fliegt mit dieser Brennstoffzellentechnik, die das Ergebnis jahrelanger Arbeit ist.

Der Vorteil der BrennstoffzelleBrennstoffzelleDie Brennstoffzelle ist ein Energiewandler. Die chemische Reaktion in einer Brennstoffzelle setzt einen Teil der in Wasserstoff und Sauerstoff enthaltenen Energie frei und macht sie als elektrischen Strom nutzbar. gegenüber Batterien ist, dass sich Leistung und Kapazität entkoppeln lassen und dadurch eine merkbare Erhöhung der Reichweite bei nur sehr geringer Gewichtszunahme möglich ist. Der Viersitzer benötigt aber auch noch Batterien, die zum Beispiel beim Start zusätzlich unterstützen. Auf Kerosin wird aber schon ganz verzichtet und entsprechend gibt es keinen Verbrennungsvorgang, der CO2CO2Kohlenstoffdioxid ist ein farb- und geruchloses Gas, Bestandteil der Luft und Treibhausgas. Es wird u.a. bei der Verbrennung fossiler Energieträger freigesetzt. produziert. Das Flugzeug soll eine Spitzengeschwindigkeit von 200 Kilometer pro Stunde und eine Reichweite von bis zu 1.500 Kilometer haben. Seinen offiziellen Erstflug unternahm das Hy4 im September 2016 am Flughafen Stuttgart und ist damit das weltweit erste viersitzige Passagierflugzeug, das allein mit einem Wasserstoffbrennstoffzellen-Batterien-System fliegen kann.

Das Unternehmen H2fly, das die Hy4 entwickelt hat, ist eine Ausgründung des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLRDLRDeutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt Das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt entwickelt und testet neue Technologien für zukünftige Anforderungen im Mobilitätssektor.) und arbeitet mit der Universität Ulm und den Industriepartnern Hydrogenics, Pipistrel und dem Flughafen Stuttgart zusammen.

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Fliegen mit Wasserstoff

Quelle: Das Erste (ARD)
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40.000 Kilometer sonnengetrieben unterwegs: Solar Impulse 2

Es war eine Nachricht, die 2016 um die Welt ging: Die Erde war zum ersten Mal mit einem Flugzeug umrundet worden, das nur mit Sonnenkraft angetrieben wurde und somit weder Kerosin verbraucht noch Emissionen ausgestoßen hat. Der Flug der Solar Impulse dauerte jedoch über ein Jahr, bevor sie wieder in Abu Dhabi landete.

Gesteuert wurde das Flugzeug von dem Schweizer Pilot Bertrand Piccard, der während der Reise 16 Stopps eingelegt hatte, etwa in Indien, China, den USA und Italien. Das riesige Flugzeug – die Spannweite der Flügel ist vergleichbar mit der einer Boeing 747 – war mit rund 17.000 Solarzellen bestückt, die die Propeller mit Strom versorgten und wiegt nur so viel wie ein Familienauto. Damit ist die Solar Impulse das größte jemals gebaute Flugzeug, das über ein so niedriges Gewicht verfügt.

Das Flugzeug zeigt damit eine enorm hohe Energieeffizienz. Ziel des gesamten Projektes ist es, die Forschung und Entwicklung von innovativen Technologien voranzutreiben. Damit soll die Abhängigkeit von fossilen Brennstoffen reduziert und die Verwendung von erneuerbaren Energien gestärkt werden. Reibungslos verlief die Weltumrundung aber nicht: Weil die Batterien beschädigt waren, musste der Flug in Hawaii für neun Monate unterbrochen werden. Trotzdem konnten die Initiatoren beweisen, dass das Fliegen ohne Kerosin und Emissionen möglich ist. Als Extra-Belohnung gab es einen Eintrag ins Guinessbuch der Rekorde.

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Mit Solarkraft einmal um die Welt

Quelle: SOLAR IMPULSE
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Der Ce-Liner: Emissionsfreier Luftverkehr von morgen

808 Kilometer pro Stunde, eine Reichweite von 1.667 Kilometern, eine Flughöhe von zehn Kilometern – und das alles elektrisch angetrieben: Das soll der Ce-Liner schaffen. Diese Konzeptstudie hat das Bauhaus Luftfahrt vorgestellt. Rund 200 Menschen könnten so zum Beispiel ohne CO2-Emissionen von Berlin nach Mallorca gebracht werden.

2012 wurde auf der Internationalen Luft- und Raumfahrtausstellung (ILA) in Berlin vorgestellt, wie ein Flugzeug im Jahr 2035 aussehen könnte: Angetrieben wird es von zwei elektrischen Triebwerken am Heck. Dazu kommt der sehr auffällige sogenannte C-Flügel, der dem Flugzeug eine sehr gute AerodynamikAerodynamikDie Lehre von den Strömungsvorgängen in Gasen befasst sich mit den Kräften, die am Flugzeug wirken. Einerseits muss genug Auftrieb zum Abheben geschaffen werden, andererseits der Luftwiderstand so gering wie möglich gehalten werden, um effizient unterwegs zu sein. verleiht. Die Flügel haben nicht nur eine besondere Form, sondern auch besondere Eigenschaften: Sie können sich verformen und somit an verschiedene Flugzustände anpassen, um in jeder Situation möglichst energieeffizient zu fliegen.

Doch um dem Ce-Liner tatsächlich Flügel zu verleihen, müssen zunächst viel leistungsfähigere Batterien entwickelt werden. Die Energiedichte der Batterie müsste um das acht- bis zehnfache höher liegen als nach heutigem Stand der Technik möglich. Wenn sich ein ausschließlich elektrisch angetriebenes Passagierflugzeug mit Kapazität für 200 Passagiere realisieren ließe, dann könnten sogar die Emissionsziele des Flightpath 2050 übertroffen werden.

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Ce-Liner: Besondere Flügel und ein elektrischer Antrieb

Quelle: Bauhaus Luftfahrt
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