Wie Hybrid-Elektrizität den Flugverkehr umweltfreundlich gestalten könnte


techxplore.com/|How hybrid electric and fuel aircraft could green travel


Angesichts der Tatsache, dass der Flugverkehr bis 2030 jedes Jahr um 5% zunehmen wird, beschäftigen sich Wissenschaftler mit der Frage, wie Flugzeuge nachhaltiger gestaltet werden können. Da die heutigen Batterien elektrische Flugzeuge jedoch viel zu schwer machen, könnten Hybridkraftstoff- und Elektromodelle den Weg für umweltfreundlichere Flugreisen weisen - und innerhalb von 15 Jahren in die Luft gehen.


Der Luftverkehr trägt erheblich zur europäischen Wirtschaft bei, generiert mehr als 500 Milliarden Euro pro Jahr und unterstützt 9,3 Millionen Arbeitsplätze. Er hat aber auch Auswirkungen auf die Umwelt, die angegangen werden müssen. Der Flugverkehr ist für mehr als 2% der weltweiten Treibhausgasemissionen und etwa 3% in Europa verantwortlich. Um das Ziel der Europäischen Union, bis 2050 Netto-Null-Treibhausgasemissionen zu erreichen, werden nachhaltigere Flugzeuge benötigt.


Und da die Industrie von der Pandemie hart getroffen wird, was zu einem Rückgang des Flugverkehrs führt, wird die Nachhaltigkeit des Flugverkehrs als Schlüssel zur Erholung Europas angesehen.


Die Entwicklung von Flugzeugen mit Hybrid-Elektroantrieb könnte Teil der Lösung sein. Ähnlich wie bei Hybridautos kombiniert die Technologie zwei Energiequellen, typischerweise Treibstoff und eine elektrische Batterie oder eine Wasserstoff-Brennstoffzelle.


"Durch die Hybridisierung von Quellen können Sie den Treibstoffverbrauch von Flugzeugen und damit die Umweltbelastung reduzieren", sagte Dr. Xavier Roboam, ein leitender Wissenschaftler und stellvertretender Direktor des LAPLACE-Labors an der Universität Toulouse in Frankreich. "Es ist der erste Schritt vor dem letzten Schritt, der ein emissionsfreies, vollelektrisches Flugzeug sein kann.


Die Energiedichte, also die Energiemenge, die man pro Kilogramm erhält, ist immer noch ein limitierender Faktor für Elektroflugzeuge. Batterien, die für den Antrieb von Elektromotoren benötigt werden, sind immer noch zu schwer, als dass sie allein eine brauchbare Alternative darstellen könnten. Eine Batterie ist in der Regel etwa 30-mal schwerer als eine Kerosin-Treibstoffmenge, die die gleiche Energiemenge liefern könnte. Kleine Elektroflugzeuge haben erfolgreich kurze Testflüge durchgeführt, und die größten Flugzeuge der Welt könnten bis Ende nächsten Jahres bis zu neun Passagiere auf kommerziellen Flügen von bis zu 160 km befördern. Aber Batterien, die es einem großen Flugzeug voller Menschen ermöglichen würden, Tausende von Kilometern zurückzulegen, wie es heute herkömmliche Flugzeuge tun, würden die Flugzeuge zu schwer machen, um zu starten.



Hybridflugzeuge sind derzeit vielversprechender, da die Verwendung von etwas Treibstoff bei der Gewichtsfrage hilft. Dr. Roboam und seine Kollegen untersuchen im Rahmen des HASTECS-Projekts, wie das Gewicht eines Flugzeugs weiter reduziert werden kann.


Sie konzentrieren sich dabei auf wichtige Komponenten, wie zum Beispiel das System, das die Leistung zwischen den beiden Quellen und den Elektromotoren umwandelt. Sie entwickeln neue Designs, die durch Computersimulationen getestet werden. "Wir versuchen, das Verhältnis zwischen der Leistung, die Sie liefern können, und dem Gewicht, das zur Bereitstellung dieser Leistung erforderlich ist, zu maximieren", sagte Dr. Roboam.


Das Projekt zielt auf spezifische Ziele ab. Ziel ist es, einen Elektromotor zu entwerfen, der das Leistungsgewicht der heute verwendeten Elektromotoren verdoppelt, wie zum Beispiel in einem Tesla-Elektroauto, um bis 2035 10 Kilowatt pro Kilogramm zu erreichen. Im gleichen Zeitraum wollen sie auch das Leistungsgewicht von Stromrichtern auf 25 Kilowatt pro Kilogramm erhöhen. Die Erreichung dieser beiden Ziele würde es ermöglichen, dass ein Hybridflugzeug etwa 1600 Kilogramm leichter ist, als sie 2025 voraussichtlich sein werden, und bis zu 10% weniger Treibstoff verbraucht.


Nach rund vier Jahren Arbeit hat das Team sein Ziel für die Elektromotoren erreicht. Sie konnten ihre Struktur zum Beispiel durch die Verwendung elektromagnetischer Materialien optimieren, und die Verwendung spezieller Drähte, so genannter Litzendrähte, trug zur Verbesserung ihrer Leistung bei. Die Motoren erwärmen sich stärker, wenn ihre Größe reduziert wird, so dass die Mitglieder des Teams auch eine effizientere Art und Weise fanden, sie mit einem internen Kühlsystem zu kühlen.


Für das Leistungsumwandlungssystem wurde ihr Ziel durch eine Änderung der Struktur und die Verbesserung des Kühlsystems übertroffen. "Wir sind über das Ziel hinaus, das für das Projekt sehr erfolgreich ist", sagte Dr. Roboam.


Sobald das Projekt im nächsten Jahr abgeschlossen ist, möchten Dr. Roboam und seine Kollegen im Anschluss daran Experimente durchführen, um die während HASTECS erstellten Simulationen zu validieren. Sie werden jedoch eine Versuchsanlage finden müssen, die eine hohe Leistung zum Testen ihrer Entwürfe liefern kann. "Es ist sehr kompliziert und auch teuer, solche Validierungen durchzuführen, da es sich um eine Hochleistungsanwendung handelt, die eine Leistung von einem Megawatt erfordert", sagte Dr. Roboam.





Wasserstoff


Dr. Roboam glaubt, dass in fünf bis 15 Jahren ein Hybridflugzeug mit ihren Konzepten in die Lüfte steigen könnte. Am 21. September kündigte Airbus Pläne für das weltweit erste Null-Emissions-Flugzeug mit Wasserstoff als Antriebsquelle an. Da die in HASTECS hergestellten Hybridflugzeugkonzepte eine Wasserstoff-Brennstoffzelle verwenden, wird Dr. Roboam ermutigt. "Für uns ist es eine sehr gute Nachricht, weiterzumachen", sagte er. "HASTECS ist der erste Schritt, um dies zu erreichen.


Professor Andreas Strohmayer, Leiter des Lehrstuhls für Flugzeugentwurf an der Universität Stuttgart in Deutschland, und seine Kollegen arbeiten ebenfalls daran, den hybrid-elektrischen Flug Wirklichkeit werden zu lassen. Im Rahmen des Projekts FutPrInt50 versuchen sie, die Entwicklung eines Hybrid-Elektroflugzeugs mit bis zu 50 Sitzen zu beschleunigen, das ab 2035 kommerzielle Flüge anbieten soll. "Das Angebot von 40 bis 50 Sitzen ist das erste kommerzielle Instrument, das sich (in Bezug auf die Transportkapazität) auswirkt", sagte Prof. Strohmayer. "Je größer man von dort aus vorgeht, desto mehr Probleme hat man, daher glaube ich an einen Step-up-Ansatz".


Eines der Ziele des Projekts ist die Konstruktion eines solchen Flugzeugs. Seit Beginn des Projekts im Januar hat das Team die erforderlichen Anforderungen analysiert. Sie haben zum Beispiel versucht, die relative Bedeutung niedriger Emissionen, Reichweite und Geschwindigkeit für ihre Konstruktion herauszufinden und verschiedene Optionen für Komponenten wie den Antriebsstrang, der aus dem Motor und den zugehörigen Teilen besteht, und die Energiespeicherung unter Verwendung bestehender Technologien zu untersuchen. Sie untersuchen auch Lösungen für das Wärmemanagement. "Wir arbeiten an unserem Referenzflugzeug, damit wir einen Eins-zu-eins-Vergleich unserer Konstruktion mit einem konventionellen Flugzeug derselben Größe durchführen können", sagte Prof. Strohmayer.


Das Team wird sich auch darauf konzentrieren, Wege zur Energiegewinnung zu entwickeln, die auch zur Verringerung des Batterie- und Treibstoffgewichts in Hybridflugzeugen beitragen. Während des Sinkfluges zum Beispiel, wenn das Flugzeug keinen Strom benötigt, könnten die Propeller Energie aus dem Luftstrom erzeugen. Bei Elektroautos könne heute beim Bremsen Strom erzeugt werden, sagt Prof. Strohmayer. "Dasselbe gilt für Flugzeuge, und wir können Energie zurückgewinnen.


Bis zum Ende des Projekts im Jahr 2022 wird das Team eine Technologie-Roadmap für alle verschiedenen benötigten Komponenten sowie eine Roadmap für die Standards entwickelt haben, die für die Zertifizierung erfüllt werden müssen. Sie wird von einer Hybridflugzeugkonstruktion begleitet werden, die einem Flugzeughersteller übergeben werden könnte, um sie zum Leben zu erwecken. "Meine Vision ist, dass meine Enkelkinder in 20 Jahren mit mir an Bord eines dieser Flugzeuge sitzen können", sagte Prof. Strohmayer. "Ich will es gebaut sehen."








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