Elektrifizierung des Himmels
Hybridisierung: Zukunft der Luftfahrt?Airbus – Die Dekarbonisierung des Fliegens erfordert eine Reihe disruptiver Lösungen, die neue Kraftstoffarten und junge Technologien kombinieren. Eine solche Lösung, der Hybrid-Elektroantrieb, kann die Energieeffizienz jeder Flugzeugklasse verbessern.Wie die Hybridisierung zur Dekarbonisierung der Luftfahrt beiträgt
Helikopter bahnen sich den Weg. Airbus hat bereits ein hybrid-elektrisches System im Flug getestet, das den thermischen Motor übernimmt, falls dieser ausfallen sollte. Das Engine Back-up System ist der Vorläufer größerer Hybridantriebssysteme, die zu einem späteren Zeitpunkt mit einem Drehflügler-Demonstrator getestet werden.
Ecopulse, ebenfalls in der Entwicklung, ist das Ergebnis der Zusammenarbeit zwischen Airbus, Daher und Safran. Dieser Demonstrator basiert auf einem Leichtflugzeug. Es hilft, unser Wissen über verteilte Antriebssysteme und das Management mehrerer Energiequellen zu erweitern. Ecopulse verwendet eine innovative leichte, kompakte Hochspannungs -Lithium-Ionen-Batterie, die von Airbus Defence and Space entwickelt wurde.
Natürlich benötigen mittelgroße Verkehrs- und Militärflugzeuge viel mehr elektrische Energie, bis zu einem Megawatt an Bord erzeugter Energie. Diese Energie kann verwendet werden, um einige Systeme anzutreiben und das Haupttriebwerk während Vorgängen wie dem Zurückschieben und Abheben zu entlasten.
Um das Ziel von <5 Prozent zu erreichen, müssen Airbus und die Triebwerkshersteller jedoch gemeinsam eine neue, effizientere Klasse von Gasturbinen entwickeln. Zu diesem Zweck hat Airbus bereits eine Reihe von Projekten initiiert, um verschiedene Hybridantriebskonzepte mit unterschiedlichen Leistungsstufen zu demonstrieren. Ebenso wichtig ist die Entscheidung, welcher Elektromotortyp sie unterstützt.
Elektromotor auswählen
Elektromotoren wandeln elektrische Energie in mechanische Energie um; Generatoren führen den umgekehrten Vorgang aus. Es gibt mehrere Arten von Elektromotoren, aber die Hauptmerkmale, die für die Hybridisierung von Interesse sind, sind ihr Leistungsgewicht und ihr relativer Wirkungsgrad. Bei den derzeitigen Niveaus liegt ein angemessenes Leistungsgewicht bei 6–8 kW/kg, aber es ist für gewichtsbegrenzte Anwendungen ungeeignet. Erfreulicherweise dürften sich diese Zahlen in den nächsten zehn Jahren verdoppeln.
Aufgrund der relativ wenigen beweglichen Teile, die sie enthalten, sind Elektromotoren einfacher zu warten und weniger störanfällig als Gasturbinen. Sie können auch in einem niedrigeren Temperaturbereich betrieben werden, wodurch die Aufwärmphase entfällt, die Gasturbinen benötigen.
Der Elektromotor sitzt in einer funktionalen Flugzeugarchitektur. Für Hybrid-Elektroflugzeuge besteht die Wahl zwischen zwei Architekturoptionen: seriell und parallel.
Serielle oder parallele Architektur?
In einer seriellen Architektur treibt eine einzelne mechanische Energiequelle den Propeller oder Lüfter an. Batterien sind nicht die einzige Energiequelle. Es gibt Alternativen, einschließlich Wasserstoff-Brennstoffzellen. In jedem Fall wird der Propeller immer von einem Elektromotor angetrieben, was einen verteilten Vortrieb ermöglicht.
Was die Hybridisierung betrifft, ist dies der größte Vorteil der seriellen Architektur. Aber es bedeutet, Gewicht in Form eines Generators hinzuzufügen, um mechanische Energie in elektrische Energie umzuwandeln.
Batteriedurchbrüche
Der Hauptnachteil von Batterien der aktuellen Generation ist ihre geringe Energiedichte im Vergleich zu Kerosin und Wasserstoff . Beispielsweise erreicht die Dichte von Lithium-Ionen (Li-Ion)-Batterien, die im Automobilsektor weit verbreitet sind, etwa 200 Wattstunden pro Kilogramm (Wh/kg). Im Vergleich dazu ist die Energiedichte von Kerosin etwa 50-mal höher. Auch wenn zahlreiche Studien argumentieren, dass Li-Ion noch verbesserungsfähig ist, braucht die Elektrifizierung von Flugzeugen etwas insgesamt Leistungsstärkeres.
Airbus arbeitet mit Akteuren in anderen Sektoren zusammen, um dorthin zu gelangen. „Es gibt gemeinsame Herausforderungen und gemeinsame Interessengebiete“, sagt Leire Segura, Experte für Stromerzeugungssysteme, und nennt Batteriegröße, Laden und Kühlen. „Wir lernen zusammen.“
In der gewichtssensiblen, aerodynamisch optimierten Umgebung eines Flugzeugs muss ein Kompromiss zwischen Leistung, Volumen und Masse gefunden werden. „Wir betrachten Technologien, die bereits im Automobilsektor eingesetzt werden, was den Markt antreibt“, sagt Segura. Li-Ion ist ein großer Schritt nach vorne und liefert im Vergleich zu Nickel-Cadmium bereits erhebliche Leistungssteigerungen. Einen Li-Ion-Heureka-Moment erwartet der Airbus-Experte jedoch in absehbarer Zeit nicht.
„Der heilige Gral ist die Festkörperbatterie“, schwärmt Segura. Solid-State bietet Lösungen für viele Nachteile von Li-Ion. Aber wie bereits erwähnt, erfordert die Flugzeugzertifizierung ein maßgeschneidertes Design. Airbus befindet sich in Gesprächen mit einer Reihe von Luft- und Raumfahrtzulieferern, die elektrische Systeme liefern. „Wir befinden uns in der Definitionsphase und bilden uns alle gleichzeitig weiter“, bemerkt sie. „Realistischerweise erwarten wir nicht, vor 2030 Prototypen von Festkörperbatterien, die für die Luft- und Raumfahrt angepasst sind.“
Im Gegensatz zu den flüssigen Elektrolyten, die in Li-Ion-Batterien zu finden sind, verringern „feste“ Elektrolyte das Risiko des thermischen Durchgehens (Überhitzung). Das Risiko bleibt bestehen, aber die Folgen sind weit weniger schwerwiegend, was es einfacher macht, ein sicheres Batteriesystem zu entwerfen.
Solid-State ist ein Enabler
Hochleistungsbatterietechnologien wie Lithium-Metall gibt es seit über 40 Jahren, aber das Risiko des Durchgehens aufgrund ihrer Instabilität ist zu hoch. Festelektrolyte heben dieses Risiko auf und öffnen den Weg zu einer verbesserten Leistung. Das Mildern des thermischen Durchgehens macht auch das Batteriedesign einfacher. Es werden weniger Teile benötigt, um seine Zellen zu "kleiden". Dies wirkt sich positiv auf das Gewicht aus.
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