Der E-Fan besitzt einen rein elektrischen Antrieb.
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 Ärmelkanal 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, dass sie in neuen Flugzeugen serienmäßig zum Einsatz kommen. Es wird also noch viele Jahre dauern, bis 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. Daher sind für viele Anwendungen im Flugzeugbereich aus heutiger Sicht eher Brennstoffzellen, die Energie aus Wasserstoff erzeugen, die realistischere Option. Doch der Weg in die Zukunft führt auch über Hybridantriebe, bei denen der benötigte Strom mit alternativen Flugkraftstoffen erzeugt wird.
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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 Hybridantrieb erkennen. Dabei ist nicht nur die Antriebstechnik neu, sondern auch das Design des Flugzeugs. So sollen nur durch eine verbesserte Aerodynamik 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
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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 Hybridantrieb für Verkehrsflugzeuge mit unter 100 Passagieren Realität werden könnten.
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Bildergalerie: Der E-Fan von Airbus
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
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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
Entwicklung der elektrischen Leistung
von Elektro-Flugzeugmotoren
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.
Partner von Siemens sind in diesem Projekt die Unternehmen Extra Aircraft, MT-Propeller und Pipistrel. Dazu wurde die Entwicklung im Rahmen des Deutschen Luftfahrtforschungsprogramms LuFo vom BMWi gefördert.
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Siemens hebt mit neuartigem Elektromotor ab
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Emissionsfrei Fliegen: Airbus will bis 2035 ein Verkehrsflugzeug mit Wasserstoffantrieb auf den Markt bringen
Das erste emissionsfreie Flugzeug der Welt – bis 2035 will Airbus es Realität werden lassen. Unter dem Projektnamen ZEROe hat der europäische Flugzeugbauer mittlerweile vier Konzeptstudien vorgestellt um zu zeigen, wie Verkehrsflugzeuge mit Wasserstoffantrieb aussehen könnten. Klar ist: Wasserstoff kann CO2-neutrales Fliegen ermöglichen, er birgt aber auch große Herausforderungen.
Wasserstoff weist gegenüber Kerosin eine dreifach höhere Energiedichte auf, was zugleich ein Vorteil gegenüber Batterien ist. Zudem ist er viel leichter als konventioneller Flugkraftstoff. Aber: Wasserstoff benötig rund viermal mehr Volumen als Kerosin. Und gerade Platz ist eine kostbare Ressource an Bord von Verkehrsflugzeugen. Hinzu kommt, dass Wasserstoff erst bei minus 253 Grad Celsius flüssig wird und nur unter hohem Druck komprimiert in doppelwandigen, kugel- oder zylinderförmigen Tanks genutzt werden kann. Flugzeug- und Antriebskonzepte müssen deshalb neu gedacht werden. Wie es funktionieren könnte, dafür evaluiert Airbus derzeit vier Konzepte:
Zwei dieser Ansätze – das Turbofan- und das Turboprop-Design – erinnern optisch sehr an heutige Verkehrsflugzeuge. Auf den ersten Blick fällt auf, dass im hinteren Teil des Rumpfes keine Fenster zu sehen sind. Dies ist dem großen Wasserstoff-Tank geschuldet, der bei diesen Flugzeugen hinter der Kabine liegen soll. Das Turbofan-Flugzeug könnte mit einer Reichweite von 3.700 Kilometern und einer Kapazität von bis zu 200 Passagieren künftig CO2-neutral die Mittelstrecke bedienen. Das Turboprop-Design ist auf kürzere Strecken bis 1.850 Kilometer ausgelegt und bietet etwa 100 Sitzplätze, was der Kapazität heutiger Regionalflugzeuge entspricht.
Sehr viel futuristischer wirkt der Nurflügler im „Blended-wing-body“-Design: Rumpf und Flügel bilden eine aerodynamische Einheit und schaffen damit das notwendige Volumen und mehr Flexibilität bei der Integration der Wasserstofftanks. Ein solches Design erfordert jedoch völlig neue Kabinenkonzepte – denkbar ist, dass auf Fensteröffnungen komplett verzichtet wird, die Sitzplatzanordnung geändert wird und Passagiere ihren „Wunsch-Fensterblick“ via Bildschirm eingespielt bekommen. Auch dieses Modell wird für die Mittelstrecke konzipiert. Alle drei Ansätze beruhen auf einem Gasturbinen-Antrieb, der für die Nutzung mit flüssigem Wasserstoff nur leicht angepasst werden muss.
Die stärkste technische Transformation steckt im vierten von Airbus verfolgten Ansatz: Der Wasserstoff wird hierbei zur Energieerzeugung in Brennstoffzellen eingesetzt. Dieser neue Antriebstyp wird auch von außen gut erkennbar sein: Ein Klassischer Rumpf, dessen Tragflächen mit jeweils drei Turboprop-Motoren – sogenannten Pods – ausgestattet sind, so dass das Flugzeug insgesamt über sechs Propeller-Antriebseinheiten verfügt. Jeder dieser Pods ist ausgestattet mit Wasserstofftank, Brennstoffzelle, Elektromotor, Kühlsystem und Steuerungseinheiten und funktioniert als eigenständige Einheit. Da die Pods einzeln abgenommen werden können, ergeben sich laut Airbus neue Möglichkeiten im Bereich der Wartung oder auch beim Betanken.
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Wasserstoff-Airbus
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Turbo-Fan mit Wasserstoff-Antrieb
Der Tank sitzt hinter der Kabine, deshalb gibt es hinten keine Fenster. Mit einer Reichweite von 3.700 Kilometern und einer Kapazität von bis zu 200 Passagieren könnte dieses Modell künftig CO2-neutral die Mittelstrecke bedienen.
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Das Turboprop-Konzept
Auch bei diesem Flugzeug befindet sich der Tank hinter der Kabine. Mit einer Reichweite von 1.850 Kilometern und einer Kapazität von bis zu 100 Passagieren könnte dieses Flugzeug CO2-neutrale Kurzstreckenflüge ermöglichen.
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Das Blended-Wing-Body-Flugzeug
Das futuristische Design schafft viel Platz für Wasserstofftanks. Wie das Turbo-Fan-Flugzeug wird auch dieses Modell für die Mittelstrecke konzipiert.
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Das „Pod“-Konzept
Sechs eigenständige, abnehmbare Propeller-Einheiten werden bei diesem Ansatz durch Brennstoffzellen angetrieben.
Welcher dieser technologischen Ansätze am Ende überhaupt zur Marktreife kommt und welche Idee von Airbus am schnellsten vorangetrieben werden soll, darüber will das Unternehmen bis 2025 entscheiden.
Fest steht, dass neben den innovativen Flugzeugkonzepten auch die notwendige Infrastruktur an den Flughäfen geschaffen werden muss. Und nicht zuletzt muss ausreichend grüner Wasserstoff – erzeugt mit Hilfe Erneuerbarer Energien – zu marktfähigen Preisen zur Verfügung stehen. Denn nur mit grünem, nachhaltig produziertem Wasserstoff gelingt das CO2-neutrale Fliegen.
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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.
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 Brennstoffzelle 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 CO2 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 (DLR) und arbeitet mit der Universität Ulm und den Industriepartnern Hydrogenics, Pipistrel und dem Flughafen Stuttgart zusammen.
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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
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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 Aerodynamik 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
Ein weiteres Projekt von Bauhaus Luftfahrt in Zusammenarbeit mit dem Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) heißt CoCoRe (Cooperation for Commuter Research). In diesem werden die Potentiale und Möglichkeiten eines hybrid-elektrischen Zubringerflugzeugs analysiert. Dabei soll ein 19-Sitzer der sogenannten Commuter-Klasse konzipiert werden, der klimafreundlich als Zubringerflugzeug mittelgroße Städte an die großen Ballungszentren anbindet.
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Das erste elektrische Passagierflugzeug
Die kanadische Fluggesellschaft „Harbour Air“ verbindet mit ihren Wasserflugzeugen entlegene Siedlungen im Westen des Landes mit größeren Städten. Dabei kommt bald auch ein ganz besonderes Flugzeug zum Einsatz: Eine umgebaute DHC-2 Beaver wurde mit einem 560kW starken Motor zum ersten vollelektrischen Passagierflugzeug der Geschichte.
Ein erster Testflug konnte im Dezember 2019 erfolgreich durchgeführt werden. Angetrieben wird das Flugzeug von einem 560 kW starken Motor des amerikanisch-australischen Herstellers magniX. Nach der Zulassung durch die Luftfahrtbehörden soll das Flugzeug im Linienbetrieb bis zu sechs Passagiere befördern. Dabei ist die Reichweite zwar noch relativ gering, dies reicht für die von Harbour Air bedienten Strecken aber aus. Mittelfristig möchte die Gesellschaft alle ihre 40 Flugzeuge mit einem Elektroantrieb nachrüsten.
