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IST DIE ZUKUNFT ELEKTRISCH?


Aero International - epaper ⋅ Ausgabe 100/2019 vom 06.09.2019

SPECIAL TRIEBWERKE: E AIRCRAFT eAircraft ist als „firmeninternes Startup“ des Siemens-Konzerns Pionier für elektrische Antriebskonzepte. Damit ausgerüstete Verkehrsmaschinen sollen einmal zum normalen Bild auf den Flughäfen der Welt gehören


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Bildquelle: Aero International, Ausgabe 100/2019

Der von eAircraft entwickelte Motor SP200D leistet 200 kW und wird unter anderem im Multikopter CityAirbus verwendet


Die Vorhersagen der Experten klingen wie fantastische Visionen: Schon 2030 könnten Airlines Linienflüge mit hybrid-elektrischen Maschinen anbieten, und spätestens 2050 ist elektrischer Antrieb der Standard in der kommerziellen Luftfahrt. Die Prognosen ...

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... stammen von Fachleuten, deren Tagesgeschäft die Entwicklung der neuen Antriebe ist: Vor zehn Jahren begann Siemens seine Aktivitäten um elektrische Motoren für Luftfahrzeuge. Die Elektroflug-Abteilung des Konzerns, eAircraft, wurde einer der Pioniere dieser Technologie.

Ihr Engagement ist weit gestreut, die Projekte sind zahlreich. Zum Geschäftsfeld zählt dabei alles, was zur Elektrifizierung von Flugzeugantrieben gehört: Dazu zählt außer dem Motor, der für den Vortrieb sorgt, auch Gleich-/Wechselstrominverter und Energieverteilungssysteme: Beide sind dafür zuständig, dass der Motor seine Energie in richtiger Menge und Form zur Verfügung gestellt bekommt. Ob die Energiequelle des Antriebs aus Akkumulatoren oder – wie bei hybrid-elektrischen Flugzeugen – von einem Generator stammt, der etwa als Turbine von fossilen Brennstoffen angetrieben wird, ist vom Anwendungsfall abhängig.

Während ihrer zehnjährigen Entwicklungsarbeit haben die Spezialisten von eAircraft bereits eine Reihe dieser Antriebssystemen entworfen. Kleinere sind mit 70 kW etwa so stark wie der Motor eines Pkw, größere haben mit einigen hundert Kilowatt genug Leistung, um Kleinflugzeuge anzu-treiben. Und tatsächlich sind mehrere dieser Projekte längst im Testflugbetrieb.

Versuchsträger E-Fan X: Eines der Triebwerke der BAe146 wird gegen den E-Antrieb getauscht. So lässt sich der Antrieb im Flug erproben


Der E-Antrieb besteht aus mehreren Komponenten (rechts)


Beeindruckender Größenvergleich: Der Siemens-10MW-Motor neben einem konventionellen Turbofan


Der Motor mit der Bezeichnung SP70D befindet sich sogar bereits im Zulassungsverfahren für ein Type Certificate. Nach Angaben von eAircraft ist es der erste und derzeit einzige Elektroantrieb überhaupt, dessen Entwickler sich bislang um diese Grundvoraussetzung für den regelmäßigen Einsatz in einem Luftfahrzeug bemühen. Noch größere Triebwerke sollen künftig auch bis zu 20-sitzige Regionalflugzeuge antreiben. Der stärkste Motor, den eAircraft bislang designt hat, wird mit zehn Megawatt bereits gut 40 Prozent der Leistung eines heutigen Turbofans erreichen können.

HOHE SPANNUNG NÖTIG

Doch große Triebwerksleistungen bringen zusätzliche Anforderungen mit sich: Sie lassen sich nur unter Einsatz hoher elektrischer Spannungen verwenden. Für Physik-Interessierte: Die elektrische Leistung errechnet sich aus dem Produkt von Spannung und Stromstärke. Letztere gilt es in Grenzen zu halten – sie entscheidet über die notwendigen Leitungsquerschnitte. Je geringer diese sind, desto leichter wird der Antrieb. Auf 3000 Volt sind die Motoren ausgelegt.

Noch aufwändiger wird es bei den größten Triebwerken, mit denen sich eAircraft derzeit beschäftigt. Zehn Megawatt starke Antriebe sind leistungsstark genug für Regionalflugzeuge mit 100 bis 200 Passagieren. Bei solchen Leistungen müssen die Motoren hocheffizient sein. Jedes Prozent weniger Wirkungsgrad erzeugt Verlustleistung, die in Form von Wärme abgeführt werden muss. Eine der Lösungen, an denen die Entwickler derzeit arbeiten, ist Supraleitung: Sinkt die Temperatur in einem Leiter, fällt dessen elektrischer Widerstand schlagartig ab – was die Verluste minimiert und zudem die Verwendung dünner, gewichtssparender Drähte ermöglicht.

Die Technik ist nicht neu: In der Medizin werden supraleitende Magnete bei der Kernspintomographie eingesetzt. Mit Supraleitern in Antrieben haben andere Abteilungen von Siemens in Marineanwendungen bereits seit langem Erfahrung gesammelt. Lediglich die Leistungsdichte ist im Schiffsbau nicht so entscheidend wie in der Luftfahrt: Um etwa den Faktor 30 müssen Motoren, die dort zimmergroß sind, für den Einsatz im Flugzeug verkleinert werden.

Solche Entwicklungen werden dabei zunächst theoretisch durchgeführt. Der „Di-gitale Zwilling“ ist das Abbild des späteren Triebwerks in einer Computersimulation. Der Prototyp für den Motor ist so komplett virtuell entstanden.

Damit die Simulation möglichst genau die Realität widerspiegelt – nur dann ergibt die Entwicklung mittels Digitalem Zwilling Sinn – wurde das Verhalten beispielsweise der Supraleiter experimentell ermittelt. Die für den verlustfreien Betrieb nötige Kühlung erfolgt durch Wasserstoff.

Der könnte künftig auch als Treibstoff dienen: Eine Brennstoffzelle wandelt den Wasserstoff zusammen mit Sauerstoff der Umgebungsluft zu elektrischer Energie und Wasser – ein klimaneutrales Verfahren, bis zu dessen Anwendbarkeit in der Verkehrsluftfahrt es noch ein weiter Weg ist. Allein die Speicherung des Wasserstoffs erfordert derzeit noch druckfeste Tanks, deren Gewicht den Einsatz im Flugzeug unmöglich macht.

VERKAUF AN ROLLS-ROYCE

Bei der diesjährigen internationalen Luftfahrtmesse in Le Bourget, Frankreich, verkündete Siemens im Juni den Verkauf der Sparte eAircraft an den Triebwerksbauer Rolls-Royce. Die Abwicklung der Transaktion soll bis zum Jahresende abgeschlossen sein. In diesem Zusammenhang gab der langjährige Leiter von eAircraft, Dr. Frank Anton, seine Position an den bisherigen Leiter für Verkauf und Geschäftsentwicklung Olaf Otto ab, um firmenintern den Umzug der Sparte zum neuen Eigentümer zu betreuen. Im täglichen Betrieb wird der Besitzerwechsel nur geringe Auswirkungen haben: Die eAircraft-Mitarbeiter betreuen ihre Arbeiten weiterhin von den Standorten in München, Erlangen und Budapest.

Der Antrieb des CityAirbus stammt von eAircraft. Viele Elektroprojekte entstehen in Kooperationen mehrerer Firmen


Eviation Alice: Weil Elektromotoren leicht und klein sind, ermöglichen sie ungewöhnliche Flugzeugdesigns


TURBINE UND E-MOTOR

Auch die in Elektrofahrzeugen eingesetzten Lithium-Ionen-Akkus – derzeit Stand der Technik, wenn es um chemische Energiespeicherung geht, sind aufgrund ihrer geringen Leistungsdichte in der Luftfahrt allenfalls dort einsetzbar, wo es um kurze Flugzeiten und kleine Luftfahrzeuge geht.

Die Lösung klingt zunächst paradox: Beim Hybridantrieb wird eine im Rumpf untergebrachte Gasturbine verwendet, um einen Generator zu betreiben. Der versorgt mit dem so erzeugten Strom dann wiederum den elektrischen Antrieb. Was zunächst wie eine umständliche und verlustreiche Umwandlung von Energieformen klingt – schießlich sorgt eine Wellenturbine als Tur-boprop oder -fan heute allein für Vorschub –, ergibt dennoch Sinn, weil sich erhebliche Effizienzsteigerungen ergeben.

Das liegt daran, dass Elektromotoren bei allen Drehzahlen von Leerlauf bis Volllast arbeiten mit gleichbleibend hohem Wirkungsgrad arbeiten und dabei klein und leicht sind. Deshalb lassen sich mehrere von ihnen überall am Flugzeug montieren – ganz anders als bei bisherigen Designs. Sechs Motoren an den Flächen, einer am Leitwerk? Die Konzeptstudie Apus i-6, an der eAircraft mitwirkt, sieht eigenartig aus. Ingenieure haben jedoch errechnet, dass ein solches Hybridflugzeug weniger Krafstoff verbraucht.

Die Bedeutung der Entwicklung von elektrischen Antrieben spiegelt sich auch im Engagement der Politik wieder: Für hybridelektrisches Fliegen hat die Bundesrepublik Deutschland für das laufende Jahr erstmals eine eigene Förderlinie geschaffen und unterstützt diesen Bereich mit 60 bis 90 Millionen Euro – ähnliche Programme existieren von der Europäischen Union und für weitere Forschungsgebiete in der Luftfahrt. In naher Zukunft werden den Spezialisten die Forschungsthemen wohl nicht ausgehen: Im Vergleich zur Triebwerksentwicklung konventioneller Motoren befindet sich die Elektrotechnologie gerade erst in den Kinderschuhen.

„Ein großer Teil unseres Engagements besteht darin, die Technologie des E-Antriebs voranzutreiben, um dessen Grenzen auszuloten. Erst danach folgt das konkrete Produkt. Der Markt der elektrischen Flugzeuge wird sich langsam in Richtung der Verkehrsflugzeuge entwickeln. Bereits jetzt gibt es Kleinflugzeuge, die erfolgreich fliegen. Bis zur nächsten Klasse, Commutern mit 9 bis 20 Sitzplätzen, wird es noch einige Zeit dauern. Neue Antriebstechnologien könnten diesen Markt, der aus Kostengründen derzeit kaum existiert, in Zukunft auch ökonomisch sinnvoll machen.

OLAF OTTO Leiter eAircraft

In experimentellen Versuchen werden die Daten für die Entwicklung des HTS-Antriebs (Hochtemperatur-Supraleiter) gesammelt


70kW: eAircraft ist nach eigenen Angaben der erste Hersteller, der derzeit die EASA-Zulassung für seinen SP70D-Motor vorantreibt


FOTOS: E AIRCRAFT

FOTOS: E AIRCRAFT