Elektrische Flug­zeuge: erst als Hybrid, dann als Voll­stromer?

Elektro- und Hybridantriebe sollen die Luft­fahrt revolutionieren – doch vorerst bleibt konven­tionelle Trieb­werks­technik bei großen Passagier­flugzeugen unverzichtbar.

11.2018 | Autor: Dennis Dilba

Autor:
Dennis Dilba studierte Mechatronik, besuchte die Deutsche Jour­na­listen­schule und gründete das digitale Wissen­schafts­magazin Sub­stanz. Er schreibt über ver­schieden­ste Themen aus Technik und Wissen­schaft.

Hauptbahnhof München im Jahr 2037

Während im Untergeschoss im Fünf-Minuten-Takt die neuen ultra­schnellen Regional­bahnen stoppen, bedienen Elektro­hybrid-Jets von der Flug­ebene auf dem Dach aus Distanzen bis 1.000 Kilo­meter inner­halb Deutschlands und der Nachbar­länder. Am Flug­hafen im Erdinger Moos gibt es nur noch Fern­ver­bindungen zu euro­päischen und trans­konti­nentalen Zielen. Science-Fiction oder ziemlich nah an der Realität?

„Damit öffnen wir die Tür zu einer neuen Ära der Luftfahrt“

Dr. Frank Anton, Head eAircraft Siemens

Fliegen wird immer beliebter. Und dieser Trend wird nahezu allen Ein­schätzungen nach auch in den kommenden Jahr­zehnten anhalten. Airbus geht beispiels­weise in seinem Global Market Forecast 2018 davon aus, dass in den nächsten 20 Jahren ein Bedarf von 37.390 neuen Flug­zeugen besteht. Bis Ende 2037, so prognosti­ziert der euro­päische Luftfahrt­riese, werde die welt­weite Flotte von heute 21.453 auf mindestens 48.800 Maschinen anwachsen – und sich damit mehr als verdoppeln.

Bietet das rasante Wachstum auf der einen Seite beste Aus­sichten auf das Geschäft, ist es auf der anderen Seite eine enorme Heraus­forderung und Ver­pflichtung für die Branche: Ohne deutlich effi­zientere Tech­no­logien wird sich der Anteil der Luft­fahrt am globalen CO2-Aus­stoß von aktuell gut zwei Pro­zent bis Mitte dieses Jahr­hunderts auf mehr als acht Pro­zent vervier­fachen. Die Elektri­fi­zierung von Flug­zeugen ist eine der Antworten auf diese Ent­wicklung, sagt Dr. Frank Anton, Chef der Siemens eAircraft-Sparte.

(strich:E-Fan X)Bei dem vier­strahligen Proto­typ wird zunächst nur eines von vier Trieb­werken durch einen Elektro­antrieb ersetzt. Fahren Sie über das Bild für eine größere Ansicht

E-Fan XBei dem vier­strahligen Proto­typ wird zunächst nur eines von vier Trieb­werken durch einen Elektro­antrieb ersetzt.

aeroreport_e-fanx-3d-graphic

E-Fan XBei dem vier­strahligen Proto­typ wird zunächst nur eines von vier Trieb­werken durch einen Elektro­antrieb ersetzt.

(strich:Starling Jet)Bis zu 2.400 Kilo­meter soll der Proto­typ des Start-Ups Samad zurück­legen können. Fahren Sie über das Bild für eine größere Ansicht

Starling JetBis zu 2.400 Kilo­meter soll der Proto­typ des Start-Ups Samad zurück­legen können.

aeroreport_london_starling_jet

Starling JetBis zu 2.400 Kilo­meter soll der Proto­typ des Start-Ups Samad zurück­legen können.

(strich:Zunum Aero)Das Start-up will schon in vier Jahren seinen knapp 16 Meter langen Hybridjet auf den Markt bringen. Fahren Sie über das Bild für eine größere Ansicht

Zunum AeroDas Start-up will schon in vier Jahren seinen knapp 16 Meter langen Hybridjet auf den Markt bringen.

aeroreport_za10-over-mountains

Zunum AeroDas Start-up will schon in vier Jahren seinen knapp 16 Meter langen Hybridjet auf den Markt bringen.

Prototyp mit Hybridantrieb bereits in Bau

Der 62-jährige Physiker hat dabei allerdings nicht reine E-Flug­zeuge im Sinn: Zusammen mit Partnern wie Airbus will er einen seriellen hybrid­elektrischen Antriebs­strang in ein 100-sitziges Regional­flug­zeug einbauen und ein Test­flug­zeug abheben lassen. „E-Fan X“ heißt das Ganze, es ist das bisher größte Elektro­projekt für kom­mer­zielle Flug­zeuge. „Damit öffnen wir die Tür zu einer neuen Ära der Luft­fahrt“, ist sich Anton sicher. In diesem „Toyota Prius der Lüfte“ soll eine mit Kerosin befeuerte Gas­turbine im Rumpf einen elek­trischen Generator antreiben und auf diese Weise Strom produzieren. Die Tur­bine kann durch­gehend in ihrem optimalen Dreh­zahl­bereich arbeiten, was Sprit spart. Der Generator-Strom treibt dann die Elektro­motoren mit den Rotoren an. So lässt sich die benötigte Schub­leistung auch auf mehrere kleine Elektro­antriebe samt Propeller am Flügel oder Heck verteilen. Das wiederum setzt neue Formen im Flug­zeug­design voraus und soll eine bessere Aero­dynamik ermöglichen.

Je nach Einsatzgebiet und Sicherheits­anforderungen bekäme ein solches Hybrid-Elektro­flug­zeug eine größere oder kleinere zusätzliche Batterie, sagt Siemens-Experte Anton. „Die Turbine und der Generator können beispiels­weise so dimen­sioniert werden, dass sie gerade so viel Strom liefern, wie für den Reise­flug gebraucht wird. Während des energie­inten­siven Starts und Steig­flugs sorgt dann elek­trische Energie aus den Akkus für Extra­schub.“ Mit einer nur etwas größeren Turbine könnten die auf Reise­flughöhe weit­gehend entladenen Batterien auch während des Flugs wieder aufgeladen werden. Die Hybrid­­tech­no­logie macht auch eine zusätzliche und elegante Lade-Variante möglich: Im Sink­flug kann der Luft­strom die Pro­peller und damit die Elektro­motoren antreiben, die dann als Generatoren laufen und die Batterien füllen – ähnlich einem Hybrid­auto, das auf ab­schüssigen Strecken Brems­energie rück­gewinnt.

Weltweit erstmals vorgestellt wurde das serielle Hybrid-Konzept für Flug­zeuge 2011. An dem umge­bauten zwei­sitzigen Motor­segler „DA36 E-Star“ des öster­reichischen Her­stellers Diamond Aircraft war Frank Anton bereits beteiligt. Mit dem E-Fan X soll nun genauer unter­sucht werden, welche Potenziale der Hybrid­antrieb bei größeren Flug­zeugen hat. Deshalb wird in der vier­strahligen Test-Maschine vom Typ BAe 146 zu Beginn auch nur eines der vier Trieb­werke durch einen zwei Mega­watt starken Elektro­antrieb ersetzt. Das reiche aus, um die Effi­zienz zu unter­suchen, sagt Anton. Ein zweites Hybrid­trieb­werk soll nach erfolg­reichem Test folgen. „Wir versprechen uns Treib­stoff­ein­sparungen im signi­fikanten zwei­stelligen Prozent­bereich und Riesen­effekte bei der Lärm­minderung.“ Der passionierte Pilot und Flug­lehrer geht davon aus, dass es um 2035 Flug­zeuge gibt, die bis zu 100 Menschen hybrid­elektrisch über Distanzen von 500 bis 1.000 ­Kilometer trans­por­tieren können.

Slideshow

Boomende Branche: Weltweit wollen junge Start-Ups mit ihren E-Flugzeug-Prototypen zukünftig die Luftfahrt erobern.

aeroreport_01_Corey-Combs-Electric

AmpaireMit zwei Versionen ihres TailWind™-Modells will die amerikanische Firma in das elektrische Fliegen einsteigen.

aeroreport_02_eviation-aircraft-alice-prototyp-2017

EviationDas israelische Unternehmen konzentriert sich auf das rein elektrische Fliegen und hat bereits zwei Prototypen entwickelt.

aeroreport_03_Samad-10

SamadDas britische Unternehmen entwirft Prototypen für das hybridelektrische und rein elektrische Fliegen. Ihr Hybridprototyp Starling Jet soll ab 2024 in Serie ausgeliefert werden.

aeroreport_04_joby

Joby AviationDie Ingenieure des amerikanischen Unternehmens entwickeln den ersten Prototypen eines vertikal startenden und landenden E-Flugzeugs.

20 Prozent und mehr Treibstoffeinsparung nötig

Ob sich bei Flugzeugen mit so einem Antrieb wirklich ein wirt­schaftlich rele­vanter Vorteil zeigt, wird spannend zu beo­bachten sein, sagt Prof. Mirko Hornung. Als Vorstand Wissen­schaft und Technik des Forschungs­instituts Bauhaus Luftfahrt in München beschäftigt er sich seit Jahren mit den Potenzialen von Hybrid­flugzeugen. Es sei ja nicht so, dass die Luft­fahrt­industrie bisher tatenlos war, so Hornung: Die Branche investiere jedes Jahr Milliarden­beträge in die Entwicklung effi­zienterer Tech­no­logien. „Jede neue Flug­zeug­generation verbraucht im Schnitt 15 Pro­zent weniger Kerosin als die vorher­gehende“, sagt der Forscher. „Hybrid­flug­zeug-Konzepte müssen die Per­spek­tive auf 20 oder besser noch mehr Pro­zent Ein­sparungen bieten.“ Von den ersten Ein­schätzungen zum Effi­zienz­gewinn gingen nach Hornungs Erfahrung immer noch mal ein paar Prozent­punkte runter. Und da liegt die Gefahr: „Packen die Hybrid­flugzeuge 15 Pro­zent nicht, wird keine Airline sie kaufen.“ Der Bau­haus-­Luftfahrt-Vorstand warnt jeden­falls vor zu viel Euphorie bei den Hybrid­flug­zeugen: Elektro­motoren, Batterien und die Gas­turbine mit Gen­era­tor bedeuten, dass man die benötigte Leistung dreimal verbaue – und das mache solche Flug­zeuge schwerer. „Kann ich diese Gewichts-Nach­teile durch die aero­dy­namischen Vor­teile von verteilten Elektro­antrieben wirklich kompen­sieren? Dazu gibt es noch so gut wie keine belast­baren Aus­sagen“, so Hornung. Ein Projekt wie der E-Fan X, das die grund­sätzlichen Pro­bleme von Hybrid­antrieben offenlegt und mehr Gewissheit in die Diskussion bringt, sei daher der richtige Schritt.

Inside MTUEntwicklung hybrid-elektrischer Antriebsstränge

Gemeinsam mit Siemens, dem Schweizer Flugzeug­hersteller RUAG und dem Deutschen Zentrum für Luft- und Raum­fahrt (DLR) will die MTU Aero Engines sich an die Entwicklung hybrid-elektrischer Antriebs­stränge wagen. Als Erprobungs­träger für den Nachweis der Potenziale soll eine Dornier Do 228 fungieren und im Jahr 2021 hybrid-elektrisch fliegen. Zum Test der elektrischen Antriebs­systeme wird bereits 2020 ein kurzer, rein elektrischer Flug angestrebt. Die vier Partner bringen für dieses Vorhaben die erforderliche industrielle und wissen­schaftliche Kompe­tenz mit.

Hybridjet für Regionalstrecken schon 2022?

Für Zunum Aero hingegen sind alle Fragen offenbar schon weit­gehend beantwortet: Bereits 2022 will das US-Start-up aus Kirkland, einem Vorort von Seattle, seinen knapp 16 Meter langen Hy­bridjet für zwölf Passa­giere am Markt haben. Die kleine Maschine soll mit zwei 500-Kilo­watt-E-Motoren Tempo 550 erreichen und 1.130 Kilometer weit kommen.

Zunum geht durch Spriteinsparungen und geringere Wartungs­kosten der einfacher gebauten Elektro­antriebe von 40 bis 80 Pro­zent weniger Betriebs­kosten und 75 Pro­zent weniger Lärm aus als bei her­kömm­lichen Flug­zeugen. „So können wir das Nacht­flug­verbot umgehen, was den Betrieb noch wirt­schaftlicher macht“, sagt Zunums Marketing-Chefin Sandi Adam. In dem enormen Kosten­vorteil liege die große Chance des Start-ups. „In den USA fliegen auf Regional­strecken noch viele Flug­zeuge mit voll­kommen ineffi­zienter Technik aus den 1960er Jahren“, sagt Adam. Die alten Flieger ver­brennen bares Geld, die Airlines stünden einem Aus­tausch ihrer Flotten daher aufge­schlossen gegenüber. Tatsächlich hat die in Kali­fornien ansässige Charter­gesell­schaft JetSuite Ende Mai ange­kündigt, Zunum bis zu 100 Exem­plare des kleinen Hybrid-Fliegers abzu­nehmen. In vielen anderen Ländern sieht die Start-up-Managerin Adam ebenfalls gute Verkaufs­chancen. Sie schätzt das Gesamt­volumen des weltweiten Regional­flug­zeug­marktes auf eine Billion US-Dollar.

Spätestens diese Zahl hat wohl auch Boeings Risiko­kapital-Abteilung Horizon X überzeugt. Zusammen mit Jet Blue Technology Ventures stieg der Luftfahrt­konzern vor knapp einem Jahr in das Start-up ein. Über die investierte Summe herrscht allerdings genauso Still­schweigen wie über die verwendete Batterie­tech­no­logie. Vor allem Letzteres lässt Experten wie Hornung daran zweifeln, ob die Version, die in vier Jahren abheben soll, mehr sein kann als ein aller­erster Proto­typ. Zunums Chef Ashish Kumar ist sehr opti­mistisch und sich darüber hinaus auch sicher, dass bei den Akkus künftig noch große Fort­schritte zu erwarten sind. Er gehe davon aus, dass sein Hybrid­jet bis 2035 rund 2.400 Kilo­meter Reich­weite haben wird. Vielleicht werde man dann sogar auf die Gas­turbine und den Strom­generator verzichten können, sagt Kumar. Dr. Jörg Sieber, Leiter Inno­vations­manage­ment bei der MTU Aero Engines in München, ist da skeptisch: Die Speicher würden zwar schritt­weise immer besser, aber ein echter Durch­bruch in der Batterie­tech­no­logie sei einfach nicht zu erkennen.

Video: MTU-Experten antworten: Fliegen wir bald nur noch elektrisch? Artikel mit Video

MTU-Experten antworten: Fliegen wir bald nur noch elektrisch?

Dr. Jörg Sieber nimmt Stellung zu der Frage: Fliegen wir bald nur noch elektrisch? Dabei geht er auch auf das hybrid- elektrische Fliegen und die Weiter­entwicklungs­möglichkeiten konventionellen Gasturbine ein. Zum Video ...

Wandel in der Branche

„Für Fluganwendungen müssen die Batterien mindestens fünf bis zehn Mal leistungs­fähiger als heute sein“, sagt der MTU-Experte Sieber. Zusammen mit Partnern wie dem Bauhaus Luft­fahrt und Airbus untersucht er aktuell die Vor- und Nach­teile des elek­trischen und hybrid-elek­trischen Fliegens. „Wir wollen natürlich wissen, wann die Techno­logien markt­reif sind, um dann eventuell ent­sprechende Antriebe anbieten zu können.“ Die Elektrifi­zierung biete zwar neue Freiheits­grade im Flugzeug­design, sagt Sieber, seiner Einschätzung nach bleibe der rein elektrische Antrieb aber bis auf weiteres nur eine Option für leichte Motor­segler, Sport­flug­zeuge oder Flug­taxis auf Kurz­strecken. An einen Elektro-Jet für 180 Passagiere mit einer Reich­weite von 540 Kilo­metern, den das kali­for­nische Start-up Wright Electric der Billig­flug­linie Easyjet für das Jahr 2027 ver­sprochen hat, glaube er definitiv nicht, sagt der Experte. Selbst der Zeit­plan des staatlichen norwegischen Flug­hafen­betreibers Avinor sei äußerst ambi­tioniert: Ab 2040 sollen dort alle Inlands­flüge rein elektrisch sein. Gleich­wohl werden bereits in den kom­menden Jahren auch erste E-Flug­zeug-Proto­typen abheben, so der MTU-Ingenieur.

„Ohne zusätzliche, weitreichende Investitionen in effizientere Trieb­werke und Flugzeug­systeme sowie nachhaltige Treib­stoffe können wir kein Klimaziel erreichen.“

Dr. Jörg Sieber, Leiter Innovationsmanagement bei der MTU Aero Engines in München

Eine ganze Reihe von Start-ups hat das angekündigt. Etwa Eviation aus Israel, Ampaire und Joby Aviation aus den USA sowie Samad Aero­space aus Großbritannien. Wann ihre elek­trischen Klein­flug­zeuge abheben und wie weit sie dann kommen, werde sich zeigen, sagt Sieber. „Sicher ist aber jetzt schon, dass der Weg bis zu kommer­ziellen Anwen­dungen noch sehr lang ist – auch für das hybrid-elek­trische Fliegen. Bei Maschinen ab einer Größe der Airbus A320 wird man auch im Jahr 2050 noch die klassische Gas­turbine sehen“, sagt der Inno­vations­manager. Allerdings eine deutlich effizientere: „Beim Getriebe­fan, den wir gerade auf den Markt gebracht haben, können wir durch Weiter­entwicklung sicherlich noch einmal weitere 10 bis 15 Prozent Ver­bes­serungen im Brenn­stoff­verbrauch holen“, sagt Sieber. Weitere Effi­zienz­steigerungen bei den luftatmenden Trieb­werken stellen neuartige Kreis­­pro­zesse in Aussicht, wie etwa der sogenannte Composite-Cycle. Dieses zukunfts­weisende Konzept arbeitet mit Kolben­maschinen und ermöglicht Spitzen­druck­verhältnisse von über 300 im Vergleich zu nur etwa 60 bei modernsten Turbofan-Trieb­werken. Die Folge: 15 Pro­zent weniger Kraft­stoff­ver­brauch und zehn Prozent weniger NOx-Emissionen.

In der Branche sei allen klar, dass sich die Luft­fahrt in den kommenden Jahr­zehnten durch die zunehmende Elektri­fizierung wandeln wird, sagt Sieber. „Genau deshalb beobachten wir die Entwicklungen auch genau und stellen uns darauf ein.“ Einen Heilsbringer, der quasi über Nacht die Heraus­forderungen der Luft­fahrt löst, dürfe man aber nicht erwarten. „Ohne zusätzliche, weit­reichende Investi­tionen in effi­zientere Trieb­werke und Flugzeug­systeme sowie nachhaltige Treib­stoffe“, sagt Sieber, „können wir kein Klima­ziel erreichen.“

MTU-Newsletter
MTU-Newsletter

Unser Newsletter informiert Sie regelmäßig über Hochtechnologie und exzellenten Service „made by MTU“. Wir blicken aber auch über den Tellerrand hinaus auf allgemeine Luftfahrtthemen.

Diese Artikel könnten Sie auch interessieren: