Brennstoffzellensystem-Entwicklung für die technische Aviatik (BETA)

BMVI/NOW

FKZ: 03B10704B

Der globale Luftverkehr trägt durch Emissionen zur Klimaerwärmung bei; besonders Emissionen wie Kohlenstoffdioxid (CO2) und Stickoxide (NOx) haben hier eine teils größere Wirkung als am Boden [1]. Daraus ergibt sich ein Bedarf für sicheres, „grünes“, emissionsarmes Fliegen ohne fossile Energieträger. Die aktuellen Umweltziele der Europäischen Union im Flightpath 2050 — Europe’s Vision for Aviation — sind: 75% Reduktion der CO2-Emissionen pro Passagierkilometer, 90% Reduktion der NOx-Emissionen, emissionsfreies Taxiing und recyclebare Luftfahrtzeuge [2].

Batterie- und brennstoffzellengespeiste Luftfahrzeugkonzepte, wie beispielsweise der CityAirbus (Abbildung 1) oder eine Konzeptstudie des DLR (Abbildung 2), bieten die Möglichkeit für „grünes“ Fliegen ohne fossile Energieträger [3]. Diese zukunftsfähigen Antriebskonzepte für Luftfahrzeuge entwickeln Ingenieure der Professur für Elektrische Energiesysteme an der Helmut Schmidt Universität, des DLR, der ZAL GmbH und der Airbus Operations GmbH gemeinsam im Projekt „Brennstoffzellensystem-Entwicklung für die technische Aviatik (BETA)“. So fördert das BMVI die Entwicklung von H2-to-Torque-Konzepten mit dem Projekt BETA im Rahmen des NIP – Nationales Innovationsprogramm Wasserstoff- und Brennstoffzellentechnologie.

Abbildung 1: City Airbus
Abbildung 1: CityAirbus
Abbildung 2: Konzeptstudie des DLR
Abbildung 2: Konzeptstudie des DLR

H2-to-Torque

H2-to-Torque ermöglicht neuartige, emissionsfreie Mobilitätskonzepte, die bisher nicht vorstellbar waren. H2-to-Torque bedeutet, dass Brennstoffzellen ohne DC-Bordnetz / Zwischennetz mit den Wicklungen eines Elektromotors verschaltet werden. Im übertragenen Sinne erzeugen die Wasserstoff-Brennstoffzellen (H2) das Drehmoment (engl. Torque) der Antriebswelle, ohne die Komponenten eines elektrischen Netzes. In Luftfahrzeugkonzepten wie The „Pod“ configuration von Airbus (Abbildung 3) finden daher alle hierfür benötigten Komponenten in einer Triebwerksnazelle Platz. Das H2-to-Torque-Konzept vereinfacht die Topografie der Energieversorgung: Die zentralen Brennstoffzellen-Systeme mit leistungsstarken DC/DC-Wandlern und DC-Zwischennetz fallen weg. Dies spart Material und Gewicht und erhöht die Sicherheit durch Redundanz. Abbildung 4 veranschaulicht das Konzept.

Abbildung 4: The "Pod" configuration
Abbildung 3: The „Pod“ configuration
H2-to-Torque
Abbildung 4: Dezentral gespeister Hauptantrieb (H2-to-Torque Konzept)

In klassischen Brennstoffzellen-Systemen regeln DC/DC-Wandler die Zwischennetzspannung sowie den Betriebspunkt der Brennstoffzellen. Ein über das Zwischennetz gespeister zentraler Wechselrichter sorgt für die Ansteuerung der Motorspulen (Abbildung 5). Da diese Komponenten durch die neue Technologie ersetz werden, müssen neue Konzepte und Regelstrategien zur Ansteuerung der Motorspulen sowie Regelung der Brennstoffzellen entwickelt werden.

Zentrale Systeme
Abbildung 5: Zentral gespeister Hauptantrieb mit Zwischennetzen (Klassisches Konzept)

Projektziel

Im Rahmen des Projektes entwickelt, realisiert und validiert die Professur ein Motor-Control-Unit-System (MCU-System), das die Motorspule mit elektrischer Energie versorgt. Das MCU-System besteht aus Schutzelektronik, Kommunikationsschnittstellen, Zustandserfassung und der Ansteuerung für die jeweiligen Motorspulen.

Zur Analyse und Optimierung des neuen MCU-Systems entwirft die Professur einen eigenen Prüfstand, der mit verschienden Versuchen die Funktion und die Zuverlässigkeit des neuen MCU-Systems validieren kann. Die Erkenntnisse der Prüfstand-Versuche fließen in einen Gesamtsystem-Prüfstand ein, der das Potential dieses H2-to-Torque Konzeptes verdeutlicht. Aufgebaut wird der Gesamtsystem-Prüfstand in Zusammenarbeit mit den Projektpartnern im ZAL.

Diese Weiterentwicklung und Integration der Brennstoffzellentechnik kann eine bedeutende Rolle bei der Abkehr von fossilen Energieträgern in der Mobilität spielen. Denkbare Nutzungsszenarien reichen von kleinen Fluggeräten bis hin zu Langstreckenflugzeugen. Besonders neuartige Mobilitätskonzepte wie Drohnen oder Lufttaxis sind so mit klimafreundlicher Wasserstofftechnik ausstattbar. Somit folgt das Projekt dem Leitsatz der Luftfahrtstrategie der deutschen Bundesregierung:

„Der deutsche Luftfahrtsektor leistet mit seinen Produkten einen entscheidenden Beitrag zu einem umweltverträglichen, leistungsfähigen Luftverkehrssystem, das eine wichtige Säule der gesamten Volkswirtschaft darstellt. Die Luftfahrtindustrie trägt als Technologieführer auch für andere Branchen dauerhaft und wesentlich zur Wertschöpfung in Deutschland bei [4].”

Projektkonsortium

Airbus
DLR
HSU (klein)
ZAL

Quellen

[1] Schumann, U. Klimawirkung des Luftverkehrs. Deutsches Zentrum für Luft-und Raumfahrt e.V. – Institut für Physik der Atmosphäre (2000).

[2] Darecki, M., et al. Flightpath 2050—Europe’s Vision for Aviation-Report of the High Level Group on Aviation Research. 2011

[3] Schefer, Hendrik, et al. Discussion on Electric Power Supply Systems for All Electric Aircraft. IEEE Access 8 (2020): 84188-84216

[4] Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (Hrsg.). Die Luftfahrtstrategie der Bundesregierung. März 2014

Ansprechpartner

Prof. Dr.-Ing. habil. Detlef Schulz (Teilprojektleiter)

Projektgruppe BETA:
Lukas Baum, M.Sc.
Dipl.-Ing. Florian Grumm
Carsten Cosse, M.Sc.
Fakultät für Elektrotechnik
Elektrische Energiesysteme

Kontakt: beta.ees@hsu-hh.de

HSU

Letzte Änderung: 30. November 2021