Brennstoffzellen für E-Flugzeuge

US-Forscher setzen auf Wasserstoff – NASA finanziert Forschung an neuem Treibstoffkonzept

Forscher der University of Illinois entwickeln in einem von der NASA finanzierten Projekt einen neuartigen Ansatz für rein elektrische Flugzeuge. Obwohl Verbesserungen bei Karosserien und Motorsystemen die Flugeffizienz gesteigert haben, führt die anhaltende Abhängigkeit von Kohlenwasserstoff-Energieträgern nicht nur weiterhin zu schwankenden Betriebskosten, sondern die zivile Luftfahrt trägt auch nach wie vor erheblich zu den Treibhausgasemissionen bei. So soll z.B. der Flugverkehr in den USA und damit die Emissionen in den nächsten 20 Jahren um 90 Prozent steigen. Um diese Probleme anzugehen, schlägt diese Forschung einen grundlegenden Wandel weg vom Kerosin hin zu nachhaltigeren Energiequellen für die Luftfahrt und die Einführung neuer elektrisch angetriebener Antriebssysteme für kommerzielle Flugzeugsysteme vor, schreibt Debra Levey Larson am 13.05.2019 in den Nachrichten des College of Engineering der University of Illinois.

CHEETA (Center for Cryogenic High-Efficiency Electrical Technologies for Aircraft) heißt das Zentrum für kryogene hocheffiziente elektrische Technologien für Flugzeuge, für das die NASA über einen Zeitraum von drei Jahren 6 Millionen Dollar zur Verfügung stellen wird. “Im Wesentlichen konzentriert sich das Programm auf die Entwicklung einer vollelektrischen Flugzeugplattform, die ultrakalten flüssigen Wasserstoff als Energiespeichermethode verwendet”, sagte Phillip Ansell, Assistenzprofessor an der Fakultät für Luft- und Raumfahrttechnik der Universität in Urbana-Champaign und Forschungsleiter des Projekts. “Die chemische Wasserstoffenergie wird durch eine Reihe von Brennstoffzellen in elektrische Energie umgewandelt, die das hocheffiziente elektrische Antriebssystem antreiben. Die niedrigen Temperaturanforderungen des Wasserstoffsystems bieten auch die Möglichkeit, supraleitende oder verlustfreie Energieübertragungs- und Hochleistungsmotorensysteme einzusetzen.” Und Ansell fügte hinzu: “Es ist ähnlich wie bei der MRT, der Magnetresonanztomographie. Diese notwendigen elektrischen Antriebssysteme existieren jedoch noch nicht, und die Verfahren zur Integration elektrisch angetriebener Antriebstechnologien in eine Flugzeugplattform sind noch nicht effektiv etabliert. Dieses Programm soll diese Lücke schließen und grundlegende Beiträge zu Technologien leisten, die vollelektrische Flugzeuge der Zukunft ermöglichen.”

Der Wasserstoff soll nicht in schweren Druckflaschen transportiert werden, sondern in flüssiger Form in gut isolierten Tanks. Er hat eine Temperatur von weniger als minus 253 Grad Celsius. “Wir planen einen ultra-effizienten Elektroantrieb”, so Ansell. Dabei komme die niedrige Wasserstoff-Temperatur gerade recht, denn sie könne zur Kühlung von E-Motoren mit Spulen aus Hochtemperatur-Supraleitern (HTSL) genutzt werden. Diese setzen dem elektrischen Strom keinen Widerstand entgegen, sodass die ohnehin geringen Verluste dieser Antriebsart noch einmal reduziert werden. Bei der Kühlung der Elektromotoren erwärmt sich der Wasserstoff. Das macht aber nichts, denn ehe er in die Brennstoffzellen geleitet wird, muss er ohnehin gasförmig werden. Das geschieht bei der Motorkühlung – Hochtemperatur-Supraleiter funktionieren bei Temperaturen zwischen minus 180 und 240 Grad Celsius.

Co-Forschungsleiter ist Assistenzprofessor Kiruba Haran an der Fakultät für Elektro- und Computer-Ingenieurwesen der Universität von Illinois. “Die Fortschritte der letzten Jahre bei nicht-kryogenen Maschinen und Antrieben haben den elektrischen Antrieb kommerzieller Regionaljets der Realität näher gebracht, aber praktische kryogene Systeme bleiben aufgrund ihrer unübertroffenen Leistungsdichte und Effizienz der “heilige Gral” für große Flugzeuge”, sagte Haran. “Die Partnerschaften, die für dieses Projekt aufgebaut wurden, versetzen uns in die Lage, die erheblichen technischen Hürden, die auf diesem Weg bestehen, zu überwinden.”

Zu den noch zu lösenden Problemen gehört die Isolation der Kryobehälter, in denen der Flüssigwasserstoff transportiert wird. Sie muss effektiv und dünn sein, weil das Platzangebot an Bord beschränkt ist. Grafiker der Hochschule haben eine Prinzipskizze eines solchen Flugzeugs erstellt. Blau sind die Energiespeicher, grün der Antriebsstrang einschließlich Motoren und braun die Brennstoffzellen, zu denen auch eine Batterie als Puffer gehört.

Das Projekt umfasst die Teilnahme von acht weiteren Institutionen: Air Force Research Laboratory, Boeing Research and Technology, General Electric Global Research, The Ohio State University, Massachusetts Institute of Technology, University of Arkansas, University of Dayton Research Institute und Rensselaer Polytechnic Institute.

Die anderen Teammitglieder sind: Assistant Professor Kai James und Associate Professor Jason Merret, beide vom Department of Aerospace Engineering an der U of I; Arijit Banerjee, Assistant Professor am Department of Electrical and Computer Engineering in Illinois; Timothy Haugan vom Air Force Research Lab; Tina Stoia und Edward Mugica von Boeing Research and Technology; Edward Greitzer und David Hall vom Massachusetts Institute of Technology; Fang Luo und Alan Mantooth von der University of Arkansas; Michael Sumption von The Ohio State University; Ernst W. Stautner von General Electric Global Research, Bang-Hung Tsao vom University of Dayton Research Institute und Luigi Vanfretti vom Rensselaer Polytechnic Institute.

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