Internationales Verkehrswesen (71) 3 | 2019 69 Zunehmende Elektrifizierung als Beitrag zu einer emissionsärmeren Luftfahrt CO 2 -Fußabdruck, Elektroantrieb, Hybridantrieb Eine wachsende Bevölkerung und damit die Zunahme des weltweiten Flugverkehrs haben zu vermehrter Kritik an der Luftfahrt geführt. Dabei wird oft übersehen, dass die Industrie schon lang an nachhaltigeren Lösungen arbeitet, bereits viel erreicht hat und nun radikal neue Ansätze erarbeitet. Peter Wehle B is 2030 werden 8,6 Milliarden Menschen auf der Erde leben; sechs Milliarden davon werden jährlich fliegen und fünf Milliarden in Städten leben. Es gibt kaum Zweifel, dass die Treibhausgas-Emissionen aus menschlicher Aktivität zum Anstieg der globalen Durchschnittstemperaturen im Laufe der letzten hundert Jahre geführt haben. Allein im Jahr 2019 werden die globalen, von Menschen erzeugten CO 2 -Emissionen 33 Mrd. t erreichen, wobei der Luftverkehr einen Anteil von nur ca. 2 % beisteuert. Die Internationale Zivilluftfahrtorganisation ICAO sowie die Luft- und Raumfahrtindustrie verschließen dennoch nicht die Augen vor den Umweltauswirkungen des wachsenden Luftverkehrs: Sie haben sich zum Ziel gesetzt, die CO 2 -Emissionen zu senken, streben eine jährliche Reduktion des Kraftstoffverbrauchs von 2 % sowie ein komplett klimaneutrales Wachstum ab 2020 an. Um den steigenden Bedarf an Flugreisen und das Erreichen der CO 2 -Emissionsziele zu vereinbaren, entwickelt die Luftfahrtindustrie ständig umweltfreundlichere Technologien und Praktiken. Notwendig ist darüber hinaus eine übergreifende Strategie des Sektors, der die Flugzeuge selbst, die Triebwerksauslegung, das Flugverkehrsmanagement und den Betrieb ebenso einschließt wie die Entwicklung von nachhaltigem Flugkraftstoff und marktorientierten Maßnahmen. Das unlängst eingeführte, globale marktbasierte Maßsystem CORSIA (Carbon-Offsetting and Reduction Scheme for International Aviation) trägt dem bereits Rechnung. Der Beginn der dritten Generation der Luftfahrt Die Elektrifizierung aller Transportsysteme kann einen weiteren Beitrag leisten, indem E-Fan X-Projekt als Technologie-Demonstrator für hybrid-elektrische Verkehrsflugzeuge Abbildung: Airbus, Fixion/ dreamstime.com Luftfahrt TECHNOLOGIE Internationales Verkehrswesen (71) 3 | 2019 70 TECHNOLOGIE Luftfahrt Elektro- und Hybridantriebe mit geringerem CO 2 -Fußabdruck entwickelt werden. Wie das auch in der Luftfahrt umgesetzt werden kann, ist derzeit Gegenstand der Forschung und Geschäftsidee von mehreren hundert Unternehmen weltweit, erstmalig auch für Passagierflugzeuge. Während ein reiner Elektroflug für kleinere Flugzeuge unter bestimmten Bedingungen bereits denkbar ist, kommen für größere Flugzeuge auf absehbare Zeit nur hybride elektrische Lösungen in Frage (siehe Bild 1), bei denen die Elektrifizierung mit modernen Gasturbinen, Generatoren und flugtauglicher Leistungselektronik kombiniert wird. Bei der Realisierung solcher Systeme liegen noch viele technologische und systemtechnische Herausforderungen vor uns: Energie im Multi-Megawattstunden-Bereich zu speichern, erfordert nicht nur deutlich leichtere Batterien als bis jetzt verfügbar, beherrscht werden muss auch deren Wärmemanagement und eine ganz neue Integrationskomplexität. Hochfrequenz- und Hochspannungsschaltgeräte, die geeignet sind für den Betrieb in großen Höhen, sind bislang nicht verfügbar. Gefordert ist eine Optimierung des Stromverbrauchs über die gesamte Lebensdauer der Systeme hinweg und ein Kontrollsystem, das die Verwaltung und das Management von Hybridsystemen mit Energiespeicherung erst flugtauglich macht. Auf dem Weg dahin müssen neue Kompetenzen aufgebaut und für den Betrieb Zertifizierungsregeln und Normen gemäß den besonders hohen Anforderungen der Luftfahrt vereinbart werden. Dennoch wird die Elektrifizierung voraussichtlich einmal eine ähnliche Wirkung auf die Luftfahrt haben wie der Austausch von Kolbenmotoren durch Gasturbinen. Gleichwohl werden diese noch für Jahrzehnte gebaut und betrieben werden - nur stetig verbessert -, denn bis jetzt können nur chemische Kraftstoffe die Energie in der erforderlichen Dichte liefern, die komfortable Mittel- und Langstreckenflüge ohne viele Zwischenstopps ermöglicht (Bild 2). Drei Elemente für einen umweltfreundlicheren Luftverkehr Nachhaltigkeit in der Luftfahrt verfolgt Rolls-Royce daher mit einer Strategie auf drei Säulen: erstens eine höhere Kraftstoffeffizienz der Gasturbinen, zweitens die Förderung der Entwicklung von umweltfreundlichen und nachhaltigen Flugkraftstoffen und drittens die zunehmende Elektrifizierung der Luftfahrt. Das Rolls-Royce Trent XWB-Triebwerk ist das derzeit effizienteste Großtriebwerk der Welt. Im Vergleich zu den ersten Motoren der Baureihe aus Mitte der 90er Jahre wurden mit ihm die CO 2 -Emissionen um 15 % reduziert. Das UltraFan®-Triebwerk, das ab Mitte des kommenden Jahrzehnts zum Einsatz kommen soll und für das im deutschen Dahlewitz wichtige Komponenten entwickelt werden, soll Einsparungen von 25 % in Bezug zur gleichen Basis erreichen. Die so erreichten Effizienzgewinne von circa 1 % pro Jahr reichen jedoch nicht aus, um die von der Branche selbst gesteckten Ziele für ein klimaneutrales Wachstum zu erreichen. Um dahin zu kommen, muss auch die Kraftstoffindustrie einbezogen werden. Nachhaltige Flugkraftstoffe auf Biomassebasis, aus organischen Abfällen und aus vollsynthetischen Prozessen werden derzeit punktuell erprobt. Rolls-Royce erwartet zukünftig eine signifikante Steigerung der Produktion. Während Kerosin und Turbinen für den Antrieb großer Flugzeuge für Jahrzehnte unumgänglich bleiben, wird der Antrieb kleinerer Flugzeuge zunehmend elektrifiziert. Hybride Systeme können die Intercity-Mobilität im regionalen Luftverkehr bereits bis 2030 revolutionieren, indem ein neuer Typ von Turboprops deutlich kraftstoffeffizienter und leiser als bisherige Konstruktionen unterwegs sein wird. Eine Vereinfachung des internen Designs der Gasturbine, neue Methoden zur Steuerung von Flugzeugen und ganz neue Plattformen können dabei kombiniert werden. Auf dem Weg zu konkreten Lösungen Rolls-Royce Deutschland hat erst im Juli 2019 eine Initiative zur Stärkung der Erforschung und Entwicklung hybridelektrischer EVTOL 200nm Electrification and Civil Aerospace Small Regional 400nm Large Regional 850nm Narrowbody & small/ medium bizjets 1,500nm Widebody & large bizjets 4,000nm All electric Hybrid-electric More electric Distance Power/ kg Electrical capability is growing rapidly 1992 2009 2021 2030s 1kW/ kg 3kW/ kg 150 Wh/ kg 8 kW/ kg 350 Wh/ kg 20 kW/ kg 1000 Wh/ kg 5 kW/ kg 8 kW/ kg 20 kW/ kg Time A330 B787 E-Fan X demo Future hybrid/ electric narrowbody Bild 1: Elektrifizierung in der zivilen Luftfahrt Alle Grafiken: Rolls Royce Bild 2: Die Möglichkeiten der Elektrifizierung in der Luftfahrt hängen von der verfügbaren Leistungsdichte pro Systemgewicht ab. Internationales Verkehrswesen (71) 3 | 2019 71 Luftfahrt TECHNOLOGIE Energie- und Antriebssysteme im Bereich von 400 kW bis 1.000 kW vorgestellt. Der formelle Start des Programms steht unter dem Vorbehalt entsprechender behördlicher Genehmigungen. Wenn diese vorliegen, werden damit andere Unternehmensprojekte in Großbritannien, den USA und Singapur ergänzt. Im Juni 2019 unterzeichnete Rolls-Royce zudem einen Vertrag über den Erwerb der elektrischen und hybridelektrischen Antriebsaktivitäten von Siemens (eAircraft-Geschäft), ein Schritt, der die Umsetzung der Elektrifizierungsstrategie weiter beschleunigen wird. In Großbritannien entwickelt das Unternehmen bereits heute elektrische Fähigkeiten in mehreren Initiativen, darunter ein vollelektrisches Demonstrationsflugzeug, das versuchen wird, den Geschwindigkeitsweltrekord im reinen Elektroflug zu brechen. ACCEL - kurz für „Accelerating the Electrification of Flight“ bezieht Partner wie den Elektromotoren- und Steuerungshersteller YASA und das Luftfahrtunternehmen Electroflight ein. Fortschritte bei der Elektrifizierung der Luftfahrt zeigten unlängst auch die erfolgreichen Bodentests eines hybriden Antriebssystems. Dieses könnte in einer Reihe kleinerer Verkehrsplattformen eingesetzt werden, darunter EVTOLs (hybrid-elektrische Luftfahrzeuge, die senkrecht starten und landen können), Flugzeuge der Allgemeinen Luftfahrt und Hybridhubschrauber. Der Antrieb dafür basiert auf dem Gasturbinenmotor M250, der bereits viele zehntausend Mal produziert wurde. Komplette Motortests fanden im US-Werk in Indianapolis statt, wo Komponenten und Subsysteme einzeln getestet wurden. Schon im vergangenen Jahr hat Rolls-Royce ein EVTOL- Konzept vorgestellt, das mit einer solchen Hybridlösung betrieben werden könnte. Mit Airbus arbeitet Rolls-Royce schließlich gemeinsam am E-Fan X-Projekt, einem Technologie-Demonstrator, der als Sprungbrett zu hybriden elektrischen Verkehrsflugzeugen in der Größenordnung der heutigen Single-Aisle-Familie dienen kann (siehe großes Bild). Der Demonstrator ist technisch gesehen ein Parallelhybrid mit Gasturbinen, die drei der vier Fans antreiben. Der eigentliche Hybrid besteht aus einer Rolls-Royce- Gasturbine mit integriertem 2,5-MW-Generator, einem 2-MW-Elektroaggregat (Motor) und einem passenden Batteriesatz. Er wurde entwickelt, um die serielle hybride elektrische Antriebsarchitektur zu testen. Rolls- Royce verantwortet dabei unter anderem die Entwicklung des leistungsstärksten Fluggenerators der Welt. Der Erstflug ist für das Jahr 2021 vorgesehen. Die Rahmenbedingungen müssen-stimmen Um diese neue Zukunft noch effizienterer, elektrischer und hybrider Flugzeugantriebe zu realisieren, muss die gesamte Luftfahrtindustrie international gemeinsam mit Regierungen, Behörden und Regulierungsstellen zusammenarbeiten. Globale Normen sind für die Luftfahrtindustrie von entscheidender Bedeutung, da die Produkte auf der ganzen Welt eingesetzt werden. Für rasche Fortschritte bei den notwendigen, großen Forschungs- und Entwicklungsaufgaben und dem Aufbau einer ganz neuen Testinfrastruktur wird die dritte Generation der Luftfahrt darüber hinaus auf staatliche Förderung angewiesen sein - so wie sie in einigen Bundesländern und bei einzelnen LuFo-Projekten bereits vereinbart wurde. ■ Peter Wehle, Dr. Leiter Innovation und Forschung & Technologie, Rolls-Royce Deutschland, Blankenfelde-Mahlow peter.wehle@rolls-royce.com eMove360° Europe 2019 4. Internationale Fachmesse für die Mobilität 4.0 elektrisch vernetzt autonom 15. - 17. Oktober 2019, Messe München KOSTENLOSES CODE: EM19-APS3GHGF MESSETICKET www.emove360.com Anzeige eMove 210 x 139 + 3 mm deutsch.indd 1 01.08.2019 10: 01: 09