Seit dem Erstflug der HY4 vor fast sechs Jahren hat sich vieles verändert. Zu den technischen Fortschritten im Bereich alternativer Antriebe gesellt sich der politische Druck auf die Luftfahrtbranche, ihren CO2-Ausstoß zu verringern. In Stuttgart ist man bereits einen Schritt weiter. H2FLY, eine Ausgründung des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR) und der Universität Ulm, betreibt das viersitzige Testflugzeug HY4. Es trägt einen Wasserstoff-Brennstoffzellenantrieb unter der Haube, entwickelt von H2FLY-Gründer und -Unternehmenschef Prof. Dr. Josef Kallo und seinem Team. Seit Ende Februar und voraussichtlich noch bis Mai startet das Flugzeug zu regelmäßigen Testflügen vom Airport Stuttgart aus.
Die technische Machbarkeit eines Brennstoffzellenantriebs in der Luftfahrt hat die HY4 bei früheren Flugtests und mit mittlerweile mehr als 80 Starts bewiesen. Nun geht es darum, das Flugzeug im Alltagsbetrieb eines Verkehrsflughafens zu erproben und künftig mit nur einem Piloten fliegen zu können. "Die Testkampagne, die wir jetzt fliegen, dient auch der Vorbereitung für den Einsatz von Flüssigwasserstoff", erklärt Prof. Kallo.
Nächster Schritt für die HY4: Flüssigwasserstoff
Die jetzigen Flugtests standen ursprünglich schon im vergangenen Jahr auf dem Plan. Doch H2FLY zog es aufgrund der anstehenden Umrüstung auf Flüssigwasserstoff vor, das Antriebssystem komplett auseinanderzubauen und weiter zu verbessern: Die Steuerung des Kühlsystems sowie das Wasserstoffliefersystem wurden überarbeitet, komplett neue Brennstoffzellen eingebaut, die Kathodensysteme aufbereitet und die Steuerung der relativen Feuchte der Brennstoffzellen optimiert. Allein letzteres bringt 18 Prozent mehr Leistung.
Im Sommer soll die HY4 mit einem Kryotank ausgerüstet werden, der im Forschungsprojekt HEAVEN zusammen mit Air Liquide entwickelt wurde. Er fasst 16,5 Kilogramm Flüssigwasserstoff bei einem Druck von 4,5 bis 6 bar. Zum Vergleich: In die bisherigen zwei Druckwasserstofftanks, die auch weiterhin an Bord bleiben, passen je nach Druck (350 bis 438 bar) 7 bis 9 kg Wasserstoff. Das sorgt für eine Reichweite von bis zu 750 Kilometer. Ab Ende 2022 sollen die Bodentests mit dem eingebauten Flüssigwasserstofftank beginnen, für nächstes Frühjahr ist die Flugerprobung geplant.
1,5 Megawatt Leistung – wie ein konventionelles Turboprop-Aggregat
Parallel dazu entwickelt H2FLY einen Brennstoffzellenantrieb mit 1,5 Megawatt Leistung inklusive Kryotanks für ein Regionalflugzeug. Zu diesem Zweck schloss sich das Stuttgarter Start-up im vergangenen Jahr mit dem neuen deutschen Flugzeughersteller Deutsche Aircraft zusammen. Seit Anfang des Jahres arbeiten die beiden Unternehmen zusammen mit weiteren Partnern am LuFo-Projekt 328H2-FC. Ziel ist es, eine Dornier 328 mit einem Brennstoffzellensystem auszurüsten und ab Ende 2025 in die Flugerprobung zu gehen. Geplant ist ein Hybridsystem, allerdings nicht wie bei der HY4 mit Batterien, sondern zunächst im Zusammenspiel mit den Turboprop-Triebwerken der Dornier 328. Diese sollen für das Versuchsstadium parallel zu dem von Brennstoffzellen betriebenen Elektromotor bei Bedarf Drehmoment bereitstellen und die Testumgebung für den "Permit to fly" vereinfachen.
Dass H2FLY sein Brennstoffzellensystem an eine bestehende Plattform anpassen muss, stört Prof. Kallo nicht. "Für den Anfang, also die nächsten fünf bis acht Jahre, ist es für die Technologieentwicklung sogar vorteilhaft, wenn uns ein bestehendes Flugzeug die Leitplanken für unsere Technologie vorgibt." Neue Flugzeugformen, wie ein Blended Wing Body, seien in einem nächsten Schritt, ab etwa 2030 nötig, wenn man mehr Effizienz herausholen müsse.
Neue Komponenten müssen entwickelt werden
Von 120 kW auf 1,5 MW, das ist ein gewaltiger Sprung, der mit einigen Herausforderungen einhergeht. Die größte sind die Komponenten. In der Leistungsebene der HY4 können die Ingenieure teilweise auf Komponenten aus der Automobil-Industrie zurückgreifen. "Es sind Komponenten, die in hohen Volumen eine gute Qualität haben, so dass man daraus Systeme zusammenbauen kann", sagt Prof. Kallo. "Megawatt-Komponenten gibt es im Moment keine, schon gar nicht für die Luftfahrt." Deshalb habe man sich zunächst auf zwei bis drei Komponenten fokussiert, deren Entwicklung man zusammen mit internationalen Partnern vorantreibe. "Bei der 1,5-Megawatt-Schiene müssen zudem grundsätzliche Fragen angegangen werden: zum Beispiel höhere Spannungen, Spannungsfestigkeit, Schaltmöglichkeit für Ströme. Wir reden über 1000 A und 1500 V im maximalen Belastungsfall. Dafür sind Qualifizierungstests zu entwerfen."
Dass sich mit Zero Avia und Universal Hydrogen weitere Unternehmen mit dem Thema Luftfahrt-Brennstoffzellen beschäftigen, nimmt Prof. Kallo gelassen. Konkurrenz belebe schließlich das Geschäft. Die Direktverbrennung von Wasserstoff in modifizierten Turbofans, wie sie beispielsweise von Airbus und CFM International sowie von Pratt & Whitney untersucht wird, sieht er als komplementäre Entwicklung. Das ermögliche den Sprung in größere Leistungen und für längere Flugstrecken. "Jetzt wird es auch realistischer, dass wir Wasserstoff als Treibstoff haben werden", sagt er.
