19.12.2016
Erschienen in: 12/ 2016 FLUG REVUE

Brennstoffzellen sollen die Luftfahrt grüner machenBrennstoffzellenflugzeug HY4 fliegt

Wenn es nach dem Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) geht, ist die viersitzige HY4 nur der erste Schritt auf dem Weg zu größeren Passagierflugzeugen.

So still ist es am Stuttgarter Flughafen sonst nur nachts: In der Mittagszeit haben die beiden Testpiloten Johannes Anton und Nejc Faganelj am 29. September den Luftraum über dem Airport zehn Minuten lang für sich und das Experimentalflugzeug HY4. Sie fliegen mehrere Platzrunden in einer Höhe von etwa 500 Fuß. Als das Flugzeug mit der auffälligen Doppelrumpfkonstruktion über die Zuschauer des Erstflugs schwebt, ist nur ein leises Brummen der Propeller zu hören. „Die HY4 fliegt sich ein bisschen ungewöhnlich, weil wir abseits der Mitte nach rechts versetzt sitzen, und sie reagiert etwas langsamer als andere Flugzeuge“, sagt Johannes Anton, technischer Pilot des DLR, nach der Landung. „Aber sie ist vibrationsarm und fast komplett lautlos. Wenn man anschließend auf ein Flugzeug mit Verbrennungsmotor umsteigt, kommt es einem vor wie eine Dampfmaschine.“

Verantwortlich für die ungewohnte Akustik der HY4 ist der vom DLR entwickelte Antriebsstrang. Er besteht aus vier in Serie geschalteten Niedertemperatur-Brennstoffzellen mit Polymermembran des kanadischen Herstellers Hydrogenics. Hinzu kommen zwei Wasserstofftanks und zwei Lithium-Ionen-Hochleistungsbatterien. Die Brennstoffzellen wandeln den mitgeführten Wasserstoff mit Sauerstoff aus der Luft in Wasser und elektrische Energie um.

Damit wird ein permanenterregter Synchronmotor angetrieben, über den ein langsam drehender Zweiblattpropeller für den Vortrieb sorgt. Mit einer Leistung von 80 Kilowatt ermöglicht der Elektromotor, dessen Hersteller das DLR nicht nennen will, eine Höchstgeschwindigkeit von 200 km/h und eine Reisegeschwindigkeit von 145 km/h. Die Batterien kommen als Unterstützung bei Start und Steigflug zum Einsatz. Wird der benötigte Wasserstoff durch Elektrolyse mit Strom aus erneuerbaren Energien erzeugt, fliegt die HY4 nach Angaben des DLR komplett emissionsfrei.

Forscher erwarten 750 km Reichweite

Die HY4 basiert auf der Taurus G4, die wiederum  aus zwei Rümpfen des Elektroseglers Taurus Electro G2 des Projektpartners Pipistrel besteht. Das Engagement des slowenischen Flugzeugherstellers erklärt auch, warum der inoffizielle Erstflug bereits am 22. September am Flughafen Cerklje in Ostslowenien stattfand. Brennstoffzellen, Motor und Propeller sitzen in der Mitte zwischen den beiden Kabinen. In ihnen finden jeweils zwei Personen Platz, ein Pilot und drei Passagiere. Hinter den Sitzen sind die Batterien sowie Tanks für je neun Kilogramm Wasserstoff verbaut.

Das Cockpit unterscheidet sich in einigen Punkten von denen anderer Flugzeuge dieser Größe. „In der Mittelkonsole ist ein zusätzliches Display, um das Antriebssystem zu überwachen“, erklärt Johannes Anton. Darauf sehen die Piloten beispielsweise Temperaturen und Drücke der Brennstoffzellen und Subsysteme. Zudem wurden Schalter für die Bedienung einzelner Komponenten eingebaut. So kann unter anderem der Ausfall einer Brennstoffzelle simuliert werden.

Mit einer Reichweite zwischen 750 (mit Druckwasserstoff) und 1500 Kilometern (mit Flüssigwasserstoff) sehen die DLR-Forscher Einsatzmöglichkeiten der HY4 auf Kurzstrecken. „Kleine Passagierflugzeuge wie die HY4 können sehr bald im Regionalverkehr als Electric Air Taxis eingesetzt werden und eine flexible und schnelle Alternative zu bestehenden Transportmitteln bieten“, sagt Prof. Josef Kallo, HY4-Projektleiter und Professor an der Universität Ulm, die für die Leistungselektronik des Brennstoffzellenflugzeugs verantwortlich ist. 

Nach dem Erstflug wird der Antriebsstrang nun noch einmal im Labor getestet. Im März 2017 soll die eigentliche Flugerprobung beginnen und bis Oktober dauern. Dabei stehen Zuverlässigkeit und Effizienz im Alltagsbetrieb im Fokus. Die HY4 bleibt dafür am Flughafen Stuttgart, der das Projekt mit 180 000 Euro unterstützt. Dort befindet sich auch eine Wasserstofftankstelle. Nach den Flugtests will die DLR-Ausgründung H2Fly in die Produktentwicklung einsteigen. „Wir wollen nach drei Jahren einen ersten Prototyp eines Antriebsstrangs entwickelt haben, der auch in anderen Plattformen eingesetzt werden kann“, sagt Kallo. In fünf bis zehn Jahren könnten Brennstoffzellenflugzeuge nach seiner Ansicht vier bis acht Passagiere auf Kurzstrecken befördern.

Erster Brennstoffzellen-Flieger hob schon 2008 ab

HY4 ist nicht das erste Flugzeug, das seine Antriebsenergie aus Brennstoffzellen gewinnt. Schon 2008 flog eine modifizierte zweisitzige Diamond HK36 Super Dimona in Spanien mit einem von Boeing Research & Technology Europe entwickelten Hybridsystem aus Brennstoffzellen und Batterien. Und auch das DLR hat in den vergangenen zehn Jahren unter anderem mit der Antares DLR-H2, einem umgebauten einsitzigen Elektromotorsegler von Lange Aviation, Erfahrungen mit Wasserstoff-Brennstoffzellen gesammelt. Doch HY4 hat mit vier Sitzen eine größere Kapazität – und die Visionen der DLR-Wissenschaftler und ihrer Partner aus Industrie und Forschung gehen noch deutlich weiter. 

Boeing stellte 2008 klar, dass man Brennstoffzellen nicht als primäre Energiequelle für größere Passagierflugzeuge sehe, sondern höchstens als Alternative zur Auxiliary Power Unit (Hilfstriebwerk). „Große Passagierflugzeuge werden auf absehbare Zeit noch mit konventionellen Antrieben fliegen“, bestätigt Thess. Auch für Langstrecken ist das Brennstoffzellen-Batterie-System in Sachen Energiedichte Kerosin unterlegen. Dennoch sieht er Potenziale in der Luftfahrt: „Unser Ziel ist es, den Brennstoffzellen-Antriebsstrang weiter zu verbessern und ihn langfristig auch in Regionalflugzeugen mit bis zu 19 Passagieren zum Einsatz zu bringen.“ Dafür arbeitet das DLR zusammen mit der Airbus Group und Siemens, 20 Universitätsinstituten und der Helmholtz-Gemeinschaft Deutscher Forschungszentren. Die Allianz wurde im Juni auf der Internationalen Luft- und Raumfahrtmesse ILA in Berlin angekündigt. Kallo geht sogar noch weiter: Er hält einen 40-Sitzer mit einer Reichweite von 1000 Kilometern für technologisch möglich. Bis dahin ist es jedoch ein weiter Weg. 15 bis 20 Jahre könnte die Entwicklung dauern.

Technische Daten

HY4

Abmessungen

Länge: 7,4 m
Spannweite: 21,36 m 

Antrieb
Motorleistung: 80 kW
Dauerleistung Brennstoffzelle/Batterie: 45 kW/45 kW
Batteriekapazität: ca. 21 kWh bei 1 °C
Antriebsleistung im Reiseflug: 26 kW

Gewicht
Leergewicht (ohne Brennstoffzelle/Batterie): ca. 630 kg
Gewicht des Powermoduls mit Treibstoffspeicher: ca. 400 kg 
Maximalgewicht: 1500 kg

Geschwindigkeit und Reichweite
Höchstgeschwindigkeit: ca. 200 km/h
Reisefluggeschwindigkeit: 145 km/h
Reichweite: 750 bis 1500 km

FLUG REVUE Ausgabe 12/2016



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