Wasserstofftechnik Brennstoffzellensystem auf Basis grüner Wasserstofftechnologie für Kleinflugzeuge

Redakteur: Dipl.-Ing. (FH) Thomas Kuther

Die Hochschule für angewandte Wissenschaften Würzburg-Schweinfurt (FHWS) entwickelt mit Industriepartnern ein Brennstoffzellensystem für die Luftfahrt. Ziel ist die Bereitstellung von alltagstauglichen, wirtschaftlichen Kleinflugzeugen auf Basis grüner Wasserstofftechnologie

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Das Projektteam des Labors für Thermodynamik: (von liinks): Prof. Dr. Johannes Paulus, Wolfgang Schwarz (kniend), Christina Heller, Toni Schott (kniend), Stefan Hauer, Roland Oppelt, nicht abgebildet: Dr. Isabell Wirth, Nils Lutz.
Das Projektteam des Labors für Thermodynamik: (von liinks): Prof. Dr. Johannes Paulus, Wolfgang Schwarz (kniend), Christina Heller, Toni Schott (kniend), Stefan Hauer, Roland Oppelt, nicht abgebildet: Dr. Isabell Wirth, Nils Lutz.
(Bild: FHWS / Herterich)

Grüner Wasserstoff für die Electric Air Mobility: Umweltfreundliche Antriebsysteme stehen nicht nur bei Fahrzeugen, sondern auch im Flugverkehr im Fokus. Im Rahmen des Projekts „HyFly“ wird an der Hochschule für angewandte Wissenschaften Würzburg-Schweinfurt (FHWS) an der Entwicklung, Integration, dem Aufbau und Test eines Brennstoffzellensystems für die allgemeine Luftfahrt geforscht und ein Brennstoffzellenantrieb konzipiert.

1,1 Millionen Euro Fördersumme

Das Projekt hat in vier Teilprojekten gegliedert, eine gesamte Fördersumme von 1,1 Mio. €. Industriepartner sind die Flugzeugentwickler PS-HyTech, Kasaero und Flying AD. PS-HyTech entwickelt und vermarktet technologische Lösungen im Energie- und Mobilitätssektor auf Basis von grünem Wasserstoff. Kasaero ist ein Composite-Konstruktions- und Zertifizierungsspezialist für Luftfahrzeuge. Das österreichische Unternehmen Flying AD bietet Flugtests und Zertifizierungen in einem Bereich von Ultraleichtflugzeugen bis hin zu Business Jets an.

Von Seiten der FHWS sind federführend das Labor für Thermodynamik in Schweinfurt sowie das Technologietransferzentrum Elektromobilität (TTZ-EMO) in Bad Neustadt für die elektrische Integration beteiligt. Die Förderung des Vorhabens erfolgt über das Förderprogramm „Zentrales Innovationsprogramm Mittelstand“ (ZIM).

Bestehende Brennstoffzellensysteme sind zu schwer für die Luftfahrt

Es gibt zwar schon Brennstoffzellensysteme, die beispielsweise in Autos genutzt werden, diese sind jedoch zu schwer und deshalb für die Luftfahrt nicht nutzbar. Brennstoffzellenantriebe für Flugzeuge müssen, um in Serie verbaut werden zu können, technisch wie wirtschaftlich weiterentwickelt werden.

Erste Kleinflugzeuge mit einem Elektroantrieb sind am Markt verfügbar und zugelassen, jedoch können sie auf Basis von Lithium-Ionen-Akkus als Energiespeicher aus Gewichtsgründen nur kurze Strecken zurücklegen. Für kleine Rundflüge kein Problem, für den Einsatz in der Logistik oder bei Rettungseinsätzen jedoch ungeeignet.

Neuer Lösungsansatz soll das Problem lösen

Der Lösungsansatz für dieses Problem sieht jetzt so aus: Die vorhandenen Antriebskonzepte sollen mit einer neuen Entwicklung, sogenannten Brennstoffzellen-Stacks, kombiniert werden.

„Der Brennstoffzellen-Stack“, erklärt Prof. Dr. Johannes Paulus „erzeugt aus Wasserstoff die elektrische Energie, die eine Batterie laden oder den Elektromotor des Flugzeugs direkt antreiben kann. Ein Stack ist ein Stapel bestehend aus vielen einzelnen Brennstoffzellen, die elektrisch in Reihe geschaltet sind. In jeder einzelnen Brennstoffzelle wird Wasserstoff kontinuierlich zugeführt und mit dem Sauerstoff der Luft in Wasser und elektrische Energie umgewandelt. Dabei entstehen keinerlei Schadstoffe wie Feinstaub, Stickoxide oder sonstige Schadstoffe.“

Die großen Vorteile der Technik liegen u.a. in der Möglichkeit, „grünen“, also emissionsfrei erzeugten Wasserstoff, für den Betrieb der Flugzeuge zu verwenden und ökologische, ökonomische sowie technische Herausforderungen parallel abdecken zu können.

Mögliche Märkte für Kleinflugzeug-Einsätze mit Elektroantrieb

Die Projektpartner aus Wissenschaft und Wirtschaft sehen einen umfangreichen Markt für die „Electric Air Mobility“. Dazu zählen:

  • die Produktion von Flugzeugen, Drohnen, Reisemobilen und Booten,
  • den innerbetrieblichen Transport auf Flughäfen und Logistikzentren,
  • Air-Taxis und Lieferservices,
  • den Einsatz in der Wissenschaft, im Naturschutz, beim Katastrophenschutz, bei der Polizei und im Grenzschutz,
  • Flugsportvereine, Flugschulen, Privatpiloten, Dienstreisende, Buschflieger sowie Farmer.

Vier Teilvorhaben des Projektes

Das Projekt ist untergliedert in vier Teilvorhaben – drei werden von Industriepartnern bearbeitet, ein viertes von der FHWS: Sie bearbeitet die Bereiche Systemintegration, den Aufbau sowie die experimentelle und theoretische Analyse eines Brennstoffzellensystems für Leichtflugzeuge und die Optimierung der Brennstoffzellen-Antriebskomponenten.

Entwicklung im Labor für Thermodynamik und im TTZ-EMO

Realisiert werden diese Schritte im Schweinfurter Labor für Thermodynamik sowie im Bad Neustädter TTZ-EMO. Während im Labor für Thermodynamik die Brennstoffzelle mit der Peripherie und deren Steuerung entwickelt wird, wird im Technologietransferzentrum das rein elektrische System von der Batterie, ihrem Laderegler bis hin zum Motor untersucht. Beide Hochschul-Institutionen übernehmen im Projekt „HyFly“ den Aufbau, die Inbetriebnahme und Analyse des Antriebsstranges als Labormodell gemeinsam. Nach dem ersten Schritt einer Untersuchung der elektrischen, mechanischen und verfahrenstechnischen Teilfunktionen erfolgt in einem zweiten Schritt die Zusammenführung der Einzelteile zu einem Gesamtantriebsstrang. Dieser wird abschließend einem Gesamttest unterzogen.

Wasserstoff ist entscheidend für die Erreichung der angestrebten Klimaziele

Prof. Dr. Paulus ergänzt: „Das Labor für Thermodynamik der FHWS befasst sich schon seit vielen Jahren mit dem Thema Wasserstoff und hat mehrere Forschungsprojekte in diesem Bereich erfolgreich durchgeführt. Die Nutzung von Wasserstoff als Energieträger ist entscheidend für die Erreichung der angestrebten Klimaziele und die Kerntechnologie in der Transformation der bestehenden industriellen Strukturen hin zu einer nachhaltigen, klimaneutralen Industrie. Auf diesem Zukunftsfeld startet die Fakultät Maschinenbau ab Oktober mit dem neuen Bachelorstudiengang Wasserstofftechnik. Für den Erfolg des Studienganges und weiterer Forschungsprojekte ist es außerordentlich wichtig, dass die Bereitstellung von neuen Laboren, Personal und Geräteinfrastruktur zügig erfolgt und den Ankündigungen konkrete und substantielle Schritte folgen. Das Team und die Fakultät Maschinenbau sind hochmotiviert und freuen sich, die Herausforderungen anzupacken.“

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