Die Luftfahrt ist der am stärksten wachsende Verkehrssektor und Experten gehen davon aus, dass sich dieser Trend auch nach der Pandemie fortsetzen wird. Laut der International Energy Agency (IEA) trägt der Flugverkehr schon jetzt mit rund 2,5 Prozent der globalen CO2-Emissionen zum menschengemachten Klimawandel bei. Soll der Clean Aviation Fahrplan der EU eingehalten werden, dann besteht dringender Handlungsbedarf. Laut diesem sollen die ersten hybridelektrischen Flugzeuge 2035 in die Luft gehen.
Elektrifizierung der Luftfahrt
Wie in der Automobilindustrie will man auch in der Luftfahrtindustrie auf erneuerbare Energien umsteigen. Am vielversprechendsten sind elektrische Antriebslösungen. Die ideale Batterielösung sieht man hier wie dort in der Festkörperbatterie. Während die ersten Autos mit Festkörperbatterien schon 2025 erscheinen sollen, steht die Forschung in der Luftfahrt noch ziemlich am Anfang. Das liegt unter anderem an den ungleich höheren Anforderungen an Energiedichte und Systemsicherheit.
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„Die Elektrifizierung von Flugzeugen hat mit Sekundärsystemen wie Enteisung oder Aktuatorik begonnen“, erklärt Dr. Helmut Kühnelt, Forscher am Center for Low-Emission Transport am AIT Austrian Institute of Technology. Dabei verweist er auf die 2011 eingeführte Boeing Dreamliner 787, bei der erstmals Zapfluftsysteme sowie pneumatische und hydraulische Systeme elektrifiziert wurden. „Jetzt geht es aber um die Elektrifizierung des Antriebsstrangs und da steht die Entwicklung noch ziemlich am Anfang“, so der Forscher.
Batteriehybride Lösungen
Am AIT nähert man sich Problemstellungen in ganzheitlicher Art und forscht derzeit gleich in drei europäischen Projekten, in denen die Elektrifizierung der Luftfahrt vorangetrieben wird, IMOTHEP, ORCHESTRA und SOLIFLY. Im Fokus stehen batteriehybride Lösungen, die auf das Segment der Regionalflugzeuge für circa 50 Passagiere zielt. Wenn luftfahrttaugliche Batteriezelltechnologien erst vorhanden sind, wäre ein solches am schnellsten am Markt umzusetzen, erklärt Kühnelt.
Er selbst leitet das Projekt SOLIFLY, in dem die strukturelle Batterie für Luftfahrtanwendungen entwickelt werden soll. Die strukturelle Batterie steht für Bauteile, die beides besitzen, mechanische und Energiespeicher-Eigenschaften. Als solches hat sie das Potenzial Gewicht zu reduzieren und kann die Gesamtsystemeffizienz von Flugzeugen erhöhen. Den Antriebsstrang werde man mit diesem neuartigen Energiespeichersystem voraussichtlich nicht bedienen können, erklärt Kühnelt. Aber im elektrischen Flugzeug der Zukunft werde es voraussichtlich nicht nur eine Energiespeicherlösung geben, sondern ein hybrides System, das auf unterschiedliche Energiequellen zugreift.
Strukturelle Batterie
Im Projekt stellt sich die Frage nach dem Batteriekonzept und der strukturellen Integration. Wobei es auch zu einer erstmaligen Demonstration des neuartigen Systems
in einem luftfahrtrelevanten Bauteil kommen soll. Das Team SOLIFLY kann erst auf akademische Grundlagen zurückgreifen. Die Untersuchung von gezielten Luftfahrtanwendungen sei erstmalig, so Kühnelt. Über Industriepartner sollen zudem tatsächliche Erwartungen an die strukturelle Batterie einfließen.
Die Forscher knüpfen an bestehende Ansätze an und entwickeln zwei verschiedene Batteriekonzepte, deren Leistungen sie vergleichen. Beide Konzepte basieren auf Semi-Solid-State Batterien, bei denen der Elektrolyt aus einer offenporigen Polymermatrix und einer ionischen Flüssigkeit besteht. Letzteres ist ein nicht entflammbares Salz, das sicherer ist als konventionelle Flüssigelektrolyte. Den Elektrolyt gilt es zu optimieren. Sowohl für die Kathode als auch die Anode werden aktuelle Aktivmaterialien mit hoher Energiedichte verwendet.
Im einem der beiden Batteriekonzepte soll Aktivmaterial für die Beschichtung von Karbonfasern zur Anwendung kommen. Als Anode könnten Karbonfasern auch unbeschichtet als Stromableiter und Struktur dienen. Das sei auch der Umstand, dem die unkonventionelle Wahl der Semi-Solid-State -Batterie geschuldet ist, so Kühnelt.
In der Umsetzung werden Karbonfasern als strukturelle Stromleiter auf Anoden- und Kathodenseite eingesetzt. Die Beschichtungen dienen dann zur Energiespeicherung.
Im zweiten Batteriekonzept soll das Material zu dünnen Batteriezellen formuliert werden und dann im Karbonverbund in die Struktur integriert.
Problem der Integration
Bei der Integration der Batteriekonzepte gilt es vorzeitige Schädigungen zu vermeiden. Konzepte zur Verbindung von Strukturelement und Energiespeicher werden entwickelt und dann mit Computermodellen optimiert. „Die zwei Batteriekonzepte weisen unterschiedliche Integrationsgrade auf, eignen sich aber möglicherweise auch für unterschiedliche Anwendungsbereiche“, erklärt Kühnelt.
Das energiespeichernde Bauteil ist in der Anwendung hohen statischen und dynamischen Belastungen ausgesetzt, welche die Batterie schädigen können. Dazu kommt, dass verschiedene Zonen des Bauteils unterschiedlichen Belastungsarten ausgesetzt sind. Deshalb wird untersucht, welche Bereiche des Bauteils sich am besten zur Integration mit Energiespeichern eignen.
Der in der Struktur integrierten Zelle muss Energie zugeführt und wieder abgeführt werden. Dazu braucht es elektrische Leiter. Das werden voraussichtlich keine Kabel sein, sondern elektrisch leitende Bänder. Kühnelt: „Auch hier ist eine Herausforderung, die elektrischen Leiter so in die Struktur zu integrieren, dass keine frühzeitigen Schädigungen auftreten.“
Industrialisierung
Zu untersuchen ist weiters, in welchen Bauteilen die strukturelle Batterie umgesetzt werden kann. Relevante Anwendungsfälle sollen gemeinsam mit den Industriepartnern identifiziert werden. Wobei sich die Forscher zunächst auf den Innenraum konzentrieren. Dadurch fallen die Außenhaut betreffende Faktoren wie Fremdobjekteinschläge und Blitzschutz weg. Die strukturelle Batterie soll sich aber auf jeden Fall in der Nähe des zu speisenden Geräts befinden, um elektrische Verbindungen zu minimieren.
Das technische Forschungsziel ist dann erreicht, wenn es gelingt, die entwickelte Technologie in einem Demonstrator zu integrieren, deren strukturelle und elektrische Performance zu charakterisieren und mit dem konventionellen Paneel zu vergleichen. Der Demonstrator ist in diesem Fall ein versteiftes Paneel, das ein Standardbauteil darstellt und eine Größe von 40 mal 80 Zentimetern hat.
Weiters soll festgestellt werden, ob die Produktionsprozesse auch tatsächlich industrialisierbar sind und was es brauchen würde, die strukturelle Batterie zu industrialisieren. Dazu soll eine Technologie Roadmap und eine Technologie-Readiness-Level-Scale-Up-Strategie erstellt werden.
Brückentechnologie
Zunächst wird im Projekt der Semi-Solid-State-Ansatz verfolgt. Nach weiteren Technologieentwicklungsschritten sollen in Zukunft jedoch Festkörperbatterien integriert werden können. Im Unterschied zur konventionellen Lithium–Ionen-Batterie kommt die Festkörper-Batterietechnologie ohne flüssige Elektrolyte aus.
Auch in Verkehrsflugzeuge integrierbare Hochleistungsbatterien müssen erst entwickelt werden. Wobei die Energiedichten, die der Antriebsstrang erfordert, momentan auch noch nicht verfügbar sind. Bis die strukturelle Batterie erforscht ist, werde es aber noch deutlich länger dauern, so Kühnelt. Gleichzeitig muss auch der Flugzeugbau neu gedacht werden, wie dies die AIT-Forscher etwa im Projekt IMOTHEP tun. Der Forscher hofft, dass die beiden Entwicklungsstränge bis 2030 zusammengeführt werden können. Dann kann der ambitionierte Clean Aviation Fahrplan der EU eingehalten werden und die ersten hybridelektrischen Flugzeuge werden 2035 abheben.
Zum Projekt
Der Projektname SOLIFLY ist die Abkürzung für Semi-Solid-state LI-ion Batteries FunctionalLY Integrated in Composite Structures for Next Generation Hybrid Electric Airliners. Die Forscher des AIT forschen im Verbund mit den Luftfahrtforschungszentren ONERA (FRA) und CIRA (IT), den Universitäten Wien und Neapel sowie dem mittelständischen Unternehmen CUSTOMCELLS Itzehoe. (D)
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