Erster Flug eines mit Flüssigwasserstoff betriebenen Elektroflugzeugs
Der Luftverkehr in der EU trägt zwar zu 3 % der weltweiten Emissionen bei, doch ist seine Wirkung auf den Klimawandel insgesamt aufgrund sekundärer Faktoren größer. Flugzeuge mit Wasserstoff-Elektroantrieb bieten eine weniger umweltschädliche Alternative, da das Brennstoffzellensystem elektrische Energie durch eine chemische Reaktion zwischen Wasserstoff und Sauerstoff erzeugt, bei der nur Wasserdampf entsteht. Außerdem arbeiten solche Systeme geräuschlos, was den Fluglärm verringert. „Um die Zuverlässigkeits-, Sicherheits- und Gewichtsstandards im Luftverkehr zu erfüllen, müssen jedoch zunächst kritische Aspekte des Brennstoffzellenbetriebs – insbesondere das Luft-, Kraftstoff-, Wasser- und Wärmemanagement – verbessert werden“, so Maria Sol Rau, Koordinatorin des EU-finanzierten Projekts HEAVEN. Das Projektkonsortium konzipierte einen Prototyp eines hybrid-elektrischen Antriebsstrangs, der aus einem Brennstoffzellensystem mit hoher Leistungsdichte und einem kryogenen Wasserstoffspeicher mit hoher Energiedichte besteht. „Wir haben wichtige Brennstoffzellen- und Flüssigwasserstoffinnovationen aus dem Automobil- und Raumfahrtsektor auf den Luftverkehr übertragen, Fachwissen aufgebaut und Leistung, Reichweite, Effizienz und Emissionssenkung validiert“, so Rau von H2FLY, dem Projektkoordinator. Im September 2023 absolvierte das HEAVEN-Konsortium mit dem Experimentalflugzeug HY4 auf dem Flughafen Maribor, Slowenien, erfolgreich den weltweit ersten Flug mit Flüssigwasserstoff.
Antriebsstrang bewährt sich
Die Integration von Brennstoffzellensystemen in ein Flugzeug, das mit kryogenem Wasserstoff als Alternative zu gasförmigem Wasserstoff betrieben werden kann, stellt eine Herausforderung dar. Standardkomponenten sind oft ungeeignet, wodurch maßgeschneiderte Optionen erforderlich sind. Außerdem muss die Infrastruktur den Einsatz von Wasserstoffspeichersystemen mit effektiver Entlüftung unterstützen, Transportnetze aufbauen und Betankungssysteme in Testanlagen oder Flughäfen einrichten. „Dazu sind erhebliche finanzielle Investitionen, eine sorgfältige Koordinierung und innovative technische Lösungen nötig. Doch wenn wir es richtig anpacken, versprechen wir uns eine wirklich wettbewerbsfähige Alternative zu herkömmlichen Verbrennungsmotoren, mit niedrigeren Betriebskosten, Dekarbonisierung und neuen Flugrouten“, fügt Rau hinzu. Im Rahmen des Projekts entwarf, baute und optimierte Air Liquide Advanced Technologies (ALAT) den Flüssigwasserstofftank sowie die notwendige Bodenunterstützungsausrüstung (mit Entlüftung) für Betankungsvorgänge nach den Anforderungen von H2FLY. Pipistrel Vertical Solutions war federführend bei der Integration des Flüssigwasserstofftanks in das Testflugzeug und setzte Änderungen an der Flugzeugzelle sowie strukturelle Sicherheitstests um. H2FLY koppelte in den Testanlagen von ALAT in Frankreich dann den Tank mit dem Brennstoffzellensystem des Flugzeugs. Im wasserstoffbetriebenen elektrischen Testflugzeug HY4 – das H2FLY zuvor für frühere Projekte wie das EU-finanzierte Projekt MAHEPA gekauft hatte – wurde im Spätsommer 2023 den Prototyp des HEAVEN-Antriebssystems vorgestellt. Mit sieben Testflügen – drei mit gasförmigem Wasserstoff und die letzten vier mit flüssigem Wasserstoff als Energiequelle – hat das HEAVEN-Konsortium erfolgreich nachgewiesen, dass Flüssigwasserstoff die maximale Reichweite des HY4-Flugzeugs von 750 km auf 1 500 km verdoppeln kann. „Wir haben in einem Test mehr als drei Stunden Flugzeit erreicht, mit positiven Gesamtergebnissen, die uns dem emissionsfreien, kommerziellen Mittel- und Langstreckenflug näher bringen“, kommentiert Rau.
Langstreckenpotenzial bei größeren Flugzeugen
Durch die Verwendung von verflüssigtem kryogenem Wasserstoff im Vergleich zur Speicherung von gasförmigem Wasserstoff unter Druck werden Gewicht und Volumen der Tanks erheblich verringert und Reichweite und Nutzlast des Flugzeugs erhöht. „Unser Fokus auf die Speicherung von Flüssigwasserstoff und die Infrastruktur im Luftverkehr trägt zu den Ambitionen der EU bei, ein Ökosystem für saubere Wasserstoffenergie in verschiedenen Sektoren zu schaffen, sowie zu dem Ziel des europäischen Grünen Deals, bis 2050 klimaneutral zu sein“, schließt Rau. Das Team arbeitet weiter an der Entwicklung der Brennstoffzelle und der Flüssigwasserstoffsysteme, um den Einsatz in größeren Flugzeugen mit höherer Reichweite zu fördern. Letztlich wird der Erfolg des Wasserstoff-Elektroflugzeugs auch von der Entwicklung einer geeigneten Flughafeninfrastruktur für Wasserstoff sowie von einer ausreichenden Produktion, Speicherung und Verteilung von grünem Flüssigwasserstoff abhängen.
Schlüsselbegriffe
HEAVEN, Wasserstoff, Flugzeug, Antrieb, Luftverkehr, Brennstoffzelle, kryogen, Flug, Treibhausgas
