Keine CO2 Emission, kein Motorenlärm - Fliegen mit Wasserstoff

Fliegen nur mit Wasserdampf-Emission: Ohne CO2, ohne Motorenlärm, für große Reichweiten und erschwinglich für die allgemeine Luftfahrt - HYFLY entwickelt Antriebslösungen auf Hydrogen-Basis

Ingenieure in Deutschland entwickeln die umweltfreundlichste Art des Fliegens für jedermann: CO2-neutraler und flüsterleiser Elektro-Wasserstoff-Antrieb für Motorsegler, Ultraleicht- und Kleinflugzeuge begeistert Piloten – hyfly.one motiviert Investoren und Kooperationspartner zur Zusammenarbeit

Der renommierte Flugzeugkonstrukteur Kasaero und Wasserstoff-Spezialisten von PS-HyTech arbeiten an einem völlig neuartigen Antriebssystem: Mit ihm werden Motorsegler, Ultraleicht- und Kleinflugzeuge schon in naher Zukunft elektrisch ebenso lange Strecken in der Luft bleiben können wie Maschinen mit Verbrennungsmotor. Die Kombination aus Elektromotor und Brennstoffzelle wird lediglich Wasserdampf ausstoßen, der CO₂-Fußabdruck ist gleich null und Motorenlärm gibt es auch nicht mehr. Die Zertifizierung nach LTF-UL 2020 durch Kasaero in Deutschland ermöglicht einen zügigen Marktstart.

Neben Umweltschutzaspekten hat das System einen gewichtigen Vorteil gegenüber Batterieflugzeugen: Bei gleicher Abflugmasse ist ein Mehrfaches an Reichweite möglich. Das innovative Konstruktionskonzept von PS-HyTech und Kasaero reduziert zudem das Risiko, das von sich überhitzenden Lithium-Ionen-Batterien in der Luft ausgeht. Für kleine Flugplätze wird es passend zum Elektro-Wasserstoff-Antrieb in der Luft eine bezahlbare mobile „grüne" Wasserstoffversorgung am Boden geben. Das Konsortium ist offen für Partnerschaften mit Investoren und Flugzeugherstellern und hat hierzu die Kooperationsplattform hyfly.one gegründet.

Grüner Wasserstoff gilt bei Experten weltweit als Treibstoff mit Zukunft. Große Flugzeughersteller wie Airbus kündigen für 2035 ihren ersten komplett wasserstoff-betriebenen Airliner an. Die bayerische PS-HyTech GmbH und der schwäbische Flugzeugbauspezialist Kasaero GmbH planen bereits für 2022 ein zugelassenes Energieversorgungssystem für Ultraleichtflieger – wenig später auch für viersitzige Kleinflugzeuge - das in Serienproduktionen einfließen und optional auch als Nachrüstsatz erhältlich sein wird. Die schnelle Entwicklung und Zulassung ist durch die enge Zusammenarbeit in Know-how-Clustern im Süden Deutschlands und innovative Zertifizierungsvorschriften, die es in dieser Form nur in Deutschland gibt, möglich. Internationale Hersteller und Kleinserienproduzenten von Replikas, Wasserflugzeugen und UAVs (Drohnen) haben bereits ihr Interesse für eine Zusammenarbeit bekundet. 

Luftfahrt muss umweltfreundlicher werden – darin sind sich alle einig. Wichtige Flugzeughersteller schlagen heute deshalb einen Kurs ein, den bereits die Autoindustrie mit Elektromobilität geht. Und tatsächlich haben elektrisch angetriebene Propeller-Flugzeuge viele Vorteile: Weniger Bauteile im Antriebssystem reduzieren den Wartungsaufwand, das zeitaufwändige, laute und spritkonsumierende Warmlaufen am Boden entfällt, kleine Motoren im Fahrwerk erlauben das Rollen ohne Propeller – und in der Luft bringen Elektromotoren solide konstant hohe Leistung bei minimaler Geräuschentwicklung. Nachteil stromgetriebener Flieger ist allerdings das geringe Energiespeichervermögen selbst modernster Batterien. Zu geringe Kapazitäten für lange Strecken, langwieriges Aufladen, Störanfälligkeit bei tiefen und hohen Temperaturen, die erforderliche Kühlung von Lithium-Ionen-Akkus zum Schutz vor Überhitzung und Explosion sowie eine begrenzte Anzahl von Ladezyklen, die die Lebensdauer limitiert. Akkus enthalten zahlreiche Umweltgifte, sind schwer und voluminös und reduzieren damit die mögliche Zuladung. Bei monatelangen Standzeiten ist die Selbstentladung von Akkus spürbar. Und wer sein Elektroflugzeug bei Zwischenlandungen oder unterwegs aufladen will, der kann nicht ausschließen, dies dann doch mit „unsauberem" Strom aus nicht nachhaltigen Quellen tun zu müssen. 

Das Elektro-Wasserstoff-System von Kasaero und PS-HyTech löst viele dieser Probleme. PS-HyTech und Kasaero gehen aber noch einen Schritt weiter: Passend zu ihrem System bereiten sie auch eigenständige Infrastruktur-Einrichtungen für kleine und große Flugplätze vor. „Grüner Wasserstoff" wird dezentral vor Ort produziert, gespeichert und getankt. 

Klaus Ohlmann, Testpilot der Kasaero GmbH und Pionier im Elektroflug, stellte im Rahmen des chinesischen e-Flight-Forums 2020 neue Möglichkeiten vor, kleine und leichte Flugzeuge zeitnah mit umweltfreundlichen Wasserstoffantrieben auszustatten und innerhalb der nächsten zwei bis drei Jahre mit Zulassung in die Luft zu bringen. Der Weltrekordhalter spricht sich in seinem Vortrag, der auf der Website www.hyfly.one abgerufen werden kann, für einen Wandel in der Antriebstechnik von Motorseglern, Ultraleicht- und Kleinflugzeugen. Ziele sind mehr Reichweite, geringeres Gewicht, höhere Nutzlast und ergonomischere, geräuscharme Cockpits – alles erreichbar durch die Kombination aus Wasserstoff-Brennstoffzelle und Elektromotoren. Wasserstoff kann in speziellen Tanksystemen mühelos gespeichert und sicher in Flugzeuge integriert werden, wo Brennstoffzellen sehr energieeffizient für eine Verstromung und Reichweiten von mehreren tausend Kilometern ohne Unterbrechung im Elektroflug sorgen.

Die Ingenieure von HYFLY sehen ein großes Potenzial für umweltfreundliche Antriebe in Motorseglern, ultraleichten und kleinen Flugzeugen, die für viele Menschen erschwinglich sind. Die „Massentauglichkeit" hilft dabei, die Produktionsmengen neuartiger Komponenten zu erhöhen und damit den Kaufpreis zu reduzieren. Ebenso können Erfahrungen gesammelt werden, um künftige Systeme auch für größere Flugzeuge zu skalieren, die als Lufttaxis, Personentransporter oder Frachtmaschinen wesentlich höhere Prüf- und Zulassungsvorschriften erfüllen müssen.

Das PS-HyTech-/Kasaero-System lässt sich in verschiedene Flugzeugtypen integrieren, ändert nicht die äußere Kontur der Flugzeughülle und damit auch nicht die Aerodynamik - und es ermöglicht durch das bislang unerreicht geringe Gewicht größere Nutzlasten, als dies heute bei batteriebetriebenen Fliegern denkbar ist. 

„Das Bild, das vom Energieträger Wasserstoff in der Öffentlichkeit gezeichnet wird, ist nach wie vor stark verzerrt", erklärt Diplom-Ingenieur Peter Stadthalter, Geschäftsführender Gesellschafter der PS-HyTech GmbH. „Bei vielen Gesprächen mit potenziellen Kunden erleben wir, dass der deutschsprachige Begriff ‚Brennstoffzelle' suggeriert, dass es hier eine Verbrennung gäbe und direkt Antriebsenergie freigesetzt würde. Das stimmt so natürlich nicht. Ein Wasserstoff-System ist eher ein autonomer Energieerzeuger, der mit simplen und unschädlichen chemischen Reaktionen arbeitet und für kleinere Flugzeuge ein smarter, zuverlässiger, sicherer und günstiger Batterieersatz sein kann."

Wasserstoff ist ein grüner Energiespeicher, der seit über 100 Jahren vielfältig genutzt wird und sehr umweltschonend, mit relativ geringem Aufwand und ohne Umweltbelastung direkt aus nachhaltiger Wasserkraft, Windenergie oder Solar-Strom erzeugt werden kann. Dabei toppt grüner Wasserstoff die Gesamtenergiebilanz von fossilen Treibstoffen und Kohle. Zur Herstellung wird im wesentlichen destilliertes Wasser, ein Elektrolyt und Elektrizität benötigt – von all dem gibt es weltweit mehr als genug. Mit einem guten Elektrolyseur lässt sich bei der Herstellung von Wasserstoff ein sehr hoher Wirkungsgrad von über 70% erzielen. Es gibt nur eine Sorte Wasserstoff, der Energieinhalt ist mit 33 kWh pro Kilogramm immer gleich. Unterschiede gibt es in der Art der Speicherung bzw. Lagerung. Der Wasserstoff kann in speziellen Trägermaterialien chemisch oder physikalisch gebunden werden. Alternativ kann er stark heruntergekühlt und verflüssigt oder unter hohem Druck gespeichert werden. 

„Für die Anwendung in kleinen Flugzeugen werden wir das Herunterkühlen und damit die Flüssigspeicherung von Wasserstoff bewusst vermeiden und haben hierfür eine neuartige, äußerst robuste runde Tankform erfunden", erläutert Peter Stadthalter. „In diesem sehr leichten Tank speichern wir Wasserstoffgas mit bis zu 700 bar Druck. Unser Ziel für die nächsten zwei Jahre ist es nun, auch das Gewicht des Brennstoffzellensystems und der Regelungstechnik um bis zu 90% zu reduzieren und insgesamt mindestens 80 kg Gewicht im Vergleich zu einem elektrischen Antriebssystem mit reinem Batteriespeicher einzusparen!"

Neben der Gleitzahl beeinflusst das Gewicht eines Flugzeuges maßgeblich die notwendige Motorleistung, um in der Luft zu bleiben und damit die notwendige Energiemenge für eine bestimme Reichweite. „Unsere Ingenieure arbeiten ständig an der Miniaturisierung von mechanischen und elektronischen Bauteilen und kombinieren das bei Neu- und Weiterentwicklung von Flugzeugen mit der Verbesserung von Aerodynamik und Rumpf-/Flügelkonstruktion", beschreibt Karl Kaeser, CEO der Kasaero GmbH, die Aufgaben seiner rund 30 Mitarbeitenden. Kaeser ist nicht nur ein gefragter Experte für Flugzeugentwicklung und Zertifizierung, sondern auch ein Pionier im Elektroflug, der bereits bei den berühmten „Solar Impulse"-Flügen, dem Design der weltbekannten „e-Genius" und zahlreichen modernen E-Modellen mitgewirkt hat.

Eine Brennstoffzelle (engl. „Fuel Cell") kehrt den Herstellungsprozess von Wasserstoff um macht aus diesem zusammen mit Sauerstoff elektrische Energie und Wasser. Eine Zelle liefert dabei eine Spannung von ca. 1 V. Eine Reihe dieser Zellen wird zu einem Stapel (engl. „Stack") aneinandergefügt, wodurch sich die Gesamtspannung auf das gewünschte Maß erhöht. Nebenaggregate versorgen das Stack mit Wasserstoff, Luft und Kühlwasser und führen Wasserdampf und den Strom ab. Das ganze Konstrukt bezeichnet man als „Brennstoffzellensystem" oder „Fuel Cell System". Der Strom wird zum Antrieb von Elektromotoren verwendet. Der Wirkungsgrad des gesamten elektrischen Antriebssystems – vom Wasserstoff bis zur Antriebswelle – beträgt heute rund 60%. Systeme mit Verbrennungsmotoren erreichen bestenfalls 30%, Gasturbinen vielleicht zehn Prozent mehr. Das neue Brennstoffzellensystem von PS-HyTech und Kasaero deckt den kompletten Energie- bzw. Leistungsbedarf im Reiseflug und wird dabei sehr gleichmäßig belastet. Nur zur Bereitstellung der höheren Startleistung werden zusätzlich Akkupacks eingesetzt. Diese werden im Reiseflug durch das Brennstoffzellensystem wieder aufgeladen. Sollte tatsächlich einer dieser Energiespeicher ausfallen, ermöglicht das verbleibende System eine sichere Landung. 

Der Aufwand zur Herstellung von Wasserstoff kann transparenter dargestellt werden als der von fossilen Trägern wie Erdgas und Erdöl, die aufwändig gefördert, transportiert und raffiniert werden müssen. Wasserstoff lässt sich nahezu überall in der Welt produzieren – industriell in großem Maßstab, auch in Entwicklungs- und Schwellenländern – oder dezentral direkt vor Ort. Entscheidend für eine positive Ökobilanz ist, dass die Elektrolyseanlagen und auch die Transportmittel aus regenerativen Quellen gespeist werden.

Schon heute fahren viele Busse, Nutzfahrzeuge und einige PKW wie der Toyota Mirai mit Wasserstoff – größere Komplikationen sind nicht bekannt. Bei der Entwicklung des neuen PS-HyTech-/Kasaero-Systems stehen Sicherheit und geringer Wartungsaufwand an erster Stelle.

Reiner Wasserstoff selbst brennt nicht und explodiert auch nicht, ist ungiftig und geruchsneutral. Der kugelrunde Wasserstofftank wird in einem neuartigen Verfahren aus einer sehr hochwertigen Carbon-Faser gewickelt. Äußerst geringe Qualitätsschwankungen und eine besonders hohe Belastbarkeit der Fasern reduzieren das spezifische Tankgewicht von 15 kg pro kg Wasserstoff auf das Verhältnis 5:1  . „Das ist ein echter Quantensprung", freut sich Stadthalter. Die geringe Masse macht sich auch bei einem hypothetischen Crash positiv bemerkbar. Das größte Gefahrenpotential des Wasserstoffs geht von der mechanisch gespeicherten Druckenergie im 700 bar-Tank aus. Sollte ein Tank mit einem Volumen von 250 l (das entspricht 10 kg Wasserstoff oder 200 kWh Antriebsenergie bzw. 10 h Flugzeit) tatsächlich platzen, entspricht dies nur der Explosionskraft von rund einem halben Liter Benzin in einem zündfähigen Gemisch. Das Sicherheitskonzept für Flugzeuge umfasst eine schnelle Tank-Entleerung in Notsituationen, eigenständig ausgelöst durch Rettungssysteme. Dadurch wird der Tank im Falle eines Absturzes druck- und gefahrlos. 

„Auch bei einer Leckage im Wasserstoffsystem bleibt das Risiko überschaubar. Bei einer kleinen Undichtigkeit verschwindet der Wasserstoff durch alle Ritzen, bevor er sich irgendwo ansammeln und evtl. Knallgas bilden kann. Bei einem größeren Leck ist die Ausströmgeschwindigkeit so hoch, dass sich der Wasserstoff kaum entzünden kann. Auch das Eindringen von Luft in das unter Druck stehende Wasserstoffsystem ist technisch nicht möglich, weshalb sich auch auf diese Weise kein Knallgas bilden kann", so Stadthalter.

Der Kugeltank wird nach den Richtlinien der Automobilindustrie geprüft und zertifiziert. Der geforderte Sicherheitsfaktor beträgt 2,25: Das bedeutet, dass bei einem Tank mit einem Betriebsdruck von 700 bar der geforderte Berstdruck 1.575 bar beträgt. Neben vielen weiteren Prüfungen muss der Tank 45.000 simulierte Betankungsvorgänge ertragen. Zugelassen ist er dann für 5.000 Füllungen, die jeweils rund 7 Stunden Flugzeit bzw. eine Reichweite von ca. 1.000 Kilometern ermöglichen. „Mit dem PS-HyTech-/Kasaero-System lassen sich rechnerisch 5 Mio. Kilometer fliegen", so Kaeser. „Ob diese Distanz mit einem Ultraleicht- oder Kleinflugzeug tatsächlich zurückgelegt wird, das wird sich zeigen."

Bisher gibt es noch keine Zulassungsvorschriften für Ultraleicht-Flugzeuge mit Brennstoffzellen-System und somit auch noch keine Wartungspläne. Auch hieran wird in den nächsten zwei Jahren intensiv gearbeitet. „Technisch gesehen ist unser Elektro-Wasserstoff-Antrieb nahezu wartungsfrei," so Stadthalter. „Eine jährliche Inspektion erscheint uns aber sinnvoll."

Das Kooperationsprojekt von PS-HyTech und Kasaero wird überwiegend aus Eigenmitteln finanziert. Wesentliche Forschungs- und Entwicklungsarbeiten werden durch öffentliche Fördermittel der Bundesrepublik Deutschland unterstützt. Investoren und Flugzeugherstellern bietet sich die Möglichkeit, Teil dieser bahnbrechenden Entwicklung zu werden und beim PS-HyTech-/Kasaero-Projekt einzusteigen. Ein früher Go-To-Market erschließt Wettbewerbsvorteile und neue Marktchancen in einem wachstumsstarken Technologiesektor. Für Technik-Liebhaber gibt es die Möglichkeit, exklusiver Besitzer der Seriennummer „1" von innovativsten Ultraleicht-Flugzeugen mit Wasserstoffantrieb zu werden. 

HYFLY: www.hyfly.one

Klaus Ohlmann: www.klaus-ohlmann.com

Kasaero GmbH: www.kasaero.de

*****************

Autor: Kasaero / HYFLY; zusammengestellt von Gert Holle - 21.01.2021