Die Luftfahrt steht vor der Herausforderung, den CO2-Fußabdruck drastisch zu reduzieren. Neben der Entwicklung alternativer Antriebskonzepte spielt auch die nicht-propulsive Energieversorgung eine entscheidende Rolle. Hier bieten Wasserstoff (H2) und Brennstoffzellensysteme vielversprechende Möglichkeiten, herkömmliche, auf Kerosin basierende Hilfstriebwerke oder Zapfluftentnahmen zu ersetzen und somit einen wesentlichen Beitrag zur Kohlenstoffneutralität zu leisten.
Ziel bis 2060:
Das primäre Ziel im Bereich H2/Brennstoffzellen für nicht-propulsive Energie ist die vollständige elektrische Versorgung sämtlicher Verbraucher im Flugzeug durch alternative, hocheffiziente Energiequellen und -generatoren, insbesondere Brennstoffzellensysteme. Dies beinhaltet die Minimierung des Energiebedarfs durch die effiziente Nutzung alternativer Energieträger wie Wasserstoff und Energiespeicher. Kurz- bis mittelfristig ist die Versorgung einzelner, isolierter Systeme und Kabinen-Monumente durch Brennstoffzellensysteme denkbar.
Die technologischen Grundlagen für den Einsatz von H2/Brennstoffzellen umfassen eine Reihe spezialisierter Komponenten. Dazu gehören Wasserstofftanks und Ventile sowie die zugehörige H2-Peripherie, die für die sichere Speicherung und Zuführung des Wasserstoffs unerlässlich sind. Des Weiteren sind effiziente Brennstoffzellensysteme selbst, die Wasserstoff in elektrische Energie umwandeln, von zentraler Bedeutung. Das Luftversorgungssystem (Turbokompressor-Motor-Inverter) ist notwendig, um die für die Brennstoffzelle benötigte Luft bereitzustellen. DC/DC-Umrichter sorgen für die Spannungsstabilisierung der Brennstoffzelle, während fortschrittliche Sensorik und Steuersysteme sowie Controller und Condition-Monitoring-Systeme für die Überwachung und Regelung der Brennstoffzelle unerlässlich sind.
Die Anwendungsbereiche von H2/Brennstoffzellen für nicht-propulsive Energie sind vielfältig. Anfänglich sind sie für die Energieversorgung einzelner, isolierter Systeme und Kabinen-Monumente oder energieautarker Monumente denkbar. Mittelfristig kann die Versorgung der gesamten energieautarken Kabine erfolgen. Langfristig ist die vollständige elektrische Versorgung sämtlicher Verbraucher im Flugzeug durch alternative, hocheffiziente Energiequellen und -generatoren angedacht.
Dies umfasst die Bereitstellung von elektrischer Energie für Klimaanlagen, Fahrwerke, Enteisungssysteme und andere Bordverbraucher, die bisher über Zapfluft oder Hilfsturbinen versorgt wurden. Auch die Integration in das Energiemanagement auf Flugzeugebene zur Rückgewinnung von Verlustleistung ist denkbar.
Für die Neuausrichtung des Luftfahrtforschungsprogramms LuFo ist die Erforschung und Entwicklung von H2/Brennstoffzellensystemen für nicht-propulsive Anwendungen von immenser Bedeutung, da sie einen direkten Weg zum klimaneutralen Fliegen ebnet. Die Forschung muss sich auf die Optimierung von Leistungsdichten, Effizienz, Zuverlässigkeit, Betriebssicherheit, Gesamtsystemgewicht und Einbauraum konzentrieren. Dies erfordert die Entwicklung neuer Wasserstoffspeichertechnologien, die Verbesserung der Effizienz und Lebensdauer von Brennstoffzellen sowie die Integration dieser Systeme in die bestehende und zukünftige Flugzeugarchitektur. Die technologischen Fortschritte in diesem Bereich werden direkt die Einsatzfähigkeit und Einsatzreichweite von neuartigen voll- oder teilelektrischen Innovative Air Mobility Vehikeln bestimmen.
Der Einsatz von Wasserstoff und Brennstoffzellen für die nicht-propulsive Energieversorgung ist ein entscheidender Baustein für eine nachhaltige und klimaneutrale Luftfahrt. Die konsequente Forschung und Entwicklung in diesem Bereich wird es ermöglichen, die Abhängigkeit von fossilen Brennstoffen weiter zu reduzieren und die Effizienz und Umweltfreundlichkeit von Flugzeugen signifikant zu verbessern.
