Reduktion des Energiebedarfs mittels eines batterieelektrischen Antriebs am Beispiel eines Kleinflugzeugs

Abstract

Die Luftfahrt ist seit vielen Jahrzehnten ein wesentlicher und stetig wachsender Bestandteil des Transportsektors, sowohl für den Transport von Personen, als auch für den Transport von Fracht. Der Blick in die Vergangenheit zeigt, dass weder wirtschaftliche noch politische Krisen das kontinuierliche Wachstum im Luftverkehr nennenswert abschwächen. Der Luftverkehr und damit auch die Flugzeugindustrie hat dabei schon heute, aber viel mehr noch zukünftig mit Herausforderungen zu kämpfen, die im aktuellen "status quo" der Flugzeugtechnik begründet liegen. Diese sind im wesentlichen erstens die Abhängigkeit von billigem, erdölbasiertem Kraftstoff, zweitens der Ausstoß klimaaktiver Emissionen in ungünstigen Atmosphärenhöhen und drittens erhebliche Lärmemissionen der Flugzeuge bei Start und Landung, sowie bei An- und Abflug. Ein wesentlicher Teil der Lösung dieser Probleme wird die evolutionäre Weiterentwicklung der bestehenden Technik darstellen. Doch um die politisch gesetzten Zukunftsziele, zum Beispiel das europäische Zukunftsbild für die Luftfahrt Flight Path 2050, zu erreichen, sind zusätzlich auch ganz neue und deutlich radikalere Ansätze nötig. Zu diesen neuen Ansätzen gehört der Einsatz von elektrischen Primärantrieben in Luftfahrzeugen, denn diese bieten neue Möglichkeiten Energiebedarf, Schadstoff- und Lärmemissionen signifikant zu reduzieren. Dies gelingt zum einen durch den hohen möglichen Wirkungsgrad der elektrischen Maschinen an sich, zum anderen werden durch geringe volumetrische und gravimetrische Dichte der Motoren neue Flugzeug- und Antriebskonfigurationen realisierbar, die Vorteile in Bezug auf den Luftwiderstand und damit einen geringeren Energiebedarf versprechen. Im Rahmen der vorliegende Arbeit wurde erstmals am Beispiel eines Kleinflugzeugs der komplette Weg einer Flugzeugentwicklung, vom Entwurf bis zur Flugerprobung, beschritten, um die grundsätzliche Machbarkeit, das mögliche Potential und auch die Einsatzreife des elektrischen Fliegens mit einem speziell dafür ausgelegten Flugzeug zu erforschen. Mit den Methoden des Flugzeugvorentwurfs wird dabei untersucht, welche Einflussfaktoren durch elektrische Antriebe und die dadurch neuen Konfigurationen zu Gunsten der neuen Technik deutlich verbessert werden können, um den Energiebedarf eines Flugzeugs zu reduzieren. Am Beispiel des zweisitzigen, batterieelektrischen Flugzeugs e-Genius wird die Umsetzung der Vorentwurfsergebnisse in einen konkreten Flugzeugentwurf sowie dessen praktische Realisierung nachgezeichnet. Ziel war es, dabei eine Flugzeugplattform zu erhalten, mit der zum einen reale Messergebnisse für die neue Konfiguration erzeugt werden können, gleichzeitig aber auch die Einsatzreife im Alltag zu erproben. Die im Rahmen der Flugerprobung gewonnenen Erkenntnisse bezüglich Flugverhalten und Flugleistung werden analysiert und die Messdaten mit den Werten des Vorentwurfs verglichen, um die dort getätigten Annahmen zu bestätigen. Dafür wurden auch Flugversuche mit demontiertem Propeller durchgeführt, um den Leistungsbedarf der Flugzeugzelle ohne Antriebsstrang zu bestimmen. Es zeigt sich dabei, dass durch den elektrischen Antrieb, ohne Abstriche bei Flugverhalten und Zuladung auch in der Praxis eine deutliche Verringerung des Energiebedarfs nachgewiesen werden kann und die Annahmen aus dem Vorentwurf grundsätzlich zutreffen.