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Hybridflugzeuge

Der Elektroantrieb soll auch die Luftfahrt revolutionieren. Ein Realitäts-Check.





• Oben, wenn Frank Anton auf Reiseflughöhe gestiegen ist, das letzte Wort mit dem Tower gewechselt hat und seinen Passagieren signalisiert, die Kopfhörer abzusetzen, war noch jeder überrascht: keine dröhnenden Motoren, nur ein leises Surren des Propellers, im Cockpit vibriert nichts. „Die eFusion macht so wenig Lärm, dass ich damit auf jedem Flugplatz der Welt zu jeder Zeit starten und landen dürfte“, sagt der Pilot Anton.

Theoretisch ist das tatsächlich so. Praktisch hat der ausschließlich elektrisch angetriebene Versuchsflieger allerdings keine Zulassung. Er kommt mit einer Akkuladung auch nur 50 Kilometer weit. Mit verbesserten Speichern wäre mehr Reichweite drin, sagt der 60-jährige Physiker und Chef der E-Aircraft-Sparte von Siemens. „Werden die Flugzeuge aber größer, ist so ein reiner Elektroantrieb immer schwieriger umzusetzen.“ Die Batterien wären zu groß, zu schwer, zu teuer. „Vollelektrische Passagierflugzeuge für längere Strecken wird es daher auf absehbare Zeit nicht geben.“

Für diese schwebt Anton eine andere umweltfreundliche Variante vor: ein hybrider Elektroantrieb. Die Kombination aus Gasturbine und Elektromotor wäre ähnlich leise wie die eFusion und effizienter als die etablierte Technik. Das Flugzeug könnte problemlos mehrere Hundert Kilometer zurücklegen. „Mit der Hybridtechnologie öffnen wir die Tür zu einer neuen Ära der Luftfahrt“, sagt der Entwickler Anton.

Mit wir meint er seine Kollegen von Siemens, Airbus und dem Triebwerkhersteller Rolls-Royce. Die drei Konzerne haben Ende 2017 angekündigt, einen Hybridantrieb in einen Regionaljet mit hundert Sitzen einzubauen und den bis 2020 abheben zu lassen. „E-Fan X“ heißt das Ganze, es ist das bisher größte Elektroprojekt für kommerzielle Flugzeuge. In diesem Toyota Prius der Lüfte soll eine mit Kerosin befeuerte Turbine im Rumpf einen elektrischen Generator antreiben und auf diese Weise Strom produzieren. Die Turbine kann durchgehend in ihrem optimalen Drehzahlbereich arbeiten, was Kerosin spart. Der Strom treibt dann die Rotoren an. So lässt sich die nötige Leistung auf mehrere kleinere Elektromotoren samt Propeller am Flügel oder Heck verteilen. Das ermöglicht ganz neue Formen im Flugzeugdesign und eine bessere Aerodynamik.

Je nach Einsatzgebiet und Sicherheitsanforderungen bekäme ein solches Hybrid-Elektroflugzeug eine größere oder kleinere Batterie, sagt Anton. Die Turbine könnte beispielsweise so ausgelegt werden, dass sie gerade so viel Strom liefert, wie für den Reiseflug gebraucht wird. Während des energieintensiven Starts und Steigflugs sorgt die Energie aus den Akkus für Extraschub. Mit einer etwas größeren Turbine könnten die auf Reiseflughöhe weitgehend entladenen Batterien auch während des Fluges wieder aufgeladen werden. „Wir versprechen uns Treibstoffeinsparungen im zweistelligen Prozentbereich“, sagt Anton.

Ob da wirklich ein wirtschaftlich relevanter Vorteil herauszuholen ist, das fragt sich Mirko Hornung. Als Vorstand für Wissenschaft und Technik des Forschungsinstituts Bauhaus Luftfahrt in München beschäftigt er sich seit Jahren mit den Potenzialen von Hybridflugzeugen. Er weist darauf hin, dass die Luftfahrtbranche jedes Jahr Milliardenbeträge in die Entwicklung effizienterer Technik investiert. „Jede neue Flugzeuggeneration verbraucht im Schnitt 15 Prozent weniger Kerosin als die vorhergehende“, sagt der Forscher. „Hybridflugzeug-Konzepte müssen die Perspektive auf 20 oder besser noch mehr Prozent Einsparungen bieten.“ Von den ersten Einschätzungen zum Effizienzgewinn gehen nach seiner Erfahrung immer noch ein paar Prozentpunkte ab. Das sei die Krux: „Packen die Hybridflugzeuge 15 Prozent nicht, wird keine Airline sie kaufen.“

Hornung weist noch auf das im Vergleich zu herkömmlichen Jets erhöhte Gewicht wegen der Elektromotoren, Batterien, der Gasturbine und des Generators hin. „Kann ich diese Nachteile durch die aerodynamischen Vorteile von verteilten Elektroantrieben wirklich kompensieren? Dazu gibt es noch so gut wie keine belastbaren Aussagen.“

Für Mark Cousin, Leiter der Flug-Demonstratoren-Programme von Airbus, ist die Frage dagegen schon weitgehend beantwortet: „Wir glauben definitiv an das Potenzial von Hybridflugzeugen – die Frage ist nur noch, wann wir es heben können.“ Zusammen mit Kollegen plant der gebürtige Brite in Ottobrunn bei München gerade den Einkauf für den E-Fan X: Lithium-Akkus der neuesten Generation, eine 2,5-Megawatt-Gasturbine von Rolls-Royce, ein ultrakompakter 2-Megawatt-Elektromotor von Siemens, Generatoren, Leistungselektronik – und ein mittelgroßer Jet vom Typ BAe 146 mit vier Strahltriebwerken. Das betagte Modell aus den Achtzigerjahren soll bis Mitte dieses Jahres im Hangar stehen.

 

© Lilium GmbH

An anderer Stelle auf dem Gelände wird gebaut: Hier entsteht das E-Aircraft System House mit Teststand für die Hybridtechnik, in ein paar Monaten werde es bezugsfertig sein, versichert Cousin. Insgesamt arbeiten unternehmensübergreifend rund 50 Personen an E-Fan X. Und es sollen mehr werden. In anderthalb Jahren könnte der neue Antriebsstrang fertig zum Einbau sein. Für den Siemens-Mann Anton ist das ein ambitionierter Zeitplan: Sein Team liefert unter anderem den E-Motor. „Das wird bezogen aufs Gewicht das leistungsstärkste Aggregat der Welt.“ Ohne den Einsatz eines digitalen Zwillings, eines exakten Abbilds des Motors im Computer, wäre diese Entwicklung nicht möglich, sagt Frank Anton. „Wir können am virtuellen Prototyp schneller Änderungen vornehmen und uns an die Grenze des technisch Machbaren heranwagen – ohne Gefahr zu laufen, Dinge kaputtzumachen.“ Die Unternehmen wollen keine Zeit verlieren. Denn hier geht es um die Poleposition für den Luftfahrtmarkt der Zukunft. Zunächst wird nur eines der vier Triebwerke durch einen Elektroantrieb ersetzt. „Wenn sich unsere Prognosen nach dem Testflug bewahrheiten, bauen wir einen zweiten Antrieb ein, testen wieder – und beginnen dann hoffentlich mit dem Design für ein neues Hybrid-Elektroflugzeug“, sagt Anton. Er gehe davon aus, dass ungefähr bis zum Jahr 2035 Jets fliegen, die bis zu 100 Passagiere hybridelektrisch über Distanzen von 500 bis 1000 Kilometern transportieren können.

Gibt es bald Staus am Himmel?

Prototypen und kleinere Hybrid-Businessflieger für vier bis sechs Passagiere könnten schon ab 2022 an den Start gehen, schätzt Anton. Dann will ein US-Start-up namens Zunum Aero bereits einen 13 Meter langen Hybridjet für zwölf Passagiere im Angebot haben. Die Maschine soll mit zwei 500-Kilowatt-E-Motoren Tempo 550 erreichen und gut 1100 Kilometer weit kommen. Zunum geht wegen Spriteinsparungen und den wartungsarmen Elektroantrieben von bis zu 80 Prozent weniger Betriebskosten und 75 Prozent weniger Lärm im Vergleich zu heutigen Flugzeugen aus.

„So können wir das Nachtflugverbot umgehen, was den Betrieb noch wirtschaftlicher macht“, sagt die Zunum-Managerin Sandi Hwang Adam. „In den USA fliegen auf Regionalstrecken noch viele Flugzeuge mit ineffizienter Technik aus den Sechzigerjahren.“ Die Airlines stünden einem Austausch ihrer Flotten daher aufgeschlossen gegenüber. Auch in vielen anderen Ländern sieht sie Bedarf. Adam schätzt das Gesamtvolumen des weltweiten Regionalflugzeugmarkts auf eine Billiarde Dollar.

Diese Zahl hat Boeings Risikokapital-Sparte Horizon X offenbar überzeugt. Zusammen mit Jet Blue Technology Ventures stieg der Konzern vor knapp einem Jahr bei Zunum ein. Über die investierte Summe herrscht genauso Stillschweigen wie über die Batterietechnik. Ashish Kumar, der Chef von Zunum, erwartet bei den Akkus noch große Fortschritte. Er gehe davon aus, dass sein Hybridjet bis 2035 rund 2400 Kilometer Reichweite haben wird. Vielleicht werde man dann sogar auf den Stromgenerator verzichten können.

Frank Anton ist da skeptisch: Die Speicher würden zwar schrittweise immer besser, aber ein Durchbruch sei nicht zu erkennen. „Reine E-Flieger werden wir in den nächsten Jahrzehnten nur in Nischen sehen, wie dem Kurzstreckentransport in Mega-Citys.“ Auch Mark Cousin von Airbus ist überzeugt, dass sich Hybridflugzeuge durchsetzen werden: „Wenn die Technologie da ist, wird sie über Jahrzehnte das neue Bild der Luftfahrt prägen.“ Auch weil sie im Vergleich zur reinen Batterielösung sicherer sei: „Mit der Turbine und den Akkus zwei Energiequellen an Bord zu haben, bedeutet zwar auch mehr Gewicht – aber wenn eine ausfällt, kann die andere übernehmen.“

Sicherheitsfragen würden auch für die vielen vollelektrischen Lufttaxi-Projekte zu einer Hürde, sagt Rolf Henke, Luftfahrtvorstand des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR). „Viele Prototypen fliegen zwar schon – und das ist eine tolle Leistung –, aber die Zulassung für den Masseneinsatz in einer Stadt ist eine vollkommen andere Sache.“ Damit meint er das Starten und Landen von beliebigen Punkten aus, etwa Parks oder Straßen. „Wenn ich mich erst zum Flughafen bewegen muss, von dort aus ein Airtaxi zum nächsten kleineren Flughafen nehme, und dann wieder in ein Auto oder die S-Bahn steige, ist das Ganze eher uninteressant“, sagt Henke.

Anders sieht es aus, wenn man sich bereits am Flughafen befindet und in die Innenstadt will. Hier könnte nach Vorstellung der Airtaxi-Start-ups ein schneller Zubringerservice auf einer klar definierten Flugroute ein lohnendes und zulassungsfähiges Geschäftsmodell sein.

Auch Airbus will dabei sein: Der City-Airbus-Prototyp, ein Fluggerät für vier Personen mit vier feststehenden Rotoren, soll noch in diesem Jahr abheben. Auf ausgewählten Strecken könne das klappen, sagt Henke, „aber stellen Sie sich mal vor, nur ein Prozent der Berliner will mit einem Airtaxi flexibel durch die Stadt fliegen – dann haben Sie da 30 000 Fluggeräte am Himmel“. Auch am Boden bräuchten sie viel Platz zum Starten, Landen oder Parken. „Wie das in absehbarer Zeit sicher funktionieren soll, muss mir noch jemand erklären.“

Tatsächlich gibt es noch nicht einmal Vorschriften für solche Zulassungen. Die will die Europäische Agentur für Luftsicherheit möglicherweise noch in diesem Jahr präsentieren. Henke fallen derweil noch mehr Herausforderungen ein, etwa starke Fallwinde in Hochhäuserschluchten, die 100 Kilometer pro Stunde erreichen können: „Das ist in etwa das Tempo der Fluggeräte, die müssen da kämpfen, um die Position oder einen sicheren Abstand zueinander halten zu können.“

Der Skeptiker ergänzt dann noch: „Ich will auch überhaupt nicht sagen, dass das alles nicht geht. Wir arbeiten als DLR ja selbst an den Themen. Und wir wollen hier auch Lösungen erarbeiten und haben das natürlich auch schon getan.“ Aber das dauere eben seine Zeit. Vorausgesetzt, Zulassungs- und Akzeptanzfragen seien geklärt, könnten die technisch am schnellsten machbaren Airtaxis als Erste offiziell abheben, prophezeit der Fachmann. Aber voll- oder hybridelektrische Flugzeuge, insbesondere größere Transportmaschinen mit E-Motoren, würden aus technischen Gründen deutlich länger brauchen. Die Elektrifizierung, so Rolf Henke, ziehe sich mindestens über die nächsten 20 Jahre hin. ---

„ Ersetzen Sie Mond durch elektrisches Fliegen “

Ein Gespräch mit dem Luftfahrtexperten Bernhard Schmidt über die Herausforderungen für die Branche.

Bernhard Schmidt, 58, beschäftigt sich als Corporate Business Developer Aerospace und Mobility der Fraunhofer-Gesellschaft in München mit der Zukunft des Fliegens. Schmidt hat rund 30 Jahre Berufserfahrung, ein Großteil davon bei Airbus.

brand eins: Herr Schmidt, wie denkt die Branche über das elektrische Fliegen?

Bernhard Schmidt: Die Situation ähnelt der Zeit der Apollo-Flüge. Damals, 1961, hat John F. Kennedy angekündigt, dass ein Amerikaner bis zum Ende des Jahrzehnts den Mond betreten wird – und auch wieder gesund auf die Erde zurückkehrt. Die Computertechnologie war zu dem Zeitpunkt aber noch gar nicht so weit entwickelt, um überhaupt nur an einen Flug zum Mond zu denken. Innerhalb weniger Jahre hat man es aber doch geschafft. Ersetzen Sie Mond durch elektrisches Fliegen und Computertechnologie durch Batterien und Elektromotoren, dann kommt das ganz gut hin.

Damals ging es Kennedy darum, den Russen zuvorzukommen. Welche Motivation haben Flugzeughersteller für solch einen Kraftakt?

Der Erfolg der Industrie steht und fällt damit, dass Flugzeuge leise genug und ohne Emissionen starten und landen können. Und zwar nicht nur, weil die Umweltauflagen künftig noch strenger werden – die Gesellschaft erwartet das zunehmend. Wir sehen die Elektromobilität auf der Straße, wir sehen die Digitalisierung in unserem Leben. Die Luftfahrt wird daran gemessen. Momentan steht sie daher wirklich vor einer fundamentalen Wende.

An der Automobilindustrie sieht man derzeit, dass eine solche nicht ohne Schmerzen abläuft.

Das kommt auf die Luftfahrtindustrie genauso zu. Auch hier wird der Wechsel von herkömmlicher Triebwerkstechnik hin zu Batterien und Elektromotoren die gesamte Wertschöpfungskette berühren. Und natürlich auch manche Akteure, die sich nicht anpassen wollen oder können, vom Markt verdrängen. Andere wiederum werden die Chance ergreifen. Wir sehen ja jetzt bereits eine ganze Menge Start-ups. ---