Der Wandel zu 100 % erneuerbarer Energie in der Luftfahrt erfordert unkonventionelle Lösungen. Elektrische Antriebe sind durch ihre Emissionsfreiheit im Flug von besonderem Interesse für den Schutz des globalen Klimas und der lokalen Luftqualität an Flughäfen. Unsere ersten Analysen konzentrierten sich sowohl auf die gravimetrische Exergiedichte – nicht Energiedichte – als Schlüsselgröße für einen quantitativen Vergleich verschiedener Energieträger in Bezug auf die Reichweite als auch auf die erforderliche Leistungsdichte beim Start. Die Erkenntnis der Bedeutung der Exergiedichte rückte die vielversprechenden wissenschaftlichen Durchbrüche in der Batterietechnologie im Vergleich zu kerosinbetriebenen Flugzeugen in die richtige Perspektive.
2011 initiierte unser Team sein erstes Gruppendesignprojekt, das alle Kompetenzen am Bauhaus Luftfahrt interdisziplinär einbezog. Die Aufgabenstellung: „Durchführung des konzeptionellen Entwurfs und der ersten technischen Bewertung einer Kurzstreckenflugzeuganwendung mit rein elektrischem Antrieb“. Ziel war ein erstes umfassendes Bild von einer möglichen Zukunft der elektrisch angetriebenen Luftfahrt. Technologische Perspektiven wurden mit dem konzeptionellen Systemdesign gekoppelt und in einem ganzheitlichen Kontext einschließlich Betrieb und Lebenszyklus untersucht. Wesentliches Ergebnis: der Ce-Liner, eines der charakteristischen Konzeptflugzeuge des Bauhaus Luftfahrt.
Die Erkenntnisse aus den Studien gelten noch heute: Batterieelektrische Antriebssysteme würden die höchste Gesamteffizienz und die geringsten Klimaauswirkungen bieten. Doch selbst bei erheblichen technologischen Fortschritten wird die limitierte spezifische Exergie von Batterien nur sehr begrenzte emissionsfreie Reichweiten ermöglichen und damit den größten Teil der kommerziellen Luftfahrt nicht bedienen können. Auch batteriegestützte Hybridantriebe können diese Situation nicht grundlegend ändern. Batterien sind vielmehr als Hochleistungsquelle geeignet und ermöglichen emissionsfreies Fliegen in der Nische der regionalen Luftmobilität.
Da der größte Teil der erneuerbaren Energie aus Photovoltaik, Wind- und Wasserkraft stammt, werden indes auch ergänzende Pfade zur Nutzung von Elektrizität beschritten: in erster Linie über Wasserstoff – in flüssiger Form oder chemisch gebunden in kerosinähnlichen Kohlenwasserstoffen.
Darstellung der grundsätzlichen Machbarkeit batterieelektrischen Fliegens
Pb / PbO₂ lead / lead oxide, Blei / Blei- oxid, Ni / Cd nickel-cadmium, Li Lithium
Ragone-Diagramm, das die spezifische Leistung und den Exergiegehalt von Batterien im Verhältnis zu den typischen Leistungsmerkmalen eines Langstrecken-Geschäftsreisejets zeigt (Jahr 2008).
Diagramm für prismatische Batteriezellen
Ein Kompendium der infrage kommenden Kombinationen von Lithium-basierter Batterieelektrodenmaterialien und ihrer maximalen spezifischen Energie in einer prismatischen Zellenanordnung (Jahr 2012).
Gesamtwirkungsgrad des Antriebssystems
Vergleich zwischen Konzepten, basierend auf Wärmekraftmaschinen und Optionen für Elektroantriebe (Jahr 2013).
Hauptmerkmale des Ce-Liner-Konzepts
Eine Fallstudie für ein vollständig elektrisches Kurzstreckenflugzeug mit 900 nm Reichweite für 190 Passagiere (Jahr 2012).