„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.
Leichter ist weiter
„Für die Anwendung in kleinen Flugzeugen wollen wir das Herunterkühlen und damit die Flüssigspeicherung von Wasserstoff bewusst vermeiden und haben 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 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 Köpfe. Kaeser ist nicht nur ein gefragter Experte für Flugzeugentwicklung und Zertifizierung, sondern auch ein Pionier im Elektroflug, der bereits bei berühmten Solar Impulse Flügen, dem Design der e-Genius und zahlreichen modernen E-Modellen mitgewirkt hat.
Neues Brennstoffzellensystem macht mehr aus „grünem“ Strom in der Luft
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“) aneinander gefügt, wodurch sich die Gesamtspannung auf das gewünschte Maß erhöht. Nebenaggregate versorgen den 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.
Positive Ökobilanz von der Erzeugung bis zum Streckenflug
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.
Sicherheit und Wartungsfreundlichkeit haben oberste Priorität
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 vergleichsweise 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.“
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