Alternative Antriebskonzepte im Ultraleichtflug
unter Berücksichtigung ökonomischer und ökologischer Aspekte
von Helge Berner
Kapitel 10: Elektrischer Antrieb
Analog zum Verbrennungsmotor verfügt ein elektrisch angetriebenes Fluggerät auch über mehrere Komponenten die zur Vortriebserzeugung notwendig sind. Genau wie ein konventionell angetriebenes Flugzeug mit Verbrennungsmotor besteht das System aus einem Motor, der Steuerelektronik und einem Energiespeicher. Im Gegensatz zum Verbrennungsmotor, der als Energieträger z.B. Benzin benötigt, das in einem Tank gespeichert wird, verwendet der Elektromotor elektrische Energie als „Kraftstoff“. Dieser wird in Batterien bzw. Akkumulatoren gespeichert.
Je nach vom Piloten gewünschter Leistung, steuert die Leistungselektronik den Stromfluss zum Elektromotor, der die elektrische Energie dann in mechanische Energie in Form einer Drehbewegung umwandelt.
Der Einsatz von Elektromotoren als Antrieb bietet im Vergleich zu den bisher verwendeten Motoren im Ultraleichtflug deutliche Vorteile.
Diese liegen vor allem in dem niedrigen Gewicht des Motors, der ruhigen Motorlauf, dem hohen Wirkungsgrad, dem deutlich leiseren Betriebsgeräusch, sowie den geringeren Kraftstoffkosten. Des Weiteren sind Sicherheitsaspekte nicht zu vernachlässigen.
Ein Elektromotor verfügt immer, im Gegensatz zu dem weit verbreiteten Vergasermotor 912UL von Rotax, bei jeder Umgebung über die gleiche Leistung, da Faktoren wie Luftdichte, Luftfeuchtigkeit oder Temperatur keinen Einfluss haben. Zusätzlich entfällt das Tanksystem mit hochentzündlichem Benzin als Treibstoff.
Doch genau an dieser Stelle besteht zum derzeitigen Zeitpunkt noch der Schwachpunkt des Elektroantriebes, an dem auch die Automobilhersteller arbeiten. Verglichen mit den fossilen Kraftstoffen Benzin oder Diesel, die über einen Heizwert von ungefähr 11kWh-12kWh pro Kilogramm verfügen, ist die Energiedichte in modernen Batterien verschwindend gering, wie aus Tabelle 1444 zu entnehmen ist.
Tab. 16: Energiedichte Batterien
Um den gleichen Energiegehalt, der in einem Kilogramm Superbenzin, das ca. 12kWh Energie enthält, mit einem Lithium- Ionen Akku zu speichern, müsste dieser circa 48kg wiegen. Ultraleichtflugzeuge verfügen über Tankinhalte von 40Liter bis zu 120Liter. Die darin in Form von Benzin gespeicherte Energie ist mit der momentan verwendeten Batterietechnik nicht zu erreichen, ohne die maximale Abflugmasse von 472,5kg zu überschreiten. Dennoch gibt es einige Hersteller, die elektrisch angetriebene Ultraleichtflugzeuge entwickelt haben und erste Testflüge durchgeführt haben.
Die bisher technisch ausgereiftesten Modelle wurden vom slowenischen Hersteller Pipistrel entwickelt. Hierbei handelt es sich um einen Schulterdecker mit einem MTOW von 550kg, der von einem 50kW Elektromotor angetrieben wird. Die Flugleistungen sind dabei vergleichbar mit denen von konventionellen angetriebenen Verbrennungsmotoren.
Die Reichweite gibt der Hersteller hierbei mit 1 Stunde Flugzeit +30min Reserve an, was einer Entfernung von ca. 200km entspricht.45 Mit diesen Werten wird festgelegte Reichweite von 1,5 Stunden (+30min Reserve) zwar fast erreicht, allerdings liegen das MTOW bei 550kg. Somit dürfte das Flugzeug in den USA in der LSA Klasse (bis 600kg) starten, aber nicht in Deutschland.
Abb. 24 Pipistrel Alpha Elektro
Ein weiteres, viel versprechendes Modell ist der von der Firma PC-Aero entwickelte Einsitzer Elektra One, der von einem Elektromotor der Firma Geiger Engineering angetrieben, eine Flugzeit von über 3 Stunden erreichen soll.
Ein Zweisitzer mit der Modellbezeichnung Elektra Two, ist bereits in Planung und soll die Zulassungsvoraussetzungen für Ultraleichtflugzeuge in Deutschland erfüllen. Dieses Projekt befindet sich momentan allerdings noch in der Entwicklung und ist, genau wie die Elektra One, zurzeit noch nicht käuflich zu erwerben.
Bei dem Modell Elektra one sind zusätzlich zu den doppelt verbauten Hochleistung Lithium Ionen Batterien der Firma Kreisel mit je 5,8 kWh Kapazität46, Solarzellen mit einer Leistung von bis zum einem Kilowatt auf den Tragflächen montiert. Dadurch besteht die Möglichkeit die Batterien im Flug, zumindest teilweise, wieder aufzuladen und somit die Flugzeit zu verlängern. Die große Reichweite resultiert aus dem sehr geringen Luftwiderstand, durch den eine Gleitzahl von 30 erreicht werden konnte, sowie dem hohen Wirkungsgrad des Elektromotors, der bei ca. 93% liegt47.
Allerdings sind die Angaben zum Verbrauch, ähnlich wie bei der Firma Rotax widersprüchlich. Während auf der offiziellen Homepage des Entwicklers PC-Aero eine Flugdauer von über 3 Stunden bei einer Reisegeschwindigkeit von 160km/h angegeben wird, so wird in einem Artikel für den DAeC ein Verbrauch von 6,5kW pro Stunde angegeben48. Bei einer Akkukapazität von 11,6kWh ist somit eine Flugdauer bei Reisegeschwindigkeit von unter 2 Stunden möglich. Dieses stellt für den Einsitzer immer noch einen sehr guten Wert dar, stimmt aber nicht mit den Angaben auf der Homepage überein.
Abb. 25: Ultraleicht Flugzeug Elektra One
Neben den Flugzeugen in der Ultraleichtklasse bis 472,5kg, gibt es im Bereich der ultraleichten Luftsportgeräte bis 120kg weitere Modelle, die mittlerweile auch mit Elektromotoren ausgerüstet sind. Hierbei handelt es sich aber zumeist um schwerkraftgesteuerte Fluggeräte wie Gleitschirme, Hängegleiter oder Trikes.
Diese sehr leichten Luftsportgeräte sind zumeist mit leistungsschwachen Antrieben bis 7,5kW ausgerüstet und haben auf Grund des maximal zulässigen Gesamtgewichtes des Fluggerätes von 120kg nur eine begrenzte Batteriekapazität. Somit werden die Antriebe hauptsächlich als Starthilfe für Gleitflüge genutzt, da die elektrische Antriebsenergie nur für kurzzeitig zum Betrieb des Motors ausreicht.
Neben der Möglichkeit zur Speicherung der elektrischen Energie mittels Batterien, wird im Automotive Bereich auch der Einsatz von Brennstoffzellen diskutiert und erprobt. Diese wird mit Wasserstoff betrieben, der in Tanks im Fahrzeug gespeichert wird. Die Brennstoffzelle stellt daraus die für die Elektromotoren benötigte Energie bereit, wobei lokal nur Wasser als "Abgas" entsteht. Für den Einsatz in Ultraleichtflugzeugen ist dieser Ansatz zurzeit auf Grund des nicht existenten Tankstellennetzes an Flugplätzen aber nicht von Interesse. Für PKW besteht momentan deutschlandweit an 14 Tankstellen die Möglichkeit Wasserstoff zu tanken. Der Großteil davon befindet sich in den Ballungszentren Berlin, Hamburg und Stuttgart.
Technische Gesamtbetrachtung
Nach Analyse der bestehenden Antriebskonzepte, sowie der Untersuchung welche alternativen Antriebsmöglichkeiten zur Anwendung kommen könnten, kann festgestellt werden, dass momentan lediglich ein Dieselmotor eine Alternative zum weit verbreiteten Rotax sein kann. Alle betrachteten Ottomotoren liefern ähnliche Verbrauchswerte wie der Referenzmotor 912UL.
Elektrische Antriebe stellen ebenfalls eine sinnvolle Alternative dar, weil das Gewicht der Motors, die Geräuschwerte der Wirkungsgrad deutlich besser sind, als bei Verbrennungsmotoren. Auf Grund des hohen Gewichtes der Energiespeichers, egal ob sich um Lithium Ionen, oder Nickel Metallhydrid Batterien handelt, ist dieses Antriebskonzept derzeit, unter den festgelegten Kriterien von mindestens 1,5 Stunden Flugdauer (+30 min Reserve) im zwei Personenbetrieb, noch nicht umsetzbar. Die dafür notwendig mitzuführende Energiemenge, kann mit dem heutigen Stand der Batterietechnologie, noch nicht in einem Ultraleichtflugzeug mitgeführt werden.
Deshalb wird zur wirtschaftlichen Betrachtung eines alternativen Antriebskonzeptes, der von der Firma FlyEco modifizierte Smart Motor betrachtet. Nach Gegenüberstellung und Vergleich der einzelnen in Kapitel 4 festgelegten Kriterien, stellt derzeit nur der Dieselmotor eine Alternative dar.
Abb. 26. Kriterien für alternatives Antriebskonzept (aus Kapitel 5)
Neben dem Verbrauchsvorteil, der die variablen Kosten durch Reduktion der Kraftstoffkosten senkt, wird auch deutlich weniger CO2 bei der Verbrennung ausgestoßen. Beim Verbrennen von einem Liter Benzin entstehen ca. 2,33kg CO2, beim Diesel sind es auf Grund der höheren Energiedichte ca. 2,64kg. Somit reduziert sich, durch den geringeren Verbrauch des Dieselmotors, der Kohlendioxidausstoß bei 75% Dauerleistung von 37,75kg pro Flugstunde beim Rotax 912UL, auf 30,36kg pro Stunde beim FlyEco Dieselmotor. Durch den Einsatz des Dieselmotor wird demnach nicht nur die Kraftstoffkosten gesenkt, sondern auch der CO2 Ausstoß um fast 20% gegenüber dem bisher verwendeten Rotax 912 Vergasermotor reduziert.
Zusätzlich vergrößert sich durch den geringeren Verbrauch die maximale Flugdauer mit einer Tankfüllung, wodurch deutlich höhere Reichweiten möglich sind.
Ob der Motorumbau auch ökonomisch sinnvoll ist, muss im nächsten Kapitel betrachtet werden.
Helge Berner
44 vgl. van Basshuysen und Schäfer 2015 Kapitel 30.2.2
45
vgl. Pipistrel Aircraft
46 vgl.Kreisel 2014
47 vgl.Geiger 2010
48 vgl. Weißenbach 2011