Energie : Klimafreundliche Luftfahrt: So speichern Flugzeugbauteile Energie

Kürzlich erfolgte der Startschuss für das Forschungsprojekt SOLIFLY (Semi-SOlid- state LI-ion Batteries FunctionalLY Integrated in Composite Structures for Next Generation Hybrid Electric Airliners). In den nächsten drei Jahren forscht das AIT Austrian Institute of Technology in einem Konsortium mit den Luftfahrtforschungszentren ONERA und CIRA, den Universitäten Wien und Neapel sowie dem Unternehmen Customcells Itzehoe an der Entwicklung von speziellen Flugzeugbauteilen, die einerseits mechanisch-strukturelle Eigenschaften haben, also beispielsweise in der Tragekonstruktion verbaut sind, und andererseits als elektrische Energiespeicher dienen. Erklärtes Ziel ist es, eine nachhaltige Elektrifizierung der Luftfahrt zu unterstützen: Durch die Multifunktionalität dieser Bauteile soll eine Erhöhung der Gesamtsystemeffizienz erzielt werden, beispielsweise durch Gewichtsreduktion oder die Integration von dezentralen Energiespeichern.

Einer aktuellen internationalen Studie der International Energy Agency (IEA) zufolge, trägt die Luftfahrt am menschengemachten Klimawandel mit rund 2,5 Prozent der globalen CO2-Emissionen bei. Bleibt der Flugverkehr der am stärksten wachsende Verkehrssektor, besteht hier also dringender Handlungsbedarf, um den Zielen des Europäischen Green Deals nicht im Weg zu stehen.

Ähnlich wie beim Straßenverkehr findet auch in der Luftfahrt ein Wandel von traditionellen, mit fossilen Treibstoffen betriebenen Antrieben hin zu vermehrt elektrischen Antriebslösungen statt. Das Ziel ist die Steigerung der Energieeffizienz und der Umstieg auf erneuerbare Energieträger, wodurch die Umwelteinwirkungen durch die nächste Flugzeuggeneration reduziert werden – bis hin zu einer vollständigen Dekarbonisierung des Luftverkehrs. Das AIT unterstützt dabei die europäische Luftfahrtindustrie mit technologischen Lösungen für die Entwicklung von "Hybrid Electric Aircraft".

Eine zentrale Rolle bei der Elektrifizierung von Flugzeugen spielen Energiespeichersysteme, die den Ansprüchen der Aeronautik gerecht werden. So bedarf es Batterien mit hoher Energiedichte, die gleichzeitig den höchsten Sicherheitsstandards entsprechen. Neuartige Solid-State-Batterien aus Aktivmaterialien mit hoher Energiedichte und festem, nicht entflammbaren Elektrolyt weisen diese Eigenschaften auf. Aktuell werden Solid-State-Batterien haupsächlich für automotive Anwendungen entwickelt, ihre tatsächliche Markteinführung wird jedoch nicht vor 2025 erwartet. Die Entwicklung luftfahrttauglicher Batterietechnologien und -systeme für Großraumflugzeuge steht zur Zeit noch ziemlich am Beginn.

SOLIFLY, das im Rahmen von Horizon 2020/Clean Sky 2 durch die Europäische Komission gefördert wird, fokussiert sich auf die Entwicklung multifunktionaler struktureller Bauteile mit integrierter Semi-Solid-State-Batterie für die aeronautische Anwendung, um somit Festkörper- Batterien zu einer praktikablen Technologie für die nächste Generation von (Hybrid- )Elektroflugzeugen zu machen.

Im Rahmen des Projekts sollen zwei unterschiedliche skalierbare Batteriezellkonzepte entwickelt und kombiniert werden: einerseits sogenannte Coated Carbon Fibres (CCF/mit Aktivmaterial beschichtete Karbonfasern), die intrinsisch Energie speichern, und andererseits dünne Batteriezellen, die im Karbonverbund in der Struktur verbaut werden (Reinforced Multilayer Stack/RMS). Anschließend sollen beide Zell-Konzepte auf ein repräsentatives luftfahrttaugliches Bauteil (ein versteiftes Paneel) hochskaliert werden, um die elektrochemischen und mechanischen Eigenschaften der entwickelten strukturellen Batterietechnologie zu demonstrieren.

Ein Aspekt, der bei SOLIFLY im Vordergrund steht, ist die enge Anbindung der Technologieentwicklung an die tatsächlichen Bedürfnisse der Luftfahrtindustrie. Um dies sicherzustellen, fließen die Erwartungen und Spezifikationen der Flugzeugbauer von Anfang an in den Designprozess ein, unter Berücksichtigung von Flugtauglichkeits- und Produktionsanforderungen. Eine Technologie-Roadmap und eine Technology-Readiness-Level- Scale-up-Strategie stehen am Ende des Projekts, um zu gewährleisten, dass die an sich skalierbaren Prozesse auch tatsächlich industrialisiert werden können.

Helmut Kühnelt, Forscher am AIT Center for Low-Emission Transport und SOLIFLY- Koordinator, sagt: „Der Weg zu einer klimaneutralen Luftfahrt beginnt eben erst. Mit SOLIFLY wollen wir die europäische Luftfahrtindustrie im Sinne des Green Deals mit zukunftsweisenden Batterietechnologien dabei unterstützen, hybridelektrische Kurz- und Mittelstreckenflugzeuge auf den Weg zu bringen und somit wesentlich zur Erreichung der Pariser Klimaziele beizutragen.“

„Im Grunde beschäftigen wir uns mit der Technologie, die mittel- bis langfristig in unterschiedlichen Anwendungen zum Einsatz kommen kann – natürlich auch im Cargo-Bereich. Allerdings werden hybridelektrische Flugzeuge aus heutiger Sicht wohl eher kleiner sein, was eventuell gewisse Einschränkungen im Frachtbereich mit sich bringt“, heißt es vom AIT.