Verbundvorhaben: Druckaufgeladene Brennstoffzellen im 250kW Antriebsstrang für ein Passagier-Flugzeug mit bis zu 4 Personen (Go4Hy2)

Abstract

Die Forschungen im Projekt Go4Hy2 zielten auf die umfassende Entwicklung einer Antriebs-Systemtechnologie für ein emissionsfreies Wasserstoff-Brennstoffzellen-betriebenes Luft-Fahrzeug und die Evaluierung der Leistungsfähigkeit unter Luftfahrtbedingungen. Es sollte ein direkt-hybrider Antrieb für ein Passagier-Flugzeug mit bis zu 4 Personen entwickelt werden, der sich durch die direkte elektrische Kopplung zwischen den Energiequellen Brennstoffzelle und Batterie ohne zwischengeschalteten DC/DC-Wandler auszeichnet. Im Direkthybriden wird der Energiefluss über intelligente Schaltlogik gesteuert. Die Forschungs- und Entwicklungsarbeiten leisten einen wesentlichen Beitrag zur Versorgungssicherheit durch die Verwendung von Wasserstoff als Energieträger. Die zukünftige Markteinführung von wasserstoffbetriebenen PEM-Brennstoffzellen für emissionsfreie elektrische Antriebe in der Luftfahrt sollte exemplarisch am direkt-hybriden Antrieb vorangetrieben werden, wobei die aus dem Projekt abzuleitenden Beiträge zur Effizienzsteigerung sowie zur CO2-, NOx-, Schall- und Partikelemissionsreduktion auch auf andere verwandte Technologiefelder übertragen werden können. Hinsichtlich der für Fluganwendungen relevanten förderpolitische Ziele zum Zeitpunkt der Antragstellung sind die Langfristziele der Europäischen Kommission (ACARE 2020 u. 2050) und Flightpath 2050 (90% NOx, 75% CO2, 65% Noise) zu nennen. Die konkreten Ziele des Projekts Go4Hy2 waren, die Realisierung einer ausfallsicheren Antriebs-Systemtechnologie im 250 kW-Bereich mit einer ca. 2-3fach höheren Leistungsdichte, wobei der Vergleich zum Vorgängerprojekt Go4H2 gezogen wird (Leistungsklasse BZ-Batt-Hybrid: 100 kW, Leistungsdichte BZ-System aus Go4H2 bzw. deren Weiterentwicklung mit dem Stand der Technik von 2020: 0,25 kW/kg). Das neue Antriebssystem mit einem neuen BZ-System, das eine Bedruckung der Sauerstoffseite ermöglicht, sollte in Labor- und Feld-Tests unter flugrelevanten Bedingungen getestet werden. Weiterhin sollte die Skalierbarkeit dieses Systems im Hinblick auf größere Antriebssysteme der MW-Klasse bewertet werden. Zusätzlich sollte auch die Steuerung der Leistungsverteilungseinheit (PMCD) komplett auf flugzugelassener state-of-the-art IMA-Technologie (Integrated Modular Avionics) realisiert werden. Die geplanten F+E Arbeiten aller Partner im vorliegenden Projekt Go4Hy2 bauten auf die im Vorgängerprojekt Go4H2 und weiteren parallellaufenden Projekten entwickelten Technologien auf. In Go4Hy2 wurde speziell die aus dem Automotive-Bereich verfügbare PEM-Brennstoffzellen-Technologie mit der Möglichkeit einer Druckaufladung über einen Kompressor auf die Luftfahrtanwendung übertragen. Dazu wurden COTS-Systeme zunächst vermessen und für die Luftfahrtanwendung speziell angepasst. Die Vorgängerprojekte lieferten Basiswissen zu Systemlösungen und Redundanz, Kühlung, Batterie-Ladung etc. aus der Niederdruck-Brennstoffzellen-Technologie und dienten als Grundlage für die neuen Entwicklungen zur Leistungsklasse 250 kW und deren Integration in die Teststände. Insbesondere die Untersuchungen am EWS der Universität Ulm zum Betrieb von PEM-Brennstoffzellen unter wechselnden atmosphärischen Bedingungen stellten eine Herausforderung und einen hohen Neuheitswert dar. Im Bereich der Leistungselektronik und des Elektro-Motors sollten die Entwicklungsarbeiten von Rolls-Royce auf eine Verbesserung der Marktanwendung fokussiert werden. Ein vielseitig anwendbares Motorkonzept, das die Leistungsklasse 350 kW bedient und die Skalierbarkeit sowie zulassungstechnische Anforderungen sowie Redundanz berücksichtigte sowie die Nutzung als Antriebs-Generatoreinheit ermöglichte, sollten im vorliegenden Projekt im Vordergrund stehen. Ein weiteres Ziel war es, die Entwicklung des SiC-Umrichters bei Rolls-Royce speziell auf den Einsatz für Hybridsysteme auszurichten, jedoch auch eine flexible Anwendbarkeit für breit gefächerte Anwendungen zu berücksichtigen. Im Bereich der luftfahrtrelevanten Systemsteuerung sollte Integrierte Modulare Avionik (IMA)Technologie von Diehl Aerospace zum Einsatz kommen. Übergeordnetes Ziel war die Machbarkeit der Antriebsstrangsteuerung mittels IMA Technologie zu evaluieren. Dafür sollten Tests Labor Testsystem und im flugrelevanten Feld-Testsystems mittels hochverfügbaren Steuerungseinheiten (High Integrity IMA) durchgeführt werden. Um eine hohe Ausfallsicherheit des Antriebstrangs zu gewährleisten, musste die Gesamtarchitektur und insbesondere die Sub-Architektur des von EWS Uni Ulm entwickelten Leistungsmanagementsystems PMCD inklusive deren Einzelkomponenten von Uni Ulm derart weiterentwickelt und redundant ausgelegt werden, dass ein Fehler bei einer Hauptkomponente (single failure von: E-Motor, BZ, Batterie, LE, H2-Tank) nicht zu einem Totalausfall des gesamten Antriebsstranges führt. Die Aufgaben des DLR lagen erstens in der Identifikation und Untersuchung von Batterien bzw. Batteriesystemen, die für den designierten Einsatz infrage kommen und zweitens im Aufbau eines BZ-Stackteststands, der die BZ-Systemtests von EWS Uni Ulm flankieren kann, sowie drittens in der Ermittlung eines Leistungsprofils für eine realistische Abbildung eines typischen Fluges der C-23-Klasse. Nach der Umstrukturierung des Projekts und dem damit verbundenen Rückzug aus den ursprünglich geplanten Flugversuchen, fokussierte der Partner H2Fly auf die Vertiefungsrichtungen der Entwicklungen zum BZ-System, zum Thema des erweiterten Betriebsbereichs und der Potentialanalyse bzgl. des Leistungsgewichts bei PEM-Brennstoffzellen. Die nach Projektumstrukturierung noch verbleibenden Aufgaben zu den flugrelevanten Feld-Tests wurden von Rolls-Royce und EWS Uni Ulm übernommen. Für einen späteren Einsatz der Brennstoffzellen-Technologie in der regionalen Luftfahrt sollten die Anforderungen an die Integration des Brennstoffzellen-Hybrid-Antriebs und seiner Subsysteme in ein typisches Regionalflugzeug – die D328eco der Deutschen Aircraft - identifiziert werden. Deutsche Aircraft fokussierte mit EWS Uni Ulm darauf, die verwendeten Technologien im Hinblick auf die Anforderungen für die CS-25 Klasse zu bewerten. Die wesentlichen Ergebnisse des Projekts sind sowohl auf Sub-System Ebene als auch auf Gesamtsystem-Ebene entstanden und vereinen Modellierung mit Hardware-Entwicklung, -Aufbau und deren Testung unter flugrelevanten Bedingungen. Abgerundet wurde das Projekt durch eine detaillierte Betrachtung zu einem Retro-Fit Aufwand für ein Flugzeug der CS-25 Klasse mit einer Antriebsleistung von ca. 4 MW. Auf Sub-System Ebene wurde von Rolls Royce ein skalierbarer elektrischer Motor mit Luftkühlung und einer nominalen Leistung von 320 kW bei 510 VDC entwickelt, dieser arbeitet bei einer nominalen Drehzahl von 3000 rpm mit einem Drehmoment von ca. 1400 Nm. Ein passender Inverter auf SiC-Basis wurde ebenfalls entwickelt und unter flugrelevanten Bedingungen erfolgreich getestet. Die Universität Ulm entwickelte ein neues, bis 600 A stromfestes Leistungsmanagementsystem PMCD (power management control device) für den Spannungsbereich 200-600 VDC vom Konzept bis zur kompletten Hardwareumsetzung. In Kombination mit ebenfalls für das Projekt entwickelten Batterie- und Brennstoffzellen-Emulatoren (Leistungsklasse bis 250 kW), die auf realen Datensätzen inklusive Unterdruckdaten basieren, sowie der Steuerung eines elektrischen Antriebstranges erstmals über die IMA, konnte die Funktion des direkt-hybriden Antriebs erfolgreich nachgewiesen werden. Die passende IMA mit einer zusätzlichen zweiten I/O-Schnittstellenkarte für die Steuerung der PMCD wurde vom Diehl Aerospace entwickelt und als Funktionsmuster dem Projekt zu Verfügung gestellt. Das EWS der Uni Ulm arbeitete gemeinsam mit Diehl Aerospace an der Anforderungsdefinition und Sicherheitsanalyse für luftfahrtspezifische Anforderungen des Gesamtsystems mit Fokus auf die PMCD und an entsprechenden Systemarchitekturen. Das IMA-Funktionsmuster kam nach Integration und Entwicklung passender Steuerungslogiken sowohl im Labor-Teststand (klimatisierbare Unterdruckkammer in Ulm) als auch im Feld-Teststand (Power HIL bei Rolls-Royce) erfolgreich zum Einsatz. Durch diese Tests wurde die Machbarkeit der Implementierung der Steuerung wesentlicher Antriebssysteme mittels IMA Technologie gezeigt. Die Gesamtsystemtests der Uni Ulm wurden auch hinsichtlich optimierter Betriebsbedingungen und Effizienz unter Nutzung eines redundanten Ersatz-Motor-Inverter-Systems untersucht und es konnten aussagekräftige Effizienzlandkarten für unterschiedliche Antriebssysteme erstellt werden. Das DLR flankierte die gemeinsamen Forschungen in den Bereichen Brennstoffzellen-System, indem der Aufbau eines hochinstrumentierten Fullstack-Teststandes mit CVM (cell voltage monitoring) erfolgte und die Brennstoffzellen-Systemtests in Ulm personell unterstützt wurden. Weiterhin wurde dem Projekt eine umfangreiche Batterierecherche zur Verfügung gestellt, aus der auch Datensätze für den in Ulm entwickelten Batterie-Emulator verwendet wurden. Hinsichtlich Reichweiten- und Leistungsbeurteilung hat DLR ein Flugzeugmodell auf der Basis einer Cessna 400 (CS-23 Klasse) mit einer für das Projekt relevanten Antriebsleistung von 225 kW erstellt, mit dem unter Verwendung des hybriden Antriebes solide Aussagen über Wirkungsgrade in den Flugphasen, Batterie-BZ-Konfigurationen und nicht zuletzt den H2-Verbrauch entlang eines definierten Flugprofils getroffen werden können. Die H2Fly entwickelte für das im Projekt eingesetzte BZ-System einen eigenen Controller und führte Analysen zur Gewichts- und Leistungsoptimierung durch. Weiterhin wurden diverse Funktionserweiterungen für den derzeitigen Stand der Technik bei BZ-Systemen, die für die Automobilindustrie ausgelegt sind, auf luftfahrtspezifische Anforderungen hin erarbeitet und für ein COTS-BZ-System eine Steigerung der Leistungsdichte von etwa 18% erreicht. Alle Projektergebnisse wurden auf Gesamtsystemebene durch die Aktivitäten der Deutschen Aircraft abgerundet, hier entstand ein Simulations-Modell der D328 unter Einbindung eines BZ-hybriden Antriebsstranges, das zur Berechnung von Flugleistungen herangezogen wurde. Anforderungen an die H2-Tank Integration in die CS-25 Klasse unter Retrofit-Aspekten wurden detailliert dargelegt und hinsichtlich Zertifizierbarkeit untersucht. Insgesamt stellte sich heraus, dass die Minimalanforderung an ein Brennstoffzellensystem inklusive Thermalsystem in einem hybriden Antrieb eine spezifische Leistung von 2.2 kW/kg ist. Verglichen mit dem derzeitigen Stand der Technik, der lt. theoretischer Betrachtungen in NASA-Studien zu eVTOL bei etwa 1,1-1,3 kW/kg inklusive BoP und Thermalmanagement liegt, wird deutlich, dass hier zukünftig noch sehr intensive Anstrengungen unternommen werden müssen, das genannte Ziel zu erreichen. Im Projekt Go4Hy2 wurden Forschungs- und Entwicklungsarbeiten mit marktvorbereitender Demonstration verknüpft, das Projekt ist einzigartig in Bezug auf einen schadstofffreien Antrieb für ein langfliegendes, mehrsitziges Luftfahrzeug. Das Projekt startete bzgl. der Subsysteme mit einem TRL-Level von 4-5 bzgl. der im Vorgängerprojekt eingesetzten Technologie. Da im vorliegenden Projekt Go4Hy2 teils neue Technologien für die Sub-Systeme zum Einsatz kamen, starteten wir im Bereich TRL 3-4 und konnten durch die Labortests in flugrelevanter Umgebung und die Feld-Tests eine ausführliche Technologie Demonstration im Bereich TRL 5-6 für einzelne Sub-Systeme erreichen. Der Einsatz eines direkt-hybriden Antriebes für ein Mehrpersonenflugzeug mit druckaufgeladener Brennstoffzellen-Technologie wurde unter flugrelevanten Bedingungen und unter Nutzung passender Missionsprofile untersucht und nachgewiesen. Die konkreten Ziele des Projekts Go4Hy2 wurden erreicht: Es wurde eine redundante und ausfallsicheren Antriebs-Systemlösung im 250 kW-Bereich mit einer ca. 2-3fach höheren Leistungsdichte als im Vorgängerprojekt mit dem Referenzwert 0.25 kW/kg erreicht, das verwendete BZ-System liegt mit entwickeltem Luftversorgungsmodul bei einer Systemleistung von ca. 0,6 kW/kg und unter Berücksichtigung des von H2Fly analysierten Gewichtseinsparungspotential kann derzeit 0,65 kW/kg erreicht werden. Ergänzend sei darauf hingewiesen, dass die Brennstoffzellentechnologie im Vergleich zur Batterietechnologie weiterhin eine signifikant höhere Energiedichte aufweist, ein entscheidender Vorteil für langanhaltende, emissionsfreie Flugmissionen. Die Entwicklungen im vorliegenden Projekt zeigen das Potential auf zeitnah in Folgeprojekten >1,0 kW/kg zu erreichen. Somit wurde der nächste Schritt in der Entwicklung der nahezu emissionsfreien (es entsteht nur Wasser als Abfallprodukt) Antriebstechnologie für die Luftfahrt erfolgreich abgeschlossen.