Elektrisches Fliegen: Hybrid-elektrische Commuter

Nach ersten elektrifizierten Kleinflugzeugen wird der nächste große Schritt des elektrischen Fliegens in die Commuter-Klasse, der Flugzeuge mit 19 Sitzen, gehen. Heute sind weltweit rund 3.000 Flugzeuge der Commuter-Klasse im Einsatz, wobei in den vergangenen Jahren im zivilen Bereich nur etwas mehr als ein Dutzend 19-Sitzer pro Jahr neu ausgeliefert wurden.

Das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) hat gemeinsam mit dem Bauhaus Luftfahrt nun im Projekt CoCoRe (Cooperation for Commuter Research) analysiert welche Möglichkeiten und Potentiale es im Bereich hybrid-elektrischer 19-Sitzer gibt. Dabei zeigt sich, dass elektrische Antriebe für die häufig geflogenen kurzen Distanzen bis 350 Kilometer in dieser Klasse sinnvoll CO2-sparend eingesetzt werden können. Zukünftig sind in diesem Entfernungsbereich auch Flugtaxiverbindungen von Flugplätzen weniger gut angebundener mittelgroßer Städte denkbar.

Jetstream 31 mit Range-Extender

„In unserer Studie haben wir exemplarisch eine Konfiguration untersucht, die sich mit einigen Modifikationen eng an die heute fliegenden 19-Sitzer Do-228 und insbesondere Jetstream 31 anlehnen“, erklärt Projektleiter Wolfgang Grimme vom DLR-Institut für Flughafenwesen und Luftverkehr. Besonders modifizierten die Forscher in ihrem Entwurf die Fahrwerksgondeln, die über den Tragflächen für die Aufnahme von schnell austauschbaren Batterieblöcken erweitert wurden. „Damit haben wir das Gewicht der vergleichsweise schweren Batterien genau da, wo es am Flugzeug am günstigsten bei Start und Landung sitzt – direkt über den Fahrwerken. Leere Batterien können so unkompliziert und schnell an einem Flughafen gewechselt werden.“

Begrenzt durch das Gewicht der Batterien von zwei Tonnen bei einer Gesamtabflugmasse von 8,6 Tonnen, gehen die Forscher in ihrem Konzept von einer vollelektrisch geflogenen Reichweite von 200 Kilometern aus. Je nach Bedarf lässt sich diese mit zwei Range Extendern in Form einer Gasturbine, die mit dem jeweiligen Propeller gekoppelt und entkoppelt werden kann, auf eine Reichweite von über 1.000 Kilometer erweitern. „Nach unseren Recherchen fliegen 19-Sitzer weltweit zu 56 Prozent Strecken unter 200 Kilometern und zu 83 Prozent unter 350 Kilometern, so dass diese Kombination aus vollelektrischem Flug ergänzt um einen Range Extender bereits einen Großteil der CO2-Emissionen im Bereich der Commuter-Flugzeuge vermeiden würde“, erklärt Dr. Annika Paul vom Bauhaus Luftfahrt.

Hybrid für Sicherheit und Reichweite

Hybridantrieb bedeutet eine Mischform zweier Antriebstechnologien. Neben den aufladbaren Akkus ist das in der Studie ein Range Extender. Dieser ist auch für die Sicherheit solch eines elektrifizierten Flugzeugs entscheidend, da im Notfall, wenn etwa ein entfernterer Ausweichflughafen bei schlechten Wetterbedingungen angesteuert werden müsste, dieser die notwendige zusätzliche Reichweite ermöglicht. Der Range-Extender ermöglicht also einen längeren vollelektrischen Flug, da die Batterie nicht für Reserven in Anspruch genommen werden muss“, ergänzt Georgi Atanasov vom DLR-Institut für Systemarchitekturen in der Luftfahrt.

Bei zukünftig weiteren Verbesserungen der Speicherkapazität von Batterien ist auch eine rein elektrische Reichweite über 200 Kilometern bei gleichem Batteriegewicht denkbar. Zudem würde die allerdings besonders kostenintensive Entwicklung neuer Flugzeugkonfigurationen etwa mit zahlreichen verteilten elektrischen Propellern an den Tragflächen in Kombination mit einer modernen leichteren Flugzeugbauweise ebenso die Reichweite des vollelektrischen Flugs erweitern. Vollelektrische Flüge von über 400 Kilometern sind aus diesen Gründen in Zukunft durchaus denkbar.

Markt zwischen mittelgroßen Städten

Zusätzlich zur Analyse der technischen Möglichkeiten führten die Forscher im Projekt CoCoRe auch eine Marktanalyse möglicher Einsatzfelder elektrischer Commuter-Flugzeuge durch. Neben dem verbreiteten klassischen Einsatzbereich als kleine Zubringerflugzeuge für entlegene Regionen mit wenig Passagieraufkommen wie beispielsweise in Kanada identifizierten die Forscher auch einen Bedarf für mittelgroße Städte in Europa die über unzureichende Direktanbindungen unter anderem an große Ballungszentren verfügen. Für diese Städte wäre ein wirtschaftlich tragbarer regionaler Flugtaxidienst von kleineren Flugplätzen aus denkbar.

Für Deutschland sind solche Strecken beispielsweise Mannheim – Berlin, Bremen – Berlin oder auch Münster – Leipzig. Wirtschaftlich herausfordernd gegenüber konventionell betriebenen Commuter-Flugzeugen sind für solche Szenarien bisher noch die geringe Anzahl von etwa 1.000 Ladezyklen der Batterien und die vergleichsweise geringen CO2-Preise. Erhöhen sich diese Faktoren zukünftig, steigen ebenfalls die wirtschaftlichen Perspektiven elektrischer Flugzeuge.

Auf dem Bild: Konzeptstudie eines hybridelektrischen 19-Sitzers im Forschungsprojekt. Mit CoCoRe (Cooperation for Commuter Research) haben die Forscher exemplarisch eine Konfiguration untersucht, die sich mit einigen Modifikationen eng an die heute fliegenden 19-Sitzer Do-228 und insbesondere Jetstream 31 anlehnt. Besonders modifizierten die Forschenden in ihrem Entwurf die Fahrwerksgondeln, die über den Tragflächen für die Aufnahme von schnell austauschbaren Batterieblöcken erweitert wurden.