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Jul 27, 2023

Wasserstoffverschiebung in der Luftfahrt: Erkundung von Tests und Validierung für Wasserstoffantriebe

von Jack Roper Da sich unser Klima verschlechtert, wird die Dekarbonisierung zu einer immer dringlicheren Notwendigkeit für Flugzeughersteller. Die Coventry University und das Ingenieurdienstleistungsunternehmen FEV haben das gemeinsam entwickelt

von Jack Roper

Da sich unser Klima verschlechtert, wird die Dekarbonisierung für Flugzeughersteller immer dringlicher. Die Universität Coventry und das Ingenieurdienstleistungsunternehmen FEV haben gemeinsam das Centre for Advanced Low-Carbon Systems gegründet, um die verschiedenen Antriebstechnologien zu entwickeln, die dieses Unterfangen erfordert.

„Wir verfügen über fünf Antriebstestzellen, die ursprünglich zum Testen von Verbrennungsmotoren konzipiert und dann aufgerüstet wurden, um andere kohlenstoffarme Antriebsstränge zu unterstützen“, sagt C-ALPS-Direktor Dr. Simon Shepherd. „Jeder verfügt über eine Benzin-, Diesel- und Wasserstoff-Kraftstoffversorgung sowie die Fähigkeit zur Batterieemulation.

„Dynamometer sorgen für die mechanische Belastung, oder wir können einen Prüfstand für elektrische Antriebe mit Strom versorgen. Die Zellen verfügen über Wasserkühlung und Luftabsaugung für Dämpfe oder ausgetretenen Wasserstoff.“

Die FEV (Forschungsgesellschaft für Energietechnik und Verbrennungsmotoren) nutzt diese Prüfzellen vorrangig für Auftragstests von Antriebssträngen, während in Speziallaboren Grundlagenforschung an Komponenten und Subsystemen durchgeführt wird. Es gibt Labore für Hoch- und Niederspannungselektronik, Wasserstofftests und Zell-Prototyping.

„Wir führen Batteriecharakterisierungen durch und erforschen Diagnosetechniken“, sagt Shepherd. „Wir wollen die Hebel verstehen, die die Batterieleistung verbessern, sei es durch schnelleres Laden oder eine verbesserte Lebensdauer, Energiedichte oder Leistungsdichte.“

C-ALPS schafft ein uneingeschränktes Kontinuum akademischer und kommerzieller Forschung. Die Coventry University verfügt über eine lange Geschichte von Einrichtungen wie dem Institute for Advanced Manufacturing and Engineering, die auf starken Industriepartnerschaften basieren. FEV wurde 1978 als Ableger der deutschen Universität Aachen gegründet und pflegt dort eine enge Forschungskooperation.

Jörn Behrenroth, Geschäftsführer, FEV UK

„Bis 2013 suchten wir nach einer ähnlichen Universitätskooperation, um unsere britischen Kunden zu bedienen“, erklärt FEV UK-Geschäftsführer Dr. Jörn Behrenroth. „Coventry hatte Ambitionen und betrachtete sich als Störfaktor. Für deutsche Unternehmen ist es schwierig, in Großbritannien aufzubauen, aber die Universität macht es. Wir teilen Einrichtungen, koordinieren Investitionen und treiben die Themen voran, an denen wir arbeiten wollen.“

Der langfristige Mietvertrag von FEV gab Coventry die Zuversicht, in Fähigkeiten zum Testen von Antriebssystemen zu investieren, die über die der meisten Universitäten hinausgehen. FEV kofinanziert Doktorandenstudien und gewährleistet die industrielle Relevanz der akademischen Forschung.

„Durch unsere internationalen Aktivitäten verstehen wir die Bedürfnisse der Branche und können Industriedaten bereitstellen“, sagt Behrenroth.

„Ein Doktorand, der einen Steueralgorithmus zur Batterieoptimierung entwickelt, kann Monate damit verbringen, ein Modell zu erstellen, um den Algorithmus zu testen. FEV verfügt bereits über diese Modelle, sodass sie sich auf die Entwicklung und Erprobung der Lösung konzentrieren können.“

Ursprünglich als Motorprüfstand konzipiert, wurde C-ALPS weiterentwickelt, um Elektrifizierungsprojekten gerecht zu werden. Im Jahr 2020 war klar, dass auch Wasserstoff eine Rolle bei der Dekarbonisierung des Verkehrs spielt, und die Partner investierten über einen Zeitraum von zwei Jahren 3 Millionen Pfund (3,7 Millionen US-Dollar) in Wasserstofftestkapazitäten.

„Die Universität Coventry hat den Umbau einer Testzelle finanziert, um zu zeigen, dass sie sinnvoll ist“, sagt Behrenroth. „FEV führte daraufhin ein umfassendes Upgrade der anderen Zellen durch. Für kommerzielle Organisationen ist es manchmal schwierig, im Voraus Investitionsargumente zu erstellen. Jetzt können wir mit einem kleinen, zaghaften Schritt beginnen, um den Markt zu testen.“

C-ALPS hat sich bereits Verträge über Wasserstofftests im Wert von 4 Millionen Pfund (5 Millionen US-Dollar) gesichert und sich zu einer langfristigen Versorgung mit Wasserstoff in industriellen Mengen verpflichtet, was sowohl der kommerziellen als auch der akademischen Forschung zugute kommt. Das 2021 fertiggestellte 100 m² große Brennstoffzellenlabor ermöglicht kostengünstige Short-Stack-Forschung.

„Ein kurzer 10-kW-Brennstoffzellenstapel kann eine Teilmenge des 100-kW-Stacks sein, der für den Fahrzeugantrieb benötigt wird“, erklärt Shepherd. „Es ermöglicht das Testen neuer Materialien oder der Kernleistung im Submaßstab unter verschiedenen Bedingungen zu reduzierten Kosten vor der Skalierung.“

Das Forschungslabor für Wasserstoff-Brennstoffzellen von C-ALPS wurde 2021 für die Zell- und Short-Stack-Forschung eröffnet

Dr. Oliver Curnick leitet die Hydrogen Energy Research Group der Coventry University, die sowohl den Antrieb als auch die Produktion von Wasserstoff untersucht. Curnick sieht in der Wasserstoffumwandlung in erster Linie eine Skalierungsherausforderung, die die Wissenschaftler aus Coventry durch die Partnerschaft mit FEV realistisch angehen können.

„Universitätslabore verfügen normalerweise über Subskalensysteme“, sagt Curnick. „Brennstoffzellenelektroden können 25 cm2 groß sein. Die leistungsfähigere Infrastruktur von FEV erleichtert Tests im Anwendungsmaßstab mit mehreren hundert Elektroden und macht unsere Forschung relevant für die Scale-up-Herausforderungen, vor denen die Branche steht. Wir entwickeln In-situ-Sensoren zur Messung der Sauerstoffkonzentration in Brennstoffzellen. Die Auswertung im richtigen Maßstab zeigt uns, wie wir ihre Leistung in realen Systemen verbessern können.“

Die Coventry University arbeitet mit Industriepartnern an FEV-geführten Projekten und über eigene Direktverträge. Die Batterie-Prototyping-Einrichtungen von C-ALPS ermöglichen es Wissenschaftlern, neue Zelltechnologien in Automobilanwendungsformaten herzustellen und zu testen. C-ALPS beteiligt sich an staatlich oder EU-finanzierten Verbundprojekten wie CoacHyfied, zu denen FEV durch die Beteiligung von FEV auch nach dem Brexit einen guten Zugang gewährleistet.

Der Wasserstoffspeicher bietet Platz für Röhren und Anhänger

„Wir haben PhD-Forschungsstudien, die ganz oder teilweise von Industriepartnern finanziert werden und Zugang zu einigen Einrichtungen haben“, sagt Shepherd. „Diese haben einen langsameren Trommelschlag, können aber Ideen mit geringen Investitionen ankurbeln. Wir können einen Studenten an einem winzigen Motorroller arbeiten lassen und in angrenzenden Räumen einen kommerziellen Motortest in Originalgröße durchführen.“

Der C-ALPS-Ansatz ist branchenübergreifend und technologieunabhängig. Während sich Wasserstoff für emissionsfreie Reisebusse und Lastwagen als geeignet erweisen könnte, scheint die Elektrifizierung von Personenkraftwagen einen anderen Kurs eingeschlagen zu haben. Dabei liegt der Schwerpunkt der Arbeiten auf der Verbesserung der Praxistauglichkeit batterieelektrischer Fahrzeuge (BEVs), indem ein schnelles Laden ohne Beeinträchtigung der Batterielebensdauer ermöglicht wird.

„Batterie-Prototyping hilft Kunden, sich mit neuen Materialien auseinanderzusetzen“, sagt Shepherd. „Die Entwicklung fortschrittlicher Sensortechniken zur Überwachung und zum Verständnis der internen Parameter von Batterien könnte es uns ermöglichen, sie im Einsatz besser zu modellieren und zu verwalten.“

Batterie- und Wasserstoffantriebssysteme müssen die Reife traditioneller, über hundert Jahre optimierter Motorentechnologie anstreben. Heutzutage wird BEV-Besitzern empfohlen, nicht vollständig aufzuladen und effektiv 20 % Reservekapazität mit sich zu führen, nur um die Lebensdauer der Batterie zu verlängern.

„Motorprüfstände messen Zylinderdruck, Innentemperaturen und Modellwirbelmuster“, sagt Behrenroth. „Das Gleiche wollen wir auch für andere Technologien tun. In-situ-Sensoren werden zeigen, wie sich elektrochemische Prozesse auf die Lebensdauer der Zellen auswirken und den Betrieb kleinerer, leichterer Batterien mit geringerem Sicherheitsspielraum ermöglichen.

„Die Universität entwickelt einen Mikroprozessor, um interne Sensorinformationen an ein Batteriemanagementsystem zu verteilen.“

Neuartige In-situ-Sensoren werden interne Prozesse sowohl von Batterien als auch von Brennstoffzellen beleuchten. FEV prognostiziert, dass bis 2040 86 % der Personenkraftwagen batterieelektrisch sein werden, 12 % mit Brennstoffzellen und 2 % mit Wasserstoffverbrennung. Curnick erwartet einen Nischenmarkt für Wasserstoffautos.

Zu den C-ALPS-Einrichtungen gehören die neuesten Prüfstände und Prüfstände für elektrifizierte Antriebsstränge und thermodynamische Motoren

Flugzeuge erfüllen erweiterte Missionsprofile und während Batterien städtische Lufttaxis antreiben können, herrscht bei Shepherd Einigkeit darüber, dass Wasserstoffturbinen oder Brennstoffzellen größere Regionalflugzeuge antreiben müssen. C-ALPS kann Brennstoffzellen-Antriebsstränge im 500-kW-Maßstab testen, und Short-Stack-Tests könnten zu einer Erhöhung der Leistungsdichte führen, um Volumen- und Gewichtsbeschränkungen bei der Flugzeugkonstruktion zu erfüllen.

„EVTOL-Flugzeuge könnten von der gegenseitigen Befruchtung mit validierter Optimierung des Automobilantriebsstrangs profitieren“, sagt Behrenroth. „Wir führen kommerzielle Zelltests für Luft- und Raumfahrthersteller durch. Wir können einen Antriebsstrang mit Brennstoffzelle in eine Testzelle einbauen, ihn belasten und Powertrain-in-the-Loop-Simulationen durchführen, um die Entwicklung zu entlasten.“

Curnick bezweifelt, dass die Wasserstoffspeicherung für Langstreckenflüge in Großraumflugzeugen ausreicht. Derzeit glaubt er, dass die Verbrennung das praktikabelste Wasserstoff-Antriebssystem darstellt, geht jedoch davon aus, dass Brennstoffzellensysteme die Leistungsdichte von Turbinen übertreffen und bis Mitte der 2030er Jahre für kleinere Flugzeuge brauchbar werden.

„Sogar Leichtflugzeuge werden flüssigen Wasserstoff benötigen, um die erforderliche Leistungsdichte zu erreichen“, sagt Curnick. „Deshalb müssen wir Methoden und Technologien für den Umgang mit Wasserstoff bei kryogenen Temperaturen entwickeln – Transferleitungen, Kompressoren, Trockner, Durchflussmesser – robust und zuverlässig genug für die kommerzielle Luft- und Raumfahrt.“

Die C-ALPS-Forschung zur Wasserstoffproduktion erforscht neuartige Technologien für eine verbesserte Effizienz der energieintensiven Wasserstoffkomprimierung. Etwa 95 % des in Großbritannien produzierten Wasserstoffs werden aus Methan gewonnen, einem Treibhausgas, das 30-mal stärker ist als CO2 und im Energiesystem unerwünscht ist. C-ALPS strebt die Entwicklung effizienter Elektrolyseverfahren an, die mehr Wasserstoff pro Kilowattstunde Strom liefern.

„Die grundlegende Quelle erneuerbarer Energie liegt jedem Technologiemix zugrunde, unabhängig davon, ob wir sie zur Herstellung von Wasserstoff oder zum Laden von Batterien verwenden“, sagt Shepherd. „Der Fahrplan dafür existiert noch nicht. Dann ist der Aufbau der Wasserstoffwirtschaft ein Henne-Ei-Problem. Niemand wird Wasserstofffahrzeuge kaufen, ohne dass man sie betanken kann – daher sehen Investoren keinen Markt für die Wasserstoffproduktion.“

Ein Mangel an Fachwissen ist ein Hindernis für die Entwicklung von Batterie- und Wasserstoffantriebssystemen. Die Coventry University fördert schnell Menschen mit relevanten Fähigkeiten.

„Der schnelle Übergang weg von Verbrennungsmotoren schafft Chancen“, sagt Shepherd. „Es gibt neue Player und OEMs, die versuchen, ihre Technologie zu verändern. Aber alle haben Schwierigkeiten, Leute mit den entsprechenden Fähigkeiten zu finden. Wir stellen unsere Studiengänge um und bieten Industriepartnern Umschulungskurse an.“

Als Student war Curnick von der Magie der Elektrolyse fasziniert und erlebte aufeinanderfolgende Zyklen von Hype und Ernüchterung rund um Wasserstoff. Dieses Mal geht er davon aus, dass es Bestand haben wird, sieht aber immer noch kommerzielle und technische Risiken in der Entwicklung von Antriebssystemen oder elektrolytischen Produktionskapazitäten.

„Entwicklung muss durch die Regierungspolitik unterstützt werden“, sagt er. „Das Potsdam-Institut hat kürzlich historische Scale-up-Raten verschiedener Technologien verglichen. Es wurde festgestellt, dass eine 6000-fache Steigerung der Elektrolytkapazität erforderlich wäre, um bis 2050 Netto-Null zu erreichen. Die einzige Technologie in der Geschichte, die schneller skaliert hat, waren Covid-19-Impfstoffe.“