Kleinflugzeuge mit Elektroantrieb: E-Fan-Serie von Airbus

Wenn man an den Luftfahrtriesen Airbus denkt, hat man gewöhnlich einen großen Passagierjet vor Augen. Vielleicht einen A380. Aber wohl weniger ein elektrisch angetriebenes Kleinflugzeug wie den E-Fan 1.0. Der ist untypisch für den mächtigen Luftfahrtkonzern. Der von der Airbus Group entwickelte Prototyp ist knapp sieben Meter lang und 500 Kilogramm schwer. Zwei Elektromotoren mit einer Gesamtleistung von 60 Kilowatt treiben jeweils einen ummantelten Propeller (ducted fan) pro Rumpfseite an und bringen den Einsitzer auf eine Reisegeschwindigkeit von 160 Stundenkilometer. Allerdings nicht für stundenlanges Flugvergnügen, denn dazu reicht der Batteriestrom nicht aus. Nach spätestens einer Stunde muss der E-Fan wieder an die Steckdose, um die Akkus aufzuladen. Der limitierende Faktor in der Elektrofliegerei ist die Batteriekapazität.

Damit hat Airbus allerdings allein im vergangenen Jahr einen erheblichen Sprung nach vorne gemacht – in diesem Zeitraum konnten die Ingenieure die Batteriekapazität um 60 Prozent steigern. Davor betrug die maximale Flugzeit gerade mal eine halbe Stunde. Inzwischen hat man durch einen Wechsel der Batteriezellen von Lithium-Polymer auf Lithium-Ionen und der Vergrößerung der Zellenanzahl eine Flugzeit von 50 Minuten erreicht. Nicht zuletzt deswegen hat der E-Fan 1.0 am 10. Juli seinen Flug über den Ärmelkanal erfolgreich gemeistert. In 36 Minuten flog Didier Esteyne die 74 Kilometer lange Strecke nonstop. Nach der Landung waren noch etwa 20 Prozent Restenergie in den Batterien. Für die Entwickler ein zufriedenstellendes Ergebnis. Jetzt will die Airbus Group konkret in den Serienbau elektrischer Kleinflugzeuge einsteigen.

Einen Benzinmotor wird man in dem Prototypen des E-Fan vergeblich suchen

Mit einer Investition von mehr als 20 Millionen Euro für Forschung und Entwicklung soll bis Ende 2017 der zweisitzige E-Fan 2.0 marktreif sein. Das Folgemodell des E-Fan 1.0 wird in einer derzeit entstehenden Montagelinie im südwestfranzösischen Pau vom 100-prozentigen Tochterunternehmen Voltair SAS gefertigt werden. Mit einem Maximalgewicht von 600 Kilogramm soll der E-Fan 2.0 eine europäische LSA-Zulassung bekommen. Die Zulassung des E-Fan bei den französischen Luftfahrtbehörden dürfte für das dort beheimatete finanzkräftige Unternehmen keine größeren Schwierigkeiten bereiten. Pro Jahr sollen laut Airbus nach einer einjährigen Testphase bis zu 80 Maschinen das Werk in Pau verlassen. Dass ein Global Player der Luftfahrtindustrie jenseits seines Kerngeschäfts ein derartiges Engagement aufbietet, wirft natürlich Fragen nach dem Sinn und Zweck auf.

Die Airbus Group will mit dem E-Fan 2.0 die Basisschulung für Piloten neu aufziehen. Das vollelektrische Flugzeug eignet sich demnach perfekt für das Training in der Platzrunde. Die maximale Flugzeit soll dann eine Stunde plus 30 Minuten Reserve betragen. Die Entwickler denken an eine Verfügbarkeit des E-Fan von fünf Flugstunden täglich. Die so genannte „Total cost of Ownership“ soll um bis zu 30 Prozent unter dem Niveau herkömmlicher Schulungsflugzeuge wie etwa von Cessna oder Piper liegen. Das könnte den E-Fan 2.0, der durch den elektrischen Antrieb am Flugplatz kaum Lärm verursacht und sogar nachts einsetzbar wäre, für Flugschulen interessant machen. Airbus denkt zunächst an die französische „École Nationale de l´avitation civile“ (ENAC), die größte europäische Hochschule für zivile Luftfahrt, die unter anderem Piloten ausbildet. Aber auch kleinere Flugschulen sind im Visier des Großkonzerns.

Denen könnte man alternativ auch eine Art Flugstundenpaket verkaufen ähnlich dem Modell der Triebwerkhersteller „Power by the hour“: Die Schule bekommt einen E-Fan mit allem Drum und Dran stundenweise geliehen und zahlt Miete. Das neuartige Schulungskonzept hat die Airbus Group aber noch innovativ weitergedacht: Beim so genannten „Connected Cockpit“ (siehe unten) erhält der Flugschüler einen Tablet-PC, den er während der Flugstunde rechts im Cockpit eingeklinkt. Damit können Flüge einerseits vor- und nachbereitet, aber auch während der Platzrunde Hinweise zu typischen Flugphasen abgerufen werden. Damit nicht genug. Airbus plant bereits den E-Fan 4.0, einen Viersitzer, der allerdings als hybride Variante frühestens 2019 marktreif sein soll.

Hybrid-elektrische Systeme haben drei Komponenten: einen Verbrennungsmotor, der einen Generator antreibt und so Strom erzeugt, eine aufladbare Batterie als Zwischenspeicher und Elektromotoren, die von Batterie und/oder Generator angetrieben werden. Der Grund, den elektrischen Antrieb mit einem Verbrennungsmotor zu unterstützen, liegt schlicht darin, dass so die maximale Flugzeit auf zweieinhalb bis drei Stunden verlängert werden kann. Ein E-Fan 4.0 wäre dann vielleicht auch für den ein oder anderen technikaffinen Privatflieger interessant, wobei Airbus vor allem auf den amerikanischen Markt abzielt. Die Entwicklung geht also zumindest vorerst nicht in Richtung völligen Verzichts auf fossile Brennstoffe und alleiniger Nutzung von Batteriestrom. Das geben die Batteriekapazitäten auf absehbare Zeit nicht her. Stattdessen sind hybride Konzepte im Rennen.

Zukunftsvision: eConcept heißt diese Studie der Airbus Group

Den Betrieb könnte man sich so vorstellen: In der Steigflugphase liefert der Generator in Kombination mit dem Akku die nötige Energie. Im Reiseflug, wenn weniger Leistung gebraucht wird, treibt der Generator die Elektrofans an und lädt gleichzeitig den Akku. Denkbar wäre auch ein rein elektrischer Start, wobei die Zuschaltung des Verbrenners/Generators erst nach drei bis vier Minuten erfolgt, wenn das Flugzeug bereits ausreichend hoch fliegt und akustisch kaum mehr wahrgenommen würde, denn Elektromotoren sind sehr leise. Rein finanziell dürfte Airbus nicht darauf angewiesen sein, den Kleinflugzeugmarkt aufzumischen, um gewinnbringende Marktanteile abzugreifen. „Der E-Fan ist eine Option für die Zukunft, mit der wir Erfahrungen sammeln können“, sagt Dr. Detlef Müller-Wiesner, Direktor E-Aircraft der Airbus Group, „wir werden mit dem E-Fan nicht unsere Kollegen im Profit schlagen, aber unser Ziel ist es, im Markt erfolgreich zu sein und keine Verluste zu machen.“

Auch Jean Botti, Chief Technical Officer der Airbus Group, erklärt das Engagement des Konzerns im Elektroflug eher damit, Erfahrungen für zukünftige Großprojekte sammeln zu wollen: „Durch die Serienfertigung des E-Fan werden wir den Elektroflug vorantreiben und Erfahrungen bei der Ausweitung der Technologie auf industriellen Maßstab gewinnen.“ Zukünftig könnten also auch hybrid-elektrisch angetriebene Passagierflugzeuge abheben. Einen Meilenstein in dieser Richtung hat die Siemens AG jüngst mit der Entwicklung ihres neuesten Elektromotors gesetzt. Das Kraftpaket mit Namen SP260D liefert bei einem Gewicht von nur 50 Kilogramm eine Dauerleistung von 260 Kilowatt, was 354 PS entspricht. Und das bei einem Leistungsgewicht von 5 Kilowatt pro Kilogramm. Das ist mehr als doppelt so viel wie das eines Elektroautos oder fünfmal so viel wie vergleichbare Antriebe.

Der Motor ist speziell für den Einsatz in Luftfahrzeugen konzipiert und soll noch in diesem Jahr in die Flugerprobung gehen. Dr. Frank Anton, Leiter eAircraft bei der zentralen Siemens-Forschung Corporate Technology erklärt: „Mittelfristig halten wir hybrid-elektrisch angetriebene Regionalflugzeuge mit bis zu 100 Passagieren für realistisch. Wir haben schon einen Riesenschritt hinter uns, um aber größere Flugzeuge elektrisch anzutreiben, müssen wir die Leistungsdichte nochmals erheblich steigern. Hybrid-elektrische Konzepte, also die Verbindung von Verbrennungs- und Elektromotor, sind schon heute gut realisierbar. Ich rechne damit, dass in zwanzig Jahren der kommerzielle Einsatz beginnt.“ Einen Ansatz zur weiteren Optimierung der E-Motoren bieten so genannte Supraleiter. Das sind vereinfacht ausgedrückt tiefgekühlte Leitungen, in denen der Strom ungehindert und verlustfrei fließen kann.

Dies würde das Gewicht gebündelter Kupferleitungen sparen und damit das Leistungsgewicht weiter steigern. Und die Elektroflugzeug-Konstrukteure haben noch einen Trick parat: Weil die Motoren relativ leicht sind, kann man mehrere verwenden, die zusammen die Leistung eines größeren Triebwerks erbringen. „Distributed power“ nennt sich eine solche Konstruktion. Der Verbrennungsmotor, ausgelegt als Gasturbinentriebwerk, könnte vergleichsweise klein und leicht ausfallen, da er nicht mehr allein die Startleistung liefern müsste und konstant im optimalen Leistungsbereich laufen könnte. Das wiederum würde Treibstoff sparen. „Wir rechnen mit etwa 25 Prozent weniger Kraftstoffverbrauch“, so Anton.

Im Hinblick auf den Klimaschutz hat sich die Luftfahrtindustrie ein ambitioniertes Ziel gesetzt: Sie will die Flugzeugemissionen bis 2050 im Vergleich zu 2005 um die Hälfte senken. Das aber bei einem statistischen Wachstum des Verkehrsaufkommens um 4,5 Prozent pro Jahr. Selbst wenn man Effizienzgewinne von 1,5 Prozent im Jahr erreicht, würde sich der Kraftstoffverbrauch in diesem Zeitraum immer noch mehr als verdreifachen. Es müssen also weitere Lösungsansätze erdacht und gefunden werden. Dabei ist der Akku als Energiespeicher zentraler Bestandteil. Er soll leicht und klein sein, möglichst viel Energie speichern und so die benötigte Leistung über einen möglichst langen Zeitraum abgeben können.

„Das elektrische Fliegen braucht nicht nur die nötige Leistungsdichte, sondern auch die nötige Kapazität“, erklärt Dr. Andreas Sizmann, Leiter der Abteilung Zukunfts- und Luftfahrt-Umwelttechnologien beim Bauhaus Luftfahrt, „eine hohe Leistung abzurufen, ist heute schon möglich, ein Akku kann bereits eine Leistungsdichte von 1000 Watt pro Kilogramm und weit darüber hinaus liefern. Aber die Fähigkeit, genug Energie zu speichern, um lange fliegen zu können, die muss noch entwickelt werden. Vergleicht man heutige Batterietechnologie mit einer Flasche, so könnte man sagen, wir haben schon einen recht großen Flaschenhals. Der Inhalt kann also sehr schnell freigesetzt werden. Aber die Flasche an sich ist noch nicht groß genug.“ Doch die Batterieforschung scheint auf einem erfolgversprechenden Weg zu sein.

E-Thrust Konzept: eine Batterie wird im Flug über eine herkömmliche Gasturbine aufgeladen

Und das, obwohl Kerosin als herkömmlicher Energielieferant – zumindest, was das Gewicht angeht – unschlagbar ist. Eigentlich. Dr. Kay Plötner, der beim Bauhaus Luftfahrt künftige Flugzeugkonzepte entwirft, geht zunächst von einer rund 50-mal höheren Masse an Batterie aus, die erforderlich wäre, im Vergleich zu der, die man an getanktem Kerosin mitnimmt, um die gleiche Energie bereitzustellen. „Der Faktor 50 würde es prinzipiell verbieten, elektrisch zu fliegen“, so Plötner, „da aber beim Kerosin allein der Heizwert zählt und beim thermodynamischen Verbrennungsprozess nur ein Teil der Energie genutzt werden kann, liegen wir im Batterievergleich nur noch bei Faktor 25“. Inzwischen weiß man zudem, dass Silizium-Anoden in einem Akku eine zehnmal höhere Kapazität liefern als herkömmliche.

Sollte dieser Fortschritt auch auf der Kathodenseite möglich sein, bestünde nur noch ein geringer Unterschied an nutzbarer Energiedichte im Vergleich zwischen Batterien und Kerosin. Allerdings sind wiederaufladbare Akkus durch die Abnutzung irgendwann einmal nicht mehr für die Luftfahrt verwendbar, und es stellt sich zwangsläufig die Frage, was dann mit den Akkus passiert. Ein Lösungsansatz, so die Forscher, wäre die anschließende Nutzung der Akkus im stationären Betrieb, also etwa als Speichermedium für Solarstrom. Auch in privaten Haushalten wäre die Verwendung in einer so genannten Powerwall, einem Akku für Solarstrom, denkbar. Ob und wie wirtschaftlich das ist, muss sich erst noch zeigen.

Tatsache ist, dass auch massenproduzierte Hochleistungsbatterien für die Luftfahrt irgendwann recycelt werden müssen. Aber die Entwicklung elektrischer Flugzeuge schreitet rasant voran. Airbus geht mit kleinem Fluggerät die geringsten wirtschaftlichen Risiken ein. Man darf gespannt sein, ob sich die elektrischen oder hybriden Konzepte am Markt durchsetzen werden. Damit wäre die Chance, Airbus-Pilot zu werden, in der Allgemeinen Luftfahrt angekommen.

Connected Cockpit

Wie kann man dem Flugschüler und –lehrer das Training in der Platzrunde erleichtern? Das Konzept „Connected Cockpit“ der Airbus Group besteht im Prinzip aus einem Tablet-PC, der über eine Schnittstelle auf der rechten Panelseite im Cockpit des E-Fan 2.0 angeschlossen wird. Die darauf installierte Software beinhaltet unter anderem den in logische Trainingseinheiten gegliederten Syllabus des PPL sowie Navigationsdaten der geplanten Flugstrecke. Vor dem Flug kann die Crew den Flugverlauf, beispielsweise eine Platzrunde, visualisiert briefen.

Der Schüler sieht dann schon den Luftraum vor sich und erkennt, wo die Arbeitsbelastung hoch oder gerade Zeit für den Funk ist. Während des Flugs zeigt ein Scrollbalken links im Tablet die gerade notwendigen Aktionen des Piloten an: Sinkflug einleiten, Speed und Drehzahl verringern, Klappen setzen und so weiter. Die Flugdaten werden wie ein Film aufgezeichnet und können im Debriefing schrittweise durchgesprochen werden. Das Tool ermittelt zudem vor einem geplanten Flug den Energiebedarf unter aktuellen Wetterbedingungen und zeigt diesen während des Fluges an.

Text: Peter Berg; Fotos: Airbus Group; fliegermagazin 9/2015