Lithium-Schwefel-Batterien für die Luftfahrt

IASA e.V. - nachhaltige Luftfahrt

LiMeS-Konsortium entwickelt Produktionsprozess für Hauptkomponente verschiedener Batterietypen

Batteriesysteme gewinnen auch in der Luftfahrt immer mehr an Bedeutung – nicht in erster Linie für die Energieversorgung des Antriebs, sondern als Energielieferant für Hilfssysteme. Denn ebenso wie die Flotten der Automobil- hersteller müssen auch die Flugzeuge zukünftig weniger CO2-Ausstoß bei glei- cher Leistung bieten. In einem neuen Projekt werden Komponenten für leichte Hochleistungsbatterien auf Li-Schwefel-Basis entwickelt.

Auch vor dem Fliegen macht die Elektrifizierung nicht halt. Kleine und große Flugzeuge werden mit elektrischen Antrieben entwickelt. Das können voll-elektrische oder hybrid- elektrische Antriebssysteme sein. Diese machen dann Sinn, wenn sie lokal Emissionen vermeiden, Energie in Flugphasen mit Bedarfsspitzen zur Verfügung stellen oder wenn sie Nebenaggregate genau dann mit Strom versorgen, wenn dieser benötigt wird. Dafür sind leichte und möglichst leistungsfähige Batterien notwendig. Für die Luftfahrt gelten nicht die starken Kostenbeschränkungen wie in der Automobilindustrie.

Geringes Gewicht bei hoher Energiedichte

Lithium-Schwefel-(Li-S-)Batterien besitzen das Potenzial für den Bau von Batteriesyste- men mit hoher Energiedichte und gleichzeitig geringem Gewicht. In ihnen sind keine schweren Metalle in der Kathode enthalten wie bei Lithium-Ionen-(Li-Ionen-)Batterien. Allerdings sind Li-S-Batterien heute noch nicht so ausgereift wie Li-Ionen-Batterien, insbesondere hinsichtlich der Zyklenfestigkeit.

Ein Konsortium unter Leitung von Airbus nimmt sich nun den Herausfor- derungen der Weiterentwicklung und Optimierung von Li-S-Batterien fürdie Luftfahrt an. Auf Basis von Anforderungen und Lastprofilen, wie sie bei Airbus auch für andere Entwicklungen genutzt werden, wollen die Forscher den Entwicklungsstand der Li-S-Batterietechnologie vorantreiben.

Neben der Verbesserung der Kathode aus Schwefel und Kohlenstoff mit Hilfe neuer Verarbeitungsverfahren und der Erprobung von Hybridsystemenfür den Elektrolyt – also der Mischung von Flüssig- und Fest-Elektrolyt – ist die Herstellung der Lithium-Metall-Anode durch einen neuen, elektro- chemischen Prozess eines der Kernthemen des Projekts.

Optimierte Lithiumbeschichtung durch elektrochemischen Prozess

Bisher werden Li-Metall-Anoden, die außer in Li-S-Batterien auch in einigen Typen von Li-Ionen-Batterien sowie in Festkörperbatterien eingesetzt werden, mit Hilfe von ge- walzten Li-Folien hergestellt. Diese können heute jedoch nicht viel dünner als 30 Mikro- meter hergestellt werden, denn Lithiummetall neigt dazu, an anderen Oberflächen zu kleben. Deswegen muss eine gewisse Dicke für eine minimale mechanische Stabilität gegeben sein. Weil 30 Mikrometer jedoch oft mehr sind, als die Zelle elektrochemisch benötigt, schleppen diese Zellen unnötiges Gewicht und unnötige Kosten mit.

Um dies zu ändern, arbeitet die Abteilung Galvanotechnik des Fraunhofer IPA an einem elektrochemischen Prozess, mit dem beliebig starke Lithiumschichten in einem Schritt auf Metallfolien aufgebracht werden können. Ein solcher Prozess bietet die Möglich- keit, genau die Menge an Lithium auf die Elektrode zu bringen, die technisch benötigt wird. Außerdem können nicht nur glatte, sondern auch strukturierte Elektrodenfolienbeschichtet werden.

IASA e.V. - nachhaltige Luftfahrt

Neue elektrochemische Prozesse zur Abscheidung von Lithiummetall für Batterieanoden in Schutzatmosphäre. Quelle: Fraunhofer IPA, Foto: Rainer Bez

Mit dieser Entwicklung erweitert das Fraunhofer IPA die Palette an Produktionsprozes- sen für eine Hauptkomponente von verschiedenen Batterietypen und hilft, zukünftig Kosten und Ressourcen bei der Batteriezellfertigung einzusparen. Elektrochemisch basierte Abscheide- oder Applikationsprozesse haben das Potenzial, bei Umgebungs- bedingungen technologisch wichtige Metallschichten zu erzeugen, die sonst nur durch sehr aufwendige Verfahren herstellbar sind.

Quelle: Fraunhofer IPA

Flugscham? Fliegen ist in!

IASA: Nachhaltige Luftfahrt - Sustainable Aviation

Alle reden vom Klima. Und fliegen weiter. Bis 2040 wird sich die Zahl der Flugpassagiere mehr als verdoppeln. Die neue Herausforderung heißt: Schadensbegrenzung.

Klimawandel. CO2-Einsparung. Greta im Zug. Und dann das: In den nächsten 20 Jahren wird sich die Zahl der Flugzeugpassagiere mehr als verdoppeln, von rund vier Milliarden im Jahr 2016 auf über 9,4 Milliarden 2040. Gleichsam wird die Zahl der Flüge von 35,5 auf etwa 53 Millionen ansteigen. Das zumindest prognostiziert das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) in einem weltweit erstmaligen globalen Prognosemodell.

Für das Modell haben die Forscher die Entwicklung von Passagierzahlen, Flotten und Flugbewegungen analysiert sowie Prognosen zum Bevölkerungs- und Wirtschaftswachstum herangezogen. Das Neue an ihrem Ansatz: “Wir berücksichtigen die verfügbaren Flughafenkapazitäten, wie sie heute sind und sich möglicherweise in Zukunft entwickeln.”, so Hauptautor Marc Gelhausen. “Das hat Rückwirkungen auf die Passagiernachfrage, auf die Flotten- und Flugbewegungsentwicklung.”

Infografik weltweites Passagieraufkommen

Sechs der zehn am stärksten betroffenen Flughäfen in Asien

Treffen ihre Vorhersagen zu, wird es aufgrund der erhöhten Nachfrage an Flughäfen bald zu massiven Kapazitätsengpässen kommen. Einerseits in europäischen und amerikanischen Hubs wie London Heathrow und Atlanta, aufgrund steigender Wirtschaftskraft und Bevölkerungszahlen maßgeblich aber auch in asiatischen Ballungszonen China, Indonesien und Indien. Das steigende Passagiervolumen könne in Zukunft nur durch eine Anpassung der Flugzeuggröße bewältigt werden. Für 2040 prognostizieren die Autoren eine Kapazitätserhöhung von 111 auf 179 Passagieren pro Maschine.

Was bedeutet das in Zeiten der sogenannten Flugscham? “Wenn mehr Menschen in ein- und demselben Flugzeug sitzen, ist das grundsätzlich erst mal effizienter bezüglich der Pro-Kopf-Emissionen”, sagt Ralf Berghof, stellvertretender Institutsleiter und Abteilungsleiter Luftverkehr, “aber es erhöht sich auf der anderen Seite auch das Gewicht des Flugzeugs und damit auch der Verbrauch.” Dem Optimum zwischen Auslastung und CO2-Ausstoß wollen die Forscher in einer nun initiierten weiteren Studie auf den Grund gehen.

Immanentes Wachstum

“Es ist nicht Neues, dass der Luftverkehr wächst.”, meint Rudolf Dörpinghaus, Präsident der International Asscociation for sustainable Aviation (IASA). “Der Luftverkehr ist eigentlich seit der Entwicklung des kommerziellen Luftverkehrs eine Wachstumsindustrie gewesen. Wachstum ist ein Kernelement des modernen Luftverkehrs.” Die neue Herausforderung bestünde vielmehr darin, den Luftverkehr klimafreundlich beziehungsweise perspektivisch klimaneutral zu gestalten.

Handlungsbedarf und -möglichkeiten gäbe es entlang der gesamten Transportkette, also während des Fluges, aber auch davor und danach auf dem Boden. An erster Stelle komme es darauf an, dem Luftverkehr die Möglichkeit zu geben, in neue Technologie zu investieren: “Mit jeder Flugzeug-Generation, die wir haben, sinkt der Kraftstoffverbrauch in der Größenordnung zehn bis fünfzehn Prozent pro Passagier-Kilometer.” Viele Airlines seien jedoch nicht in der Lage, immer wieder das neueste Fluggerät zu besitzen.

Synthetisches Kerosin als Hoffnungsträger

Enormes Potential sieht Dörpinghaus in der Substitution des fossilen Kerosins durch synthetische Kraftstoffe: “Die Technik ist da, man muss sie wirklich nur umsetzen.” Gemeint ist Power-to-Liquid (PtL), die Herstellung von Kerosin aus erneuerbarem Strom und CO2. Dies allerdings erfordere eine globale Zusammenarbeit, da fossiles Kerosin derzeit viel preiswerter sei als PtL-Sprit, ein Todesurteil im weltweiten Wettbewerb. Gäbe man dem Verfahren eine Chance und führte beispielsweise eine verbindliche Quote ein, wäre PtL in fünf bis zehn Jahren marktfähig, so Dörpinghaus’ Prognose.

Notwendig, da sind sich die Akteure einig, ist eine internationale Gesetzgebung. Eine solche versucht die UN-Luftfahrtsorganisation ICAO mit ihrem Konzept “CORSIA” (“Carbon Offsetting and Reduction Scheme for International Aviation”). In diesem haben sich Fluggesellschaften, Flughäfen, Hersteller und Flugsicherungen darauf geeinigt, dass das Wachstum der internationalen Luftfahrt ab 2020 CO2-neutral erfolgen soll. Erreicht werden soll dies durch Investitionen in CO2-senkende Klimaschutzprojekte. Der Bund für Umwelt und Naturschutz Deutschland (BUND), die Bundesvereinigung gegen Fluglärm (BVF), der ökologische Verkehrsclub (VCD), Germanwatch, der Naturschutzbund Nabu und der Dachverband Deutscher Naturschutzring (DNR) kritisieren “Corsia” jedoch als “reine Augenwischerei und völlig unzureichend.”

Quelle: Deutsche Welle, Autorin: Anna Carthaus

Airbus investiert mit Amprius in den Marktführer für Batterietechnologie mit hoher Energiedichte

IASA: Nachhaltige Luftfahrt - Sustainable Aviation

  Strategische Investition von Airbus Defence and Space in Amprius, Inc.

  Neue Generation von Lithium-Ionen-Batterien mit Silizium-Nanodraht-Anode

  Ausbau der Produktion zur Deckung kurzfristigen Bedarfs im Zephyr-Programm

München, 31. Oktober 2019 – Airbus Defence and Space ist eine Partnerschaft mit den Kapitalgebern des US-amerikanischen Batterieherstellers Amprius eingegangen. Die Finanzierung dient dazu, die Entwicklung moderner Batteriespeicher mit Silizium-Nanodraht- Anoden-Technologie voranzutreiben.

Die Beteiligung von Airbus Defence and Space soll den Ausbau der Produktionskapazität fördern und Batterien mit höherer Energiedichte für Luftfahrtinnovationsprogramme von Airbus Defence and Space wie dem hoch fliegenden Pseudosatelliten (HAPS) Zephyr und Urban Air Mobility bereitstellen.

„Diese Partnerschaft stärkt die Verbindung zweier Marktführer und führt die neueste Batteriegeneration auf dem Markt mit dem fortschrittlichsten HAPS-Programm zusammen. Zephyr ist derzeit der einzige vollständig solarbetriebene HAPS, der in der Stratosphäre in einer durchschnittlichen Flughöhe von 70.000 Fuß (21 Kilometern) betrieben wird. Er stellt persistente satellitenähnliche Dienste auf lokaler Ebene bereit und deckt ein breites Spektrum von Anwendungen und Aufgabenstellungen ab“, erklärt Jana Rosenmann, Head of Unmanned Aerial Systems bei Airbus.

Amprius brachte 2013 als erster Hersteller Lithium-Ionen-Batterien mit 100% Silizium- Anoden auf den Markt und produziert handelsübliche Batterien mit der branchenweit höchsten Energiedichte. Zu den Produkt- und Technologieplattformen des Unternehmens gehören vollständig aus Silizium bestehende Nanodraht-Anoden, Silizium-Graphit-Anoden, lithiumreiche Kathoden und speziell für Silizium ausgelegte Hochspannungselektrolyte.

„Wir freuen uns sehr, mit Airbus zusammenzuarbeiten und Batterien für das Zephyr- Programm zu liefern“, so Jon Bornstein, COO von Amprius. „Der Einbau der Lithium-Ionen- Batterien mit vollständig aus Silizium bestehender Nanodraht-Anode von Amprius in die Zephyr-Plattform ist eine wichtige Bestätigung dieser Technologie. Auch die Entwicklung von Hochenergiezellen für Urban Air Mobility eröffnet spannende Möglichkeiten für die Erschließung neuer Märkte in der Luftfahrt.“

Amprius-Batteriesysteme mit hoher Energiedichte eignen sich für Smartphones, Wearables, Drohnen, Roboter, Luftfahrzeuge, elektrische Transportmittel und militärische Ausrüstung.

Zephyr ist das weltweit führende solargetriebene unbemannte Fluggerät in der Stratosphäre. Es wird sowohl militärischen als auch zivilen Kunden neue optische, sensorische und kommunikative Möglichkeiten bieten. Zephyr besitzt das Potenzial, das Katastrophenmanagement zu revolutionieren, unter anderem durch die Überwachung der Ausbreitung von Waldbränden oder Ölteppichen. Es ermöglicht nicht nur eine konstante Überwachung ökologischer Veränderungen, sondern auch die Kommunikation mit den entlegensten Teilen der Erde.

Für den nötigen Antrieb sorgt modernste Batterietechnik. Sowohl die zusätzliche Produktionskapazität bei Batterien der neuen Generation als auch die Forschung an künftigen Batteriekonzepten werden dem Zephyr-Programm und seiner marktführenden Position zugutekommen.

Über das Airbus-Programm Zephyr

Eigentliches Ziel des Zephyr-Systems ist es, persistente Dienste kostengünstig auf lokaler Ebene mithilfe eines wiederverwendbaren, solarelektrisch betriebenen Flugzeugs anzubieten und dabei eine breite Anwendungspalette abzudecken: etwa die Meeresüberwachung und dazugehörige Einsätze, Grenzschutzmissionen, Kommunikation, Lokalisierung und Überwachung von Waldbränden oder Navigation. Die in der Stratosphäre in einer durchschnittlichen Flughöhe von 70.000 Fuß bzw. 21 Kilometern betriebene Ultraleichtdrohne Zephyr wiegt bei einer Spannweite von 25 Metern kaum 75 Kilogramm. Sie fliegt über dem Wetter (Wolken, Strahlströme) und dem normalen Luftverkehr und soll gezielt für lokale oder regionale Missionen eingesetzt werden.
Zephyr besitzt die Fähigkeit, sich konkret auf ein bestimmtes Zielgebiet (das Hunderte Meilen umfassen kann) zu konzentrieren und ist daher ideal für lokale ISR-Missionen (Intelligence, Surveillance and Reconnaissance – Informationsgewinnung, Überwachung und Aufklärung) mit hoher Persistenz geeignet. Dabei bietet es, ähnlich einem Satelliten (jedoch mit höherer Bildkörnigkeit), Kommunikations- und Erdbeobachtungsdienste über lange Zeiträume und ohne jede Unterbrechung. Das Zephyr-System ist kein reines Flugzeug und kein reiner Satellit, besitzt jedoch Merkmale von beidem, indem es die Persistenz eines Satelliten und die Flexibilität einer Drohne in sich vereint. Das einzige Zivilflugzeug, das in dieser Höhe geflogen ist, war die Concorde; ansonsten können nur die militärischen Aufklärer U-2 und SR-71 „Blackbird“ in vergleichbaren Höhen eingesetzt werden. Zephyr hat mehrere Weltrekorde aufgestellt, unter anderem im Jahr 2018 für die längste Flugdauer ohne Betankung. Bei seinem Erstflug blieb der Zephyr S, das erste Produktionsmodell des Luftfahrzeugs, mehr als 25 Tage in der Luft und erreichte dabei Flughöhen von über 21 Kilometern.

Quelle: Airbus

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