Fraunhofer-Institut für Verkehrs- und Infrastruktursysteme IVIEnergie für die Luftfahrt der Zukunft
Elektrische Senkrechtstarter (VTOL) besitzen das Potenzial, den urbanen Raum grundlegend zu entlasten, Transportzeiten erheblich zu verkürzen und vollkommen neue logistische und personentransportbezogene Konzepte zu ermöglichen. Die Energiebereitstellung stellt jedoch nach wie vor eine zentrale Hürde dar. Reine Batteriesysteme sind leistungsstark, aber nicht reichweitenfähig genug, während Brennstoffzellensysteme zwar große Energiemengen bereitstellen können, aber nur begrenzt kurzfristige Spitzenleistungen liefern. Erst die Kombination beider Technologien erlaubt es, sowohl die hohen Leistungsanforderungen von Start- und Landephasen als auch die Energiereserven des Reiseflugs zuverlässig abzudecken.
Mit dem Projekt HYPESS entwickelt das Fraunhofer-Institut für Verkehrs- und Infrastruktursysteme IVI ein neuartiges hybrides Energiesystem für elektrische VTOL-Fluggeräte der Urban Air Mobility. Das Ziel ist ein leistungsfähiges, zuverlässiges und vollständig emissionsfreies Energieversorgungssystem, das die heutigen Grenzen batterieelektrischer Fluggeräte überwindet und den Weg für eine sichere und nachhaltige Luftfahrt der Zukunft eröffnet.
Hybrides Energiesystem mit Batterie und Brennstoffzelle
Im Projekt entsteht ein modular aufgebautes Hybrid-Power-Pack, das aus einer leistungsfähigen Traktionsbatterie und einem modernen Wasserstoff-Brennstoffzellensystem besteht. Zur Steuerung des Power-Packs wird ein intelligentes Energiemanagementsystem (EMS) entwickelt, welches die Energieflüsse zwischen dem Antriebsstrang und den Power-Pack-Komponenten verwaltet, um eine möglichst hohe Effizienz und geringe Degradation der Systemkomponenten zu erreichen.
Ergänzt wird das EMS durch ein Energy-Security-System-Konzept (ESS), das eine präzise und ausfallsichere Flugenergieversorgung ermöglicht. Es analysiert aktuelle Betriebszustände , prognostiziert zukünftige Lastanforderungen und erlernt wiederkehrende Muster, um kritische Situationen frühzeitig zu erkennen und zu entschärfen.
Simulation, Modellbildung und KI-basierte Optimierungsansätze
Technologisch folgt HYPESS einem umfassenden und datengetriebenen Ansatz. Zu Beginn des Projekts wird ein vollständiges Lastenheft erstellt, das alle relevanten technischen, regulatorischen und betrieblichen Anforderungen umfasst. Parallel dazu werden mehrere realistische Referenzmissionen definiert, die unterschiedliche Einsatzszenarien abbilden – vom urbanen Kurzstreckenflug bis hin zu logistischen Anwendungen im regionalen Umfeld. Auf Grundlage umfangreicher meteorologischer Datenanalysen konnte zudem bestimmt werden, wie sich Wetterbedingungen auf Leistungsfähigkeit und Einsatzbereitschaft der Systeme auswirken. Grundlage für die Optimierung von Batterie- und Brennstoffzelleneinsätzen ist die Simulationsumgebung IVIsion. Sie soll in HYPESS weiterentwickelt werden, um die komplexen Leistungsprofile von VTOL-Fluggeräten abbilden zu können.
Während der Simulations- und Konzeptphase werden Modelle für Batterie- und Brennstoffzellensysteme entwickelt, die ein besonderes Augenmerk auf Fehler- und Ausfallszenarien legen. Diese Modelle ermöglichen es, kritische Betriebszustände gezielt zu provozieren und zu analysieren, bevor sie im realen System auftreten. Ergänzend dazu werden verschiedene moderne KI-Ansätze wie Reinforcement Learning und Deep Learning evaluiert, um das Energiemanagement langfristig selbstlernend und adaptiv zu gestalten. Gleichzeitig werden die realen Kernkomponenten – ein hochleistungsfähiges Batteriesystem sowie eine kommerzielle Brennstoffzelle – beschafft, sodass der Aufbau des Power-Packs vorbereitet werden kann.
Beitrag zu sicheren und nachhaltigen UAM-Energiesystemen
Das HYPESS-System ermöglicht einen vollständig emissionsfreien Flugbetrieb und unterstützt damit direkt die Dekarbonisierung des Luftverkehrs. Durch die intelligente Steuerung der Energieflüsse werden Batterie- und Brennstoffzellensysteme schonend betrieben, wodurch ihre Lebensdauer steigt und Ressourcen geschont werden. Gleichzeitig trägt Urban Air Mobility insgesamt zur Entlastung innerstädtischer Verkehrsinfrastrukturen bei und bietet neue Möglichkeiten für leisen, lokal emissionsfreien Transport von Personen und Gütern.
Mit diesen technologischen und ökologischen Ansätzen schafft HYPESS die Grundlagen für eine nachhaltige, sichere und wirtschaftlich attraktive Luftfahrt im urbanen Raum und setzt wichtige Impulse für eine klimafreundliche Mobilitätsinfrastruktur der Zukunft.
