Dieser Tage machen einmal wieder Elektroflugzeuge von sich reden. Wie immer in solchen Fällen mit dem Gestus “das hat es noch nie gegeben”. Nun, das stimmt nicht. Die Militky MB-E1, eine umgebaute Brditschka HB-3, flog zum Beispiel schon 1973 rein elektrisch. (Und ich bin heute wirklich froh, dass das hier kein Podcast ist.)

Freilich nur mit der vor 42 Jahren verfügbaren Batterietechnik, den damals noch neuen Nickel-Cadmium Akkus. Es reichte für Flüge von bis zu 14 Minuten Dauer (je nach Quelle). Über die Geschwindigkeit im Flug und die Reichweite habe ich aber nichts gefunden. Das Konzept des Flugzeugs war dabei ausgesprochen einfach. Man ersetzte mit möglichst wenig Aufwand den Verbrennungsmotor der HB-3 durch einen Elektromotor und die Batterien. Mehr nicht.

Modernere Elektroflugzeuge wie der Airbus E-Fan haben natürlich bessere Batterien und sie sind auch von Anfang an auf möglichst große Effizienz getrimmt. Zum Beispiel benutzt der E-Fan vor dem Start einen normalen Radantrieb um auf Geschwindigkeit zu kommen. Denn bei sehr langsamen Geschwindigkeiten haben Propeller und Düsentriebwerke* ganz ähnliche Probleme mit der Effizienz wie Raketentriebwerke.

(*) In diesem Fall ein Mantelpropeller, aber physikalisch ist das alles eine Soße

Anstatt dem Flugzeug kinetische Energie zu geben und es zu beschleunigen, geben sie erst einmal der Luft jede Menge kinetische Energie und wirbeln dabei verdammt viel Wind auf. Das wird besser, wenn sich das Flugzeug schneller durch die Luft bewegt – dann kommt man der Idealsituation etwas näher, in der sich das Flugzeug einfach nur von der Luft abstößt. Das gleiche Problem könnte man natürlich auch mit einer Seilwinde lösen, wie sie beim Start von Segelflugzeugen vom Boden verwendet wird. Oder ganz sportlich, mit einem Dampfkatapult wie auf einem Flugzeugträger.

Jedenfalls kommt der E-Fan zur Zeit auf eine Flugdauer von 40 Minuten, also ungefähr 3 mal so lang. Welch Zufall. Denn die verwendeten Lithium-Ionen-Akkus haben auch die dreifache Energiedichte.

Die Energiedichte des Treibstoffs spielt für Flugzeuge eine unglaublich wichtige Rolle. Um so mehr Energie im Treibstoff, um so besser ist die Reichweite. Die Verhältnisse sind dabei erstaunlich konstant. Im freien Flug verbraucht ein gut gebautes Flugzeug, egal wie groß, wenn es mit der optimalen Geschwindigkeit fliegt, immer das gleiche. Nämlich etwa 0,4kWh Energie, um eine Tonne Gewicht einen Kilometer weit zu befördern. Diese optimale Geschwindigkeit hängt im wesentlichen von der genauen Geometrie und dem Gewicht ab. Liegt aber bei Linienflugzeugen durchaus bei den über 800km/h, mit denen sie fliegen.

Wie man auf diese recht erstaunliche Erkenntnis kommt, kann man im entsprechenden Kapitel im technischen Anhang von “Without Hot Air” hier nachlesen. Das allerletzte Wort ist dort noch nicht gesprochen. Aber die aerodynamische Effizienz von Flugzeugen ist schon ziemlich gut und mehr als ein paar Prozent wird man dort nicht mehr heraus holen können.

Jedenfalls ist es eine hilfreiche Erkenntnis, denn damit können wir ausrechnen, wie weit ein Flugzeug fliegen kann. Batterien haben zur Zeit im allerbesten Fall eine Energiedichte von 250 kWh pro Tonne, aber nur, wenn man eine schnelles Absinken der Kapazität in Kauf nimmt. In der Formel E verwendet man 200kg schwere Batterien mit 28kWh Kapazität (also 140kWh pro Tonne) um die ganze Saison damit zu fahren.

Wenn ein Flugzeug zur Hälfte des Gewichts aus den derzeit besten Lithium-Ionen Akkus besteht, kann ein 1t schweres Flugzeug bestenfalls 125kWh Energie mitnehmen. Das entspräche einer Reichweite von etwa 300km und gilt auch für viel größere Flugzeuge. Wenn 2/3 des Gewichts aus Batterien bestehen, kommt man auch auf 400km. Aber irgendwo dort ist das Ende der Fahnenstange erreicht. Als Männerspielzeug ist es super. Für Kurzstreckenflüge eine denkbare Alternative. Aber über den Atlantik wird man mit Batterien nicht kommen.

Korrektur: Das stimmt so noch nicht ganz. Man kann versuchen die Gleitzahl des Flugzeugs noch etwas zu verbessern. Die Beträgt bei normalen Flugzeugen etwa 20, bei Segelflugzeugen erreicht man 30-60. Die Gleitzahl geht linear in die Formel ein, so dass man die Reichweite damit tatsächlich noch etwas verbessern kann.

Natürlich kann man versuchen bei der Reichweite etwas zu mogeln. Ein auf langsame Geschwindigkeit optimiertes Flugzeug kann mit Rückenwind viel weiter fliegen als ohne. Ein Motorsegler kann Thermik und Aufwinde ausnutzen und sich so bei passenden Verhältnissen über die Alpen quälen. Schön für die Schlagzeilen, wie es gestern der “e-Genius” machte. Aber schlecht für alle Gegenden und Tageszeiten ohne passende Auf- und Rückenwinde. (Und auch das waren nur 320km.)

Kommentare (9)

  1. #1 Luk
    9. Juli 2015

    E-Genius ist am selben Tag 365 km zurückgeflogen. Kann natürlich schon sein, dass man auch hier wieder von Aufwinden und Rückenwinden profitierte (wenn der Wind sich gedreht hat).

  2. #2 StillerMitleser
    9. Juli 2015

    …oder es wurde die Batterie ausgetauscht…

  3. #3 Tobalt
    9. Juli 2015

    Dass die Energiedichte von Akkus unterirdisch ist, ist ja kein Geheimnis.

    solche sachen wie das Airbus teil machen nur sinn, wenn man eine praktible erzeugung von elektrischer energie mit an board hat. Da chemische brennstoffe dafür sinnbefreit wären (die kann man besser direkt in arbeit verbrennen wie in düsentriebwerken), zielen solche sachen wohl entweder auf solar oder kernenergie ab.

    Solar könnte Sinn machen, wenn man sicher ist, dass der Flug nur über die Taghälfte führt. als zweite quelle könnte Airbus LENR sehen für dass sie patentierungsarbeiten begonnen haben.

  4. #4 Dieter
    Wendland
    9. Juli 2015

    Ich weiß nicht, wie groß der Effizienzsprung ist, aber Siemens hat vor ein paar Wochen einen Elektromotor für Flugzeuge vorgestellt, der einen besseren Wirkungsgrad haben soll. Vielleicht gibt es außer den Akkus doch noch weiteren Fortschritt. @dieterjosef

    • #5 wasgeht
      9. Juli 2015

      Elektromotoren haben Effizienzen um die 90-98%. Dort ist nicht mehr viel zu holen.

  5. #6 Matthias Urlichs
    9. Juli 2015

    Solar? Naja. Der E-Genius braucht wohl um die 40 kW.
    10 m² Tragfläche (Größenordnung) liefern mir max. 1 kW, d.h. ganze 2.5% Reichweitensteigerung, wenn man den ganzen Flieger damit pflastert, die Zellen nichts wiegen, und man nur mittags fliegt.
    Fazit: So wird das nix.

  6. #7 Wolfgang Stutz
    11. Juli 2015

    #3: Sie sind nicht auf dem Laufenden. Hochgeheime, ausführliche Vergleichsstudien auf Area 51 unter Leitung des berühmten Wissenschaftlers Dr. Axel Stoll haben ergeben, daß der Naquadah-Generator dem LENR in jeder Hinsicht überlegen ist. Vor allem aber die (bekanntlich nicht abschirmbaren) Chronotonen- Emissionen mit unkalkulierbaren Folgen für den Zeitfluß sind alarmierend. Herumpfuschen an der temporalen Integrität geht gar nicht, das ist weltweiter Konsens bei den nationalen wie internationalen Umweltbehörden.
    Und sobald wir die Luzianer-Allianz von P3X-224 (oder war es 223?) vertrieben haben, steht uns das Naquada in praktisch unbegrenzten Mengen zur Verfügung…

  7. #8 semikolonne
    16. Juli 2015

    @#5 wasgeht – bei der besonderen Efizienz des Flugzeug-Elektromotors von Siemens, geht es weniger um das Verhältnis Eingangs-/Ausgangsleistung, sondern um Leistung pro Gewicht.

  8. #9 Dieter W.
    30. Juli 2015

    Ich habe das nnoch icht durchgelesen, aber die NASA interessiert sich jetzt auch für elektrisches Fliegen.

    http://www.nasa.gov/langley/electric-propulsion-paired-with-digital-control-may-usher-in-a-new-era-of-flight