Die Zukunft der nachhaltigen Luftfahrt liegt in unseren Händen, mit neuen Technologien, die umsetzbare Wege zur Senkung der Treibhausgasemissionen für Flugreisen bieten. Fortschritte bei der Elektrifizierung und Betankung sind ein spannender Aspekt, aber die Forschung am National Renewable Energy Laboratory (NREL) geht über die Stromerzeugung hinaus und verfolgt einen ganzheitlichen Ansatz zur Optimierung der Energienutzung während des gesamten Systemdesigns.
Flugzeuge sind stark auf fortschrittliche Leistungselektronik angewiesen, um die richtige Menge und Art der Leistung zwischen Systemkomponenten wie Batterien, Wechselrichtern, Wandlern, Ladegeräten und elektrischen Maschinen zu verteilen. NRELs fortschrittliche Leistungselektronik und elektrische Maschinen Forschung unterstützt die Entwicklung innovativer leichter und hocheffizienter Elektromotoren, Antriebssysteme und Wärmemanagement. Industriepartnerschaften, einschließlich einer laufenden Zusammenarbeit mit General Electric, helfen Flugzeugtriebwerksherstellern bereits, ihre Ziele zu erreichen.
„Die NREL-Forschung zielt darauf ab, die Kosten zu senken, den Fußabdruck der Komponenten zu reduzieren und die Fahrzeugleistung, Zuverlässigkeit und Effizienz zu verbessern“, sagte NREL Senior Researcher Sreekant Narumanchi. „Diese Komponentendesigns können in verschiedene Anwendungen integriert werden – von der kommerziellen Luftfahrt bis hin zu kleineren Start- und Landefahrzeugen. Darüber hinaus können unsere Ergebnisse dazu beitragen, Flugzeuge der nächsten Generation zu optimieren, einschließlich solcher, die mit Strom, Wasserstoff oder alternativen Kraftstoffen betrieben werden.“
Der NREL-Forscher Joshua Major betreibt die Accelerated Drive Cycle Platform mit einem einachsigen elektrodynamischen Shaker und einer Umweltkammer im AGREE-Stil, die zur Durchführung von Zuverlässigkeitstests an Systemkomponenten verwendet wird. Foto von Dennis Schroeder, NREL
Innovation hebt ab mit Branchenkooperationen
Als Teil dieses Fokus auf nachhaltige Luftfahrt unterstützt NREL derzeit zwei Projekte im Rahmen des Programms ARPA-E Aviation-class Synergistically Cooled Electric-motors with integrated Drivers (ASCEND) des Energieministeriums (DOE) zur Entwicklung hocheffizienter elektrischer Antriebsstränge, Motoren Antriebe, Wechselrichtermodule und Thermomanagementsysteme für eine nachhaltige Luftfahrt.
Das erste Projekt, das vom General Electric Global Research Center geleitet wird, wird einen vollintegrierten vollelektrischen 2-MW-Flugzeugantriebsstrang entwerfen und einen 350-kW-Prototyp im Labormaßstab demonstrieren, um kohlenstofffreie Schmalrumpf-Verkehrsflugzeuge mit allem zu ermöglichen -elektrischer Antrieb. Das zweite Projekt, das von der Marquette University geleitet wird, konzentriert sich ebenfalls auf den Bau von Motoren mit hoher Leistungsdichte und Leistungselektronik für die Luftfahrt.
„ARPA-E hat sich in vielen Bereichen als Pionier erwiesen, und das ASCEND-Programm ist ein gutes Beispiel“, sagte Narumanchi. „Dies ist eines der ersten DOE-finanzierten Programme im Zusammenhang mit elektrifizierten Komponenten im Zusammenhang mit der Luftfahrt. Wir freuen uns auf die Zusammenarbeit mit vielen hochkarätigen Kollegen aus Industrie und Wissenschaft.“
Beide Projekte untersuchen einen einzigartigen Ansatz zur Entwicklung von Elektromotoren und integrierten Elektroantriebssystemen für Hybrid-Elektroflugzeuge, indem Gewicht und Volumen des Systems reduziert werden, um eine größere Reichweite und Effizienz zu unterstützen – und das alles ohne Einbußen bei der Sicherheit und Zuverlässigkeit des Flugzeugs. Die Unterstützung von NREL für diese Projekte umfasst die Modellierung des Wärmemanagements, die Analyse und Charakterisierung der fortschrittlichen Kühlkonzepte und Wechselrichterkomponenten sowie thermomechanische und Zuverlässigkeitsdesigns und technoökonomische Analysen für verschiedene Leistungselektronik-, Elektromotor- und integrierte elektrische Antriebskomponenten.
Einzigartige Systemspezifikationen für himmelgebundene Fahrzeuge
Wie bei allen Systemen ist ein Flugzeug mehr als die Summe seiner Teile, und die NREL-Forscher sind bestrebt, die systemweite Integration neben Innovationen bei einzelnen Komponenten zu optimieren. Obwohl diese Systeme viele Ähnlichkeiten mit den Antriebssträngen von Straßenfahrzeugen aufweisen, stellen Flugzeugkonstruktionen andere Herausforderungen dar.
„Das Gewicht ist bei diesen Designs entscheidend“, sagte Narumanchi. „Wir streben nach höchstmöglicher Funktionalität bei möglichst geringem Gewicht. Infolgedessen evaluiert unser Team neue Materialien, wie z. B. leichte Wärmetauscher, überkritisches Kohlendioxid-Kühlmittel und möglicherweise andere.“
Darüber hinaus müssen Komponenten, die in Flugzeugen verwendet werden, eine außergewöhnliche Zuverlässigkeit aufweisen, um die beträchtliche Flugzeit zu erfüllen, die von der kommerziellen Luftfahrt erwartet wird. NREL-Forscher führen umfangreiche Zuverlässigkeitsmodellierungen durch, um sicherzustellen, dass neue Subkomponenten-Designs dieser Herausforderung gerecht werden. Darüber hinaus stellen Bewertungen auf Systemebene sicher, dass das integrierte elektrische Antriebssystem – einschließlich des Elektromotors, der Leistungselektronik und des Wärmemanagementsystems – die sensiblen und anspruchsvollen Standards der Luftfahrtindustrie erfüllt.
Die Luftfahrt gehört zu den Transportsektoren, die am schwierigsten zu dekarbonisieren sind, aber NREL ist dieser Aufgabe gewachsen. Mit umfangreichen Experimentier-, Hardware-, Modellierungs- und Analysefähigkeiten sind Forscher gut gerüstet, um Herausforderungen zu meistern, die in der Luftfahrt bestehen.
Erfahren Sie mehr über die Querschnittsfunktion von NREL nachhaltige Luftfahrt und Transport und Mobilität Forschung.
Von Rebecca Martineau
Artikel mit freundlicher Genehmigung des US Department of Energy (DOE) Nationales Labor für erneuerbare Energien (NREL).
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