Herausforderungen für die Luftfahrtindustrie
Die heutigen Industrien sehen sich einem beispiellosen Druck ausgesetzt, ihre Umweltauswirkungen durch Regierungen, Kunden und andere Interessengruppen zu reduzieren, wobei die Luftfahrtindustrie mit einigen der komplexesten Nachhaltigkeitsherausforderungen aller Sektoren konfrontiert ist. Während das globale Bewusstsein für den Klimawandel zunimmt, müssen Fluggesellschaften und Luftfahrtunternehmen zunehmende regulatorische Anforderungen, sich entwickelnde Kundenerwartungen und eine zunehmende Investorenprüfung hinsichtlich ihrer Umweltleistung bewältigen. Dieser Druck erstreckt sich über die gesamte Wertschöpfungskette der Luftfahrt, von Flugzeugherstellern bis hin zu Flughafenbetreibern, wodurch ein dringendes Gebot für umfassende Dekarbonisierungsstrategien entsteht, die sowohl unmittelbare betriebliche Verbesserungen als auch langfristige technologische Transformationen berücksichtigen.
Die Luftfahrt ist für etwa 2,8 % der globalen Kohlenstoffemissionen verantwortlich, stellt jedoch aufgrund ihrer besonderen betrieblichen Anforderungen und technologischen Beschränkungen einen der schwierigsten Sektoren für die Dekarbonisierung dar.
Die Nachhaltigkeitsherausforderungen der Branche sind vielfältig und miteinander verbunden. Die Luftverschmutzung durch Flugzeuge bleibt ein Hauptanliegen, wobei die Emissionen der Luftfahrt nicht nur zu CO2 beitragen, sondern auch zu Nicht-CO2-Effekten wie Stickoxiden, Wasserdampf und Feinstaub, die den Klimawandel beeinflussen. Die Europäische Kommission schätzt, dass die Luftfahrt 13,9 % der Verkehrsemissionen verursacht und damit nach dem Straßenverkehr die zweitgrößte Quelle für Treibhausgasemissionen im Verkehrssektor darstellt.
Warum ist die Dekarbonisierung der Luftfahrt so schwierig?
Nachhaltiger Flugkraftstoff stellt sowohl in Bezug auf die Zugänglichkeit als auch auf die Preisgestaltung erhebliche Hindernisse dar, da die derzeitigen Produktionskapazitäten voraussichtlich nur einen minimalen Teil des Branchenbedarfs bis 2030 decken werden.
Technische Hürden behindern zusätzlich die Dekarbonisierungsbemühungen der Luftfahrt. Während neue Flugzeugtechnologien wie der Elektro- und Wasserstoffantrieb potenzielle Lösungen für regionale Strecken bieten, stoßen sie aufgrund von Einschränkungen der Energiespeicherdichte und des Leistungsgewichts auf erhebliche Einschränkungen für Langstreckenflüge.
Neue Flugzeugtechnologien, einschließlich elektrischer und Wasserstoffantriebssysteme, sind vielversprechend für Kurzstreckenflüge, stehen jedoch aufgrund der Anforderungen an die Energiedichte vor erheblichen Herausforderungen für längere Anwendungen.
Weitere Faktoren, die die Dekarbonisierung der Luftfahrt besonders erschweren, sind:
- Infrastrukturelle Einschränkungen und Kapitalintensität: Der Luftfahrtsektor arbeitet mit einem erheblichen Kapitalbestand an langlebigen Geräten und Infrastrukturen, die speziell für konventionellen Flugkraftstoff optimiert wurden. Fluggesellschaften sehen sich enormen Kosten bei der Nachrüstung bestehender Flotten gegenüber, während Flughäfen erhebliche Infrastrukturinvestitionen benötigen, um alternative Kraftstofflager-, -verteilungs- und -handhabungssysteme zu unterstützen.
- Gewichts- und Energiedichteanforderungen: Das Flugzeugdesign ist grundsätzlich durch Gewichtsbeschränkungen und den Bedarf an energiedichten Kraftstoffen eingeschränkt.
- Vielfältige Klimaauswirkungen: Über Kohlenstoffemissionen hinaus verursacht die Luftfahrt komplexe Nicht-CO2-Effekte, einschließlich Kondensstreifen, Stickoxide und Wasserdampf, die zur Klimaerwärmung beitragen.
- Lange Entwicklungs- und Zertifizierungszeiten: Neue Flugzeuge und Antriebstechnologien erfordern umfangreiche Tests, Zertifizierungen und behördliche Genehmigungsverfahren, die Jahrzehnte dauern können.
- Wirtschaftliche und Kostenbarrieren: Der Übergang zu nachhaltigen Technologien ist mit erheblichen Vorabinvestitionen und Kostenbarrieren verbunden, die viele Unternehmen im Luftfahrtsektor nur schwer finanzieren können, insbesondere wenn nachhaltige Alternativen wie SAF deutlich teurer sind als herkömmlicher Flugkraftstoff.
Bei all diesen neuen Wegen wird die Fähigkeit, elektrische Leistungsarchitekturen unter realistischen Betriebsbedingungen zu entwerfen, zu validieren und zu entrisiken, zu einem zentralen Enabler der Dekarbonisierung der Luftfahrt.
Wie trägt die Prüfung von Leistungselektronik zur Bewältigung dieser Herausforderungen bei?
Die Prüfung von Leistungselektronik umfasst die umfassende Bewertung von elektrischen Komponenten und Systemen unter simulierten realen Bedingungen.
Diese Prüfung umfasst verschiedene Methoden, einschließlich Hardware-in-the-Loop (HIL)- und Power Hardware-in-the-Loop (PHIL)-Tests, die es Ingenieuren ermöglichen, elektrische Antriebssysteme zu validieren, Stromnetze zu optimieren und Sicherheitsprotokolle zu verbessern, bevor sie tatsächlich im Flugbetrieb eingesetzt werden.
Der Testprozess befasst sich mit kritischen Aspekten wie elektromagnetischer Verträglichkeit (EMV), Stromqualität, Wärmemanagement und Betriebssicherheit unter extremen Umgebungsbedingungen, einschließlich Höhenunterschieden, Temperaturschwankungen, Vibrationen und Feuchtigkeitsänderungen, denen Flugzeuge während des Flugbetriebs ausgesetzt sind.
Wichtige Beispiele für die Prüfung von Leistungselektronik in der Luftfahrt sind:
- Erweiterte Prüfung von Energiespeichern: Umfassende Bewertung von Energiespeichersystemen für Elektroflugzeuge, einschließlich Lebenszyklustests, Leistungsvalidierung unter verschiedenen Lastbedingungen und Sicherheitsbewertungen, um eine zuverlässige Stromversorgung während des gesamten Flugbetriebs zu gewährleisten
- Prüfung von Elektromotorantrieben und Antriebssystemen:Validierung von elektrischen Antriebskomponenten durch HIL-Tests, um optimale Leistung, Effizienz und Integration mit Flugzeugstromverteilungssystemen sicherzustellen
- Prüfung von Stromverteilungseinheiten (PDU):Bewertung von Stromrichtern, Wechselrichtern und Verteilungssystemen, die den elektrischen Stromfluss im gesamten Flugzeug steuern und eine stabile und zuverlässige Stromversorgung aller elektronischen Systeme gewährleisten
- Umgebungsbelastungstests: Bewertung von Leistungselektronik unter extremen Bedingungen, einschließlich Temperaturwechseltests, Vibrationstests und Feuchtigkeitseinwirkung, um reale Flugumgebungen zu simulieren und die Zuverlässigkeit der Komponenten sicherzustellen
Die Prüfung von Leistungselektronik spielt daher eine entscheidende Rolle bei der Dekarbonisierung der Luftfahrt, indem sie die Zuverlässigkeit, Sicherheit und Leistung elektrischer Systeme gewährleistet, die nachhaltigere Flugzeugtechnologien ermöglichen. Da die Luftfahrtindustrie auf elektrische und hybride Antriebssysteme umstellt, wird die strenge Prüfung von Leistungselektronikkomponenten unerlässlich, um diese innovativen Lösungen zu validieren.
Wir stellen vor: PLUTON von Spherea
Die PLUTON®-Serie ist das Ergebnis von mehr als 5 Jahren Forschung und Entwicklung und ist heute die wertvollste regenerative AC- und DC-Stromquelle auf dem Markt. Die PLUTON®-Serie ist ein konfigurierbares 4-Quadranten-Netzteil und ein Stromsystememulator, der mit oder ohne eingebettete Echtzeitmodelle in verschiedenen Steuerungsfunktionen arbeitet:
- Leistungsverstärker, spannungs- oder stromgesteuert
- Eingebaute Emulatoren für Batterien, Brennstoffzellen und E-Motoren
- Regenerative Stromquelle/Last mit Hochgeschwindigkeits-Fernsteuerungsfunktion
Die PLUTON®-Serie integriert innovative mehrstufige Hochfrequenz-Schalttechnologie und ist speziell für die Echtzeit-Emulation von Stromsystemen konzipiert. Sein fortschrittliches Steuerungssystem ermöglicht die Ausführung kundenspezifischer Modelle mit geringer Latenz. PLUTON®-Lösungen lassen sich nahtlos in Simulatoren von Drittanbietern integrieren und als Leistungsverstärker in Power Hardware-in-the-Loop (PHIL)-Anwendungen fungieren. Es ist auf Vielseitigkeit ausgelegt und arbeitet sowohl im AC- als auch im DC-Modus.
Wie PLUTON die Dekarbonisierung der Luftfahrt beschleunigt
Die fortschrittlichen Leistungselektronik-Testfunktionen von PLUTON gehen die kritischen Herausforderungen direkt an, vor denen die Luftfahrtindustrie bei ihrem Übergang zu nachhaltigen Technologien steht. Da Fluggesellschaften und Unternehmen im gesamten Luftfahrtsektor daran arbeiten, die von der Europäischen Kommission und internationalen Rahmenwerken wie CORSIA festgelegten strengen Ziele zur Reduzierung der Kohlenstoffemissionen zu erreichen, bietet PLUTON die wesentliche Testinfrastruktur, die zur Validierung und Optimierung von Stromversorgungssystemen der nächsten Generation in der Luftfahrt erforderlich ist.
Validierung des elektrischen Flugzeugantriebssystems
Die 4-Quadranten-Stromversorgungs- und Emulationsfunktionen von PLUTON ermöglichen umfassende Tests von elektrischen Flugzeugantriebssystemen, die für die Dekarbonisierung der Luftfahrtaktivitäten von grundlegender Bedeutung sind. Die Fähigkeit des Systems, Batterien, Brennstoffzellen und Elektromotoren zu emulieren, ermöglicht es Ingenieuren,:
- Die Leistung des Motorantriebs validieren unter realistischen Flugbedingungen, um eine genaue Leistungsumwandlung und -steuerung in allen Phasen des Flugbetriebs sicherzustellen
- Stromverteilungsnetze testen für Elektro- und Hybridflugzeuge, um die Energieeffizienz zu optimieren und das Gesamtgewicht des Systems zu reduzieren
- Regenerative Systeme simulieren, die während der Sink- und Landephasen des Flugzeugs Energie zurückgewinnen können, wodurch die Gesamtenergieeffizienz um bis zu 15 % verbessert wird
Erweiterte Prüfung von Energiespeichern
Da die Luftfahrtindustrie neue Flugzeuge mit elektrischem und hybridelektrischem Antrieb entwickelt, werden Energiespeichersysteme – einschließlich Batterien und wasserstoffbasierter Lösungen – zu kritischen Komponenten. Die regenerativen Testfunktionen von PLUTON bieten:
- Umfassende Validierung von Energiespeichersystemen unter extremen Luftfahrtbedingungen, einschließlich schneller Höhenänderungen, Temperaturschwankungen, transienten Lasten und Hochleistungsbetriebszyklen
- Lebenszyklustests, die Alterungs- und Abbaumechanismen beschleunigen, um die Systemleistung über 10–20 Jahre Flugzeugbetriebsdauer über verschiedene Speichertechnologien hinweg vorherzusagen
- Sicherheitsbewertungsprotokolle, die die Einhaltung strenger Luftfahrtsicherheitsstandards gewährleisten und gleichzeitig eine hohe Energiedichte, eine effiziente Energieumwandlung und eine robuste Systemintegration unterstützen
Unterstützung der Entwicklung von Flugzeugen der nächsten Generation
Die Power Hardware-in-the-Loop (PHIL)-Funktionen von PLUTON ermöglichen es Unternehmen, die neue Flugzeugtechnologien entwickeln,:
- Entwicklungszeiten verkürzen durch Echtzeitsimulation und -prüfung von Stromversorgungssystemen vor physischen Prototypen
- Leistungselektronik optimieren für Wasserstoffbrennstoffzellensysteme, die die Entwicklung von emissionsfreien Flugzeugen für regionale Strecken unterstützen
- Elektromagnetische Verträglichkeit validieren (EMV) für komplexe elektrische Systeme, um die Einhaltung der Luftfahrtsicherheitsbestimmungen sicherzustellen.
Unterstützung der Entwicklung von Flugzeugen der nächsten Generation
Die Power Hardware-in-the-Loop (PHIL)-Funktionen von PLUTON ermöglichen es Unternehmen, die neue Flugzeugtechnologien entwickeln,:
- Entwicklungszeiten verkürzen durch Echtzeitsimulation und -prüfung von Stromversorgungssystemen vor physischen Prototypen
- Leistungselektronik optimieren für Wasserstoffbrennstoffzellensysteme, die die Entwicklung von emissionsfreien Flugzeugen für regionale Strecken unterstützen
- Elektromagnetische Verträglichkeit validieren (EMV) für komplexe elektrische Systeme, um die Einhaltung der Luftfahrtsicherheitsbestimmungen sicherzustellen.
Reale Auswirkungen auf die Dekarbonisierungsziele der Luftfahrt
Die Testfunktionen von PLUTON tragen direkt zu den ehrgeizigen Dekarbonisierungszielen des Luftfahrtsektors bei, indem sie eine schnellere Entwicklung und Bereitstellung nachhaltiger Technologien ermöglichen.
Die Fähigkeit des Systems, Tests zu Betriebsmaßnahmen durchzuführen, stellt sicher, dass neue elektrische Antriebssysteme nicht nur die Umweltziele erfüllen, sondern auch die Sicherheits-, Zuverlässigkeits- und Leistungsstandards einhalten, die die Luftfahrtindustrie fordert. Dieser umfassende Testansatz stellt einen entscheidenden ersten Schritt bei der Validierung der Technologien dar, die erforderlich sind, um bis 2050 Netto-Null-Emissionen in der Luftfahrt zu erreichen.
Durch die fortschrittlichen Testfunktionen von PLUTON unterstützt Spherea die Wertschöpfungskette der Luftfahrt direkt bei der Überwindung der technischen und Kostenbarrieren, die die Dekarbonisierungsbemühungen der Luftfahrt in der Vergangenheit verlangsamt haben, und macht nachhaltige Luftfahrttechnologien für Fluggesellschaften und Flugzeughersteller weltweit zugänglicher und wirtschaftlicher.