Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR)
Inbetriebnahme der Testumgebung Balis
Das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) hat am 28. Oktober 2024 das Testfeld Balis in Betrieb genommen. Mit dieser Testinfrastruktur entwickelt und erprobt das DLR neuartige Antriebssysteme auf Basis von Wasserstoff-Brennstoffzellen mit einer Leistung im Megawatt-Bereich.
Im Projekt Balis baut das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) in Empfingen ein einzigartiges wissenschaftliches Testfeld auf. Das DLR entwickelt und erprobt mit ihm Brennstoffzellen-Antriebe für unterschiedliche Verkehrsträger. Im Fokus des Balis-Projekts stehen Brennstoffzellen-Systeme mit einer Leistung von rund 1,5 Megawatt, die zukünftig zum Beispiel Schiffe antreiben und perspektivisch in der Luftfahrt eingesetzt werden können. Aktuell sind solche Systeme noch nicht auf dem Markt erhältlich. Kommt in Brennstoffzellen Wasserstoff aus erneuerbaren Quellen – sogenannter grüner Wasserstoff – zum Einsatz, ermöglichen sie CO2-freie und damit klima- und umweltverträgliche Mobilität. Die Anlage befindet sich auf dem Innovationscampus des E2U Empfinger Entwicklungszentrum für Umwelttechnologie. Das Bundesministerium für Digitales und Verkehr fördert das Testfeld Balis mit 26 Mio. Euro.
Das komplexe und modular aufgebaute Testfeld ermöglicht es, einzelne Komponenten und auch ganze Antriebsstränge umfassend zu untersuchen: Dazu gehören das Brennstoffzellen-System selbst, Elektromotoren, Tankinfrastruktur sowie Steuerungs- und Regelungstechnik. Aufgrund des flexiblen Aufbaus und der damit verknüpften Forschungsmethodik ist die Anlage damit weltweit einmalig. Alle Teile der Anlage sind in Containern untergebracht. Verantwortet wird das Projekt vom DLR-Institut für Technische Thermodynamik.
Neue Generation von Brennstoffzellen-Systemen für klimaverträgliche Mobilität
Zusätzlich zum Aufbau und Betrieb des Testfelds baut das DLR auch ein eigenes elektrisches Antriebssystem der Megawatt-Leistungsklasse auf. Es besteht aus Brennstoffzellen-System, Wasserstofftank, Elektromotor sowie Steuerungskomponenten und Leistungselektronik. Damit gehört das DLR zu den ersten Einrichtungen, die über ein solches System verfügt. Mit ihm lassen sich alle Prozessschritte eines Brennstoffzellen-Antriebssystems grundlegend erfassen, verstehen und qualifizieren. Die größten kommerziell erhältlichen Brennstoffzellen für mobile Anwendungen haben eine Leistung von bis zu mehreren hundert Kilowatt. Um den Megawatt-Bereich zu erreichen, müssen die Brennstoffzellen-Systeme aus mehreren verschalteten Brennstoffzellen-Modulen aufgebaut werden. Daraus ergeben sich hohe Betriebsspannungen und -ströme. Diese müssen für einen stabilen und effizienten Betrieb optimal gesteuert werden. Gleichzeitig sind ein geringes Gewicht und eine hohe Effizienz des Antriebssystems entscheidend für die kommerzielle Anwendung im Schwerlastbereich. Im Fokus der Arbeiten steht deshalb zunächst das Verhalten und die Optimierung dieses Megawatt-Antriebssystems für einen stabilen Betrieb bei unterschiedlichen Lastszenarien.
Umgang und Einsatz von flüssigem Wasserstoff
Ein weiterer Forschungsschwerpunkt der Balis-Testinfrastruktur ist die Handhabung von flüssigem Wasserstoff in großen Mengen für den Betrieb des gesamten Antriebssystems. Dazu baut das DLR aktuell mit zusätzlichen Mitteln von rund 3 Mio. Euro einen Versuchstank und die notwendige Betankungsinfrastruktur auf. Bezogen auf das Speichervolumen hat flüssiger Wasserstoff eine höhere Speicherdichte als gasförmiger Wasserstoff. Flüssig wird Wasserstoff erst bei sehr tiefen Temperaturen ab -253 °C. Deshalb wird flüssiger Wasserstoff auch als kryogener Wasserstoff bezeichnet. Das Verflüssigen, Speichern und Weiterleiten des Wasserstoffs stellen aus diesem Grund spezielle Bedingungen an die Infrastruktur, um Druck und Temperatur konstant zu halten.
Enge Verzahnung mit der Industrie
Für die nächsten drei Jahre ist die Testumgebung Balis schon ausgelastet mit Forschungsvorhaben und Kooperationsprojekten mit Industriepartnern. Zu den Unternehmen, mit denen das DLR dafür zusammenarbeitet, gehören innovative Start-ups, etablierte Mittelständler und Global Player aus dem Energie- und Luftfahrtsektor. Dazu zählen unter anderem die DLR-Ausgründung H2FLY sowie der Brennstoffzellenhersteller PowerCell, der Spezialist für elektrische Antriebe Compact Dynamics sowie der Hersteller und Lieferant von technischen Gasen Air Liquide. Aus dem Luftfahrtsektor arbeitet das DLR unter anderem mit den Firmen Diehl Aerospace, GE Aerospace und Deutsche Aircraft zusammen. Systempartner, mit dem die Anlage ausgelegt und realisiert wurde, ist das Unternehmen AVL.
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