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Design and route optimisation for an airship with onboard solar energy harvesting

Christoph Pflaum, Tim Riffelmacher & Agnes Jocher (2023)

Based on commercial passenger-carrying airships like LZ129 or R100, a hypothetical electric rigid framed airship including a solar cell covered surface and a lithium-ion battery is designed. The size of the battery and the coverage with solar cells are selected such that long-haul flights are possible. To simulate flight times, weather data from 2019 and time-dependent solar irradiation are used. Travel route and battery use are optimised in order to reduce flight times. For a mid-range and long-haul use case for passenger or freight transport, travel times have been calculated. Building on these results, analysis of CO₂ emissions, land-use, and operating costs are carried out to reveal that depending on the use case, CO₂ emissions of solar-powered airships could be as low as 1% to 5% of the emissions of a conventional aircraft at an estimated energy consumption in USD per km of 0.5% to 2.5%.

Christoph Pflaum, Tim Riffelmacher & Agnes Jocher (2023) Design and route optimisation for an airship with onboard solar energy harvesting, International Journal of Sustainable Energy, 42:1, 289-303, DOI: 10.1080/14786451.2023.2189488

Open Access: https://www.tandfonline.com/doi/full/10.1080/14786451.2023.2189488

Luftschiffe: Das Comeback der leisen Riesen

Bericht von der Internationalen Conference on Electric Aisrhips

Christoph Pflaum. Dezember 2023

Sonnenenergie, Herausgeber: Deutsche Gesellschaft für Sonnenenergie e.V.,

Band 4, (2023) ISSN-Nr.: 0172-3278

Elektrische und Solar-betriebene Luftschiffe für einen klimafreundlichen Luftverkehr

Prof. Dr. Christoph Pflaum, 15.5.2023

Zwei Drittel des klimaschädlichen Einflusses des Luftverkehrs hängt nicht mit CO₂-Emissionen zusammen, sondern mit dem Ausstoß verschiedener anderer Schadstoffe und dem Entstehen von speziellen Kondensstreifen. Eine klimafreundliche Luftfahrt sollte demzufolge während des Fluges auf jegliche Art von Emissionen verzichten. Technisch ist dies jedoch mit herkömmlichen Flugzeugen auch unter Verwendung von Wasserstoff und Brennstoffzellen schwer zu erreichen. Bei Langstreckenflüge ist nach aktuellem Stand der Forschung keine Lösung vorhanden.

Aus diesem Grund hat die Arbeitsgruppe von Prof. Pflaum an der FAU zusammen mit Prof. Jocher an der TUM untersucht wie eine nachhaltige Luftfahrt mit Luftschiffen und Solarzellen realisiert werden könnte.  Ausgegangen wurde dabei von einem vollstarren Luftschiff in der Größe der LZ129, R101 oder der USS Akron. Diese wurden vor etwa 90 Jahren in Deutschland, England und den USA gebaut.

Die USS Akron wurde dabei mit nicht brennbarem Helium betrieben und transportierte auf einer Fahrt sogar mehr als 200 Personen. Um eine klimaschonende Luftfahrt zu erreichen ist die Arbeitsgruppe in den Untersuchungen von einem elektrischen Luftschiff ausgegangen. Der notwendige Strom soll dabei ausschließlich durch ultraleichte und flexible Solarzellen, platziert auf der Hülle des Luftschiffes, und durch eine mitgeführte Lithium-Ionen-Batterie geliefert werden. CO₂-Emissionen entstehen dann nur durch das Aufladen der Batterien vor dem Start. Beim aktuellen Strommix wären die CO₂-Emissionen nur 1%-5% von denen eines herkömmlichen Flugzeuges.

Vermutlich sind auch die Transportkosten mit einem Luftschiff niedriger, da schon die Treibstoffkosten auf 0.25%-2.5% von denen eines Strahlflugzeuges gesenkt werden können.

Aus Sicht der Nachhaltigkeit sind Luftschiffe ein interessanter Lösungsansatz, da ein Flug mit einem innovativen Luftschiff mit Solarzellen während des Fluges völlig emissionsfrei wäre. Um die Anwendungsmöglichkeiten von solchen innovativen Luftschiffen zu untersuchen ist eine Abschätzung der Reisezeit notwendig. Als Referenz diente in der Veröffentlichung [1] zum einen der Langstreckenflug London – New York. Es konnte gezeigt werden, dass bei einer optimalen Ausnutzung des Windes ein Flug von New York nach London im Wesentlichen 2 Tage und 2 Nächte und von London nach New York im Wesentlichen 3 Tage und 2 Nächte dauert. Für einen Mittelstreckenflug von Gran Canaria nach Madrid reicht ein Tagesflug von etwa 11 Stunden. Für den Transport der meisten Güter wären dies völlig ausreichende Flugzeiten. Auch für den Personentransport könnte ein Flug mit einem Luftschiff durchaus wettbewerbsfähig mit dem eines klassischen Flugzeuges sein.  Denn elektrische Luftschiffe sind extrem leise und bieten den Passagieren mehr Freiraum als ein Flugzeug oder ein Zug geben kann.  Des Weiteren gibt es eine steigende Anzahl von Personen, die aufgrund der fortschreitenden Klimaschädigung auf jegliches Fliegen mit klassischen Flugzeugen verzichten. Daher ist nicht nur das Marktpotenzial eines klimafreundlichen Gütertransportes mit Luftschiffen, sondern auch der eines Personentransport als groß anzusehen.

Die Notwendigkeit für den Bau von vollstarren Luftschiffen wurde von verschiedenen Firmen weltweit erkannt. Zu nennen ist hier insbesondere die Firma LTA Research in den USA, welche vom Google-Mitgründer Sergey Brin finanziert wird. Diese Firma baut eine Serie von vollstarren Luftschiffen von 80m bis 180m Länge (Pathfinder 1 bis Pathfinder 3). Während die Flugeigenschaften von Pathfinder 2 in Kalifornien gerade getestet werden, wird schon das längste dieser drei Luftschiffe in Ohio gebaut. Die ersten Versionen dieser Luftschiffe verwenden einen elektrischen Antrieb basierend auf Wasserstoff und Brennstoffzellen. Zukünftig ist eine zusätzliche Integration von Dünnschichtsolarzellen geplant.

Die aktuellen Entwicklungen zeigen, dass Luftschiffe mit Solarzellen eine „Emerging Technology“ sind, die eine preiswerte nachhaltige Luftfahrt ermöglichen.

Um diese Technologie in Deutschland zu fördern, sollten auf politischer Ebene geeignete Maßnahmen getroffen werden.  Und zwar bezüglich personeller als auch finanzieller Faktoren. Hierzu gehören zum Beispiel Förderprogramme zum Thema „Leichter als Luft“-Technologien. Gegenstand der Förderung sollten Höhenluftschiffe, Drohnen und Luftschiffe zum Personen- und Gütertransport sein. Des Weiteren ist es nötig Planstellen für Professuren und Ingenieure in diesem Bereich auszuschreiben.  Ein Team mit geeigneten Fachleuten aus Wissenschaft und Industrie würde es ermöglichen mit dem notwendigen und technisch – differenzierten Know-How den Bau von Luftschiffen mit Solarzellen in die Tat umzusetzen und dabei die verschiedenen Bereiche der Luftfahrt zu berücksichtigen.  Zum Beispiel muss die Bodenabfertigung bei Luftschiffen völlig anders durchgeführt werden als bei schweren Flugzeugen. Genau genommen ist auch die Integration von Solarzellen auf der Oberfläche eines vollstarren Luftschiffes technisches Neuland.

Erwähnt werden sollte an dieser Stelle, dass auch die klassische Luftfahrt von schweren Flugzeugen große finanzielle Investitionen benötigt hat um diese letztendlich sicher und effizient durchführen zu können. Eine fairer Wettbewerb zwischen „Schwerer als Luft“-Technologien und „Leichter als Luft“-Technologien ist daher nur möglich, wenn zumindest ähnliche hohe staatliche Förderungen vorhanden sind. Es ist davon auszugehen, dass solche Investitionen sich rentieren, denn innovative Luftschiffe mit Solarzellen sind eine auf jeden Fall machbare Technologie, die äußerst klimafreundlich und wenig energieintensiv ist.

[1] Christoph Pflaum, Tim Riffelmacher & Agnes Jocher (2023). Design and route optimisation for an airship with onboard solar energy harvesting, International Journal of Sustainable Energy, 42:1, 289-303, DOI: 10.1080/14786451.2023.2189488

Erschienen in:

forum Nachhaltig Wirtschaften 02/2023 mit dem Schwerpunkt: Transport & Logistik, S. 50 ff.

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