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Folie 1 München 2. Juli 2019 Robert Doering M.Sc., Anton Offner B.Sc. Entwicklung von lokalen elektrischen Energiesystemen für Verkehrsflugzeuge MATLAB EXPO 2019

MATLAB EXPO 2019 Entwicklung von lokalen elektrischen ......Entwicklung von lokalen elektrischen Energiesystemen für Verkehrsflugzeuge Motivation Optimierung des elektrischen Systems

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Folie 1München 2. Juli 2019

Robert Doering M.Sc., Anton Offner B.Sc.

Entwicklung von lokalen elektrischen Energiesystemen für Verkehrsflugzeuge

MATLAB EXPO 2019

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Folie 2

Robert Doering M.Sc., Anton Offner B.Sc., MATLAB EXPO München, 2. Juli 2019

Entwicklung von lokalen elektrischen Energiesystemen für Verkehrsflugzeuge

Flugzeugentwurf

▪ Familienkonzepte (z.B. A320-Familie)

▪ Maximalfall innerhalb einer Familie ist dimensionierend

Motivation

Quelle: http://jetway.aero/a320-family/

→Nicht-optimaler Entwurf

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Folie 3

Robert Doering M.Sc., Anton Offner B.Sc., MATLAB EXPO München, 2. Juli 2019

Entwicklung von lokalen elektrischen Energiesystemen für Verkehrsflugzeuge

Flugzeugentwurf

▪ Familienkonzepte (z.B. A320-Familie)

▪ Maximalfall innerhalb einer Familie ist dimensionierend

Elektrisches System

▪ Auslegung auf Basis von Lastanalysen

▪ Variation von bis zu 65 kVA im Kabinenbereich

Motivation

→Nicht-optimaler Entwurf

Quelle: http://a320cabinmod.blogspot.com/

Quelle: Airbus

→Generatoren und Netz überdimensioniert

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Folie 4

Robert Doering M.Sc., Anton Offner B.Sc., MATLAB EXPO München, 2. Juli 2019

Entwicklung von lokalen elektrischen Energiesystemen für Verkehrsflugzeuge

Flugzeugentwurf

▪ Familienkonzepte (z.B. A320-Familie)

▪ Maximalfall innerhalb einer Familie ist dimensionierend

Elektrisches System

▪ Auslegung auf Basis von Lastanalysen

▪ Variation von bis zu 65 kVA im Kabinenbereich

Optimierung durch Individualisierung

▪ Versorgung sicherheitskritischer Verbraucher über zentrales System

▪ Versorgung kommerzieller Lasten über individualisierte dezentrale

Systeme

Motivation

→Nicht-optimaler Entwurf

Quelle: http://a320cabinmod.blogspot.com/

Quelle: Airbus

→Generatoren und Netz überdimensioniert

→ Einsatz lokaler elektrischer EnergiesystemeSource: Airbus

Konventionelle

Systemarchitektur

Individualisierte

Systemarchitektur

Sic

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Folie 5

Robert Doering M.Sc., Anton Offner B.Sc., MATLAB EXPO München, 2. Juli 2019

Entwicklung von lokalen elektrischen Energiesystemen für Verkehrsflugzeuge

Welche Gewichtseinsparungen können durch den Einsatz von lokalen elektrischen

Energiesysteme realisiert werden?

Wie viel wiegen lokale elektrische Energiesysteme?

Welche Auswirkungen ergeben sich auf Flugzeug- bzw. Flottenebene?

Fallstudie: Lufthansa Group.

Agenda

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Folie 6

Robert Doering M.Sc., Anton Offner B.Sc., MATLAB EXPO München, 2. Juli 2019

Entwicklung von lokalen elektrischen Energiesystemen für Verkehrsflugzeuge

Netzwerkarchitektur

▪ Leistungsbereitstellung via Triebwerksgeneratoren

▪ Verteilung über primäres und sekundäre Verteilzentren

Gewichtsreduktionspotentiale

▪ Generatoren (Downsizing)

▪ Generatorkabel (Downsizing)

▪ SPDB-Kabel (Eliminierung)

Integration lokaler elektrischer Energiesysteme

Ergebnisse

▪ Gewichtsreduktion abhängig von der Flugzeuglänge

▪ Gewichtsreduktion bis 30 kg möglich

▪ Entkopplung der hintere Bordküche am

vielversprechendsten

→ PowerArchitekt zur Netzwerkdimensionierung

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Folie 7

Local Electric Power Package Design – Load Profiles

MiLAn-Tool

▪ Generierung von Referenzflugmissionen

▪ Benutzereingaben & Visualisierung

▪ Datenbank mit Lastinformationen

Robert Doering M.Sc., Anton Offner B.Sc., MATLAB EXPO München, 2. Juli 2019

Entwicklung von lokalen elektrischen Energiesystemen für Verkehrsflugzeuge

User Input

Datenbank

MiLAn-ToolGenerische FlugmissionGenerische Flugmission

Flugprofile Lastprofile

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Folie 8

Robert Doering M.Sc., Anton Offner B.Sc., MATLAB EXPO München, 2. Juli 2019

Entwicklung von lokalen elektrischen Energiesystemen für Verkehrsflugzeuge

Kerntechnologie

▪ Batteriesysteme (LiPO4)

− 100 Wh/kg

− einfach

▪ Brennstoffzellensysteme

− Ca. 500 W/kg

− komplex

Auslegung lokaler elektrischer Energiesysteme - Technologieauswahl

Sekundäre Systeme

▪ Kühlsystem

▪ Luftversorgungssystem

▪ Wasserstoffversorgungssystem

▪ Tanksystem

▪ Systemregelung und Automation

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Folie 9

Robert Doering M.Sc., Anton Offner B.Sc., MATLAB EXPO München, 2. Juli 2019

Entwicklung von lokalen elektrischen Energiesystemen für Verkehrsflugzeuge

Definition eines Hybridisierungsgrades

▪ Abbildung der Systemautomation in Stateflow

▪ Simulation entlang eines Lastprofils mit Simulink

▪ Variation von FCS Leistung und BAT Energie

Auslegung lokaler elektrischer Energiesysteme - Hybridisierungsgrad

Definition eines Hybridisierungsgrades

▪ Berechnung des SOC und des H2-Verbrauchs

▪ Berechnung der erwarteten Systemmasse

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Folie 10

Robert Doering M.Sc., Anton Offner B.Sc., MATLAB EXPO München, 2. Juli 2019

Entwicklung von lokalen elektrischen Energiesystemen für Verkehrsflugzeuge

Auslegung lokaler elektrischer Energiesysteme - Eigenschaftsabsicherung

Systemsimulationen

▪ MATLAB Simscape / Stateflow /

Simulink

▪ Identifikation von

Verbesserungspotentialen

▪ Eigenschaftsabsicherung

− Z.B. Einhaltung von

Spannungsgrenzen (250 – 280 V)

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Folie 11

Robert Doering M.Sc., Anton Offner B.Sc., MATLAB EXPO München, 2. Juli 2019

Entwicklung von lokalen elektrischen Energiesystemen für Verkehrsflugzeuge

Flugzeugebene

▪ Bewertungskriterium: Kerosinverbrauch

− Masse

− Luftwiderstand

▪ SysFuel+

− Atmosphären-, Flugphysik- und Triebwerksmodell

− Simulation entlang einer gegebenen Flugmission (MiLAn)

Geänderter Treibstoffverbrauch gegenüber Referenz

Bewertung lokaler elektrischer Energiesysteme auf Flugzeug- und Flottenebene

Flottenebene

▪ Analyse der Routen

▪ Analyse der Flugzeugmuster

▪ Analyse der Nutzungsszenarien

Gewichtung der Bewertung auf Flugzeugebene

gemäß Flottenzusammensetzung und -betrieb

Quelle: Lufthansa & Google

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Folie 12

Robert Doering M.Sc., Anton Offner B.Sc., MATLAB EXPO München, 2. Juli 2019

Entwicklung von lokalen elektrischen Energiesystemen für Verkehrsflugzeuge

Entkopplung der Bordküche

▪ Volle Ausstattung:

− Lufthansa, Swiss, Austrian und Brussels bei Strecken >1500km

▪ Reduzierte Ausstattung:

− Eurowings

− Lufthansa, Swiss, Austrian und Brussels bei Strecken <1500km

Fallstudie – Lufthansa Group

Entwurfsergebnisse

▪ Gewichtsänderungen von -15,7 bis +61,2kg

Flottenanalyse

▪ Anzahl der Flüge pro

Woche:

− FSC = 10.077

− Eurowings = 3842

▪ FSC: 85% < 1500 km

90% der Flüge mit

reduzierter Ausstattung

durchführbar

Ergebnisse

▪ Treibstoffeinsparungen:

− Eurowings: -1.400kg

− Full-Service Carrier: +16.000kg

Positiver Effekt für Eurowings realisierbar

Negativer Effekt für Lufthansa, Swiss, Austrian

und Brussels

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Folie 13

Robert Doering M.Sc., Anton Offner B.Sc., MATLAB EXPO München, 2. Juli 2019

Entwicklung von lokalen elektrischen Energiesystemen für Verkehrsflugzeuge

Motivation

▪ Optimierung des elektrischen Systems durch Individualisierung

▪ Local Electric Power Packages zur Energieversorgung

Integration & System Design

▪ Hintere Galley durch ein Local Electric Power Package versorgt

▪ Local Electric Power Packages auf Basis hybrider

Brennstoffzellensysteme

Zusammenfassung

Fallstudie

▪ Lufthansa Group:

− Positiver Effekt für Eurowings

− Negativer Effekt für Lufthansa, Swiss,

Austrian und Brussels

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Folie 14

Robert Doering M.Sc., Anton Offner B.Sc., MATLAB EXPO München, 2. Juli 2019

Entwicklung von lokalen elektrischen Energiesystemen für Verkehrsflugzeuge

Vielen Dank für Ihre

Aufmerksamkeit!

Haben Sie Fragen?

Kontakt:

Robert Doering, M.Sc.

Institut für Flugzeug-Systemtechnik

Technische Universität Hamburg

Hamburg, Deutschland

[email protected]