Vergleichende Analyse der Wiederherstellungsaufwände in der Instandhaltung eines batterieelektrischen und eines konventionellen Antriebssystems

Abstract

Aufgrund starker Emissionen und einem stetig wachsenden Passagieraufkommen steht die Luftfahrt in den kommenden Jahrzehnten vor großen Herausforderungen. Konventionelle Antriebssysteme haben zum aktuellen Zeitpunkt ihren technologischen Reifegrad stark ausgereizt, sodass von ihnen kein großes Optimierungspotential mehr ausgeht, um ehrgeizige Klimaziele zu erreichen. Hier verspricht die Elektrifizierung des Antriebssystems großes Potential für mögliche Emissionsreduktionen. Diese neuartigen Antriebssysteme bringen jedoch Änderungen der instandhaltungsbedingten Betriebskosten mit sich. In dieser Arbeit werden daher der erforderliche Ersatzteilbedarf und die zu erwartenden Materialkosten infolge unvermeidbarer Systemdegradation am Beispiel eines Airbus A320 untersucht. Hierfür werden eine vollelektrische sowie eine hybridelektrische Antriebskonfiguration auf Basis eines Batteriesystems definiert und die notwendigen Komponenten des Antriebssystems charakterisiert. Die Zuverlässigkeit und Kosten dieser Komponenten werden abgeschätzt, wobei die Instandhaltungsanalyse im Falle des konventionellen Referenzflugzeugs auf Grundlage realer Betriebsdaten und im Falle der elektrischen Antriebssysteme auf Grundlage statistischer Ausfallraten erfolgt. Ein besonderer Fokus liegt dabei auf der Analyse der Batteriezellen, deren Nutzungslimit unter Anwendung eines semi-empirisches Degradationsmodells abgeschätzt wird. Die Instandhaltungsanalyse in dieser Arbeit zeigt dabei, dass bei einem vollelektrischen Antrieb eine durchschnittliche Erhöhung der Materialkosten von ca. 200% zu erwarten ist, die zu großem Teil auf die starke Degradation und die hohen Beschaffungskosten der Batteriezellen zurückzuführen ist. Bei einem hybridelektrischen Antriebssystem beträgt die zu erwartende Kostenerhöhung ca. 25%, dabei können durch die Hybridisierung Instandhaltungskosten des konventionellen Triebwerks reduziert werden. Da die Batteriezellen mit Abstand die größten Kostentreiber sind, werden von den Erkenntnissen der Analyse Entwurfsempfehlungen abgeleitet, um die Instandhaltungskosten zu minimieren. Dabei zeigen sich die Dimensionierung der Batteriegröße sowie die Wahl des Bereichs der Betriebstemperatur als mögliche Stellhebel. Für die Integration in eine umfassende Bewertung der Kosteneffizienz elektrischer Antriebssysteme und die Berücksichtigung der Instandhaltung in frühen Entwurfsphasen bilden die Erkenntnisse dieser Arbeit eine wertvolle Grundlage.