Hybride-elektrisch vliegen kan al over een paar jaar

Door: Gökçin Çınar, Assistant Professor of Aerospace Engineering, Universiteit van Michigan.

Elektrische vliegtuigen lijken misschien futuristisch, maar ze zijn niet zo ver weg, tenminste niet voor korte vluchten. Tweezits Velis Electros vliegen al rustig door Europa, elektrische zeevliegtuigen worden getest in British Columbia, en grotere vliegtuigen komen eraan.

Air Canada kondigde op 15 september 2022 aan dat het 30 elektrisch-hybride regionale vliegtuigen zou kopen van het Zweedse Heart Aerospace, dat verwacht zijn vliegtuig met 30 plaatsen in 2028 in dienst te hebben. Analisten van het U.S. National Renewable Energy Lab merken op dat het eerste hybride elektrische 50- tot 70-zits pendelvliegtuig niet lang daarna klaar zou kunnen zijn. In de jaren 2030, zeggen ze, zou de elektrische luchtvaart echt van start kunnen gaan.

Dat is belangrijk voor het beheer van de klimaatverandering. Ongeveer 3% van de wereldwijde uitstoot komt vandaag van de luchtvaart, en met de verwachte toename van het aantal passagiers en vluchten naarmate de bevolking groeit, zou de luchtvaart tegen 2050 drie tot vijf keer meer kooldioxide-uitstoot kunnen veroorzaken dan vóór de COVID-19-pandemie.

Ruimtevaartingenieur en assistent-professor Gökçin Çınar ontwikkelt duurzame luchtvaartconcepten, waaronder hybride-elektrische vliegtuigen en waterstofbrandstofalternatieven, aan de Universiteit van Michigan. We vroegen haar naar de belangrijkste manieren om de uitstoot van de luchtvaart te verminderen en waar technologieën als elektrificatie en waterstof naartoe gaan.

Waarom is de luchtvaart zo moeilijk te elektrificeren?

“Vliegtuigen behoren tot de meest complexe voertuigen die er zijn, maar het grootste probleem voor het elektrificeren ervan is het gewicht van de batterijen.

“Als je een 737 volledig zou elektrificeren met de huidige batterijen, zou je alle passagiers en vracht eruit moeten halen en die ruimte vullen met batterijen om minder dan een uur te kunnen vliegen.

“Vliegtuigbrandstof kan ongeveer 50 keer meer energie bevatten dan batterijen per massa-eenheid. Je kunt dus 1 pond vliegtuigbrandstof hebben of 50 pond batterijen. Om die kloof te dichten, moeten we lithium-ion batterijen lichter maken of nieuwe batterijen ontwikkelen die meer energie vasthouden. Er worden nieuwe batterijen ontwikkeld, maar ze zijn nog niet klaar voor vliegtuigen.

“Hoewel we een 737 misschien niet volledig kunnen elektrificeren, kunnen we in de grotere jets door het gebruik van hybride aandrijfsystemen wel enige brandstofbesparing realiseren. We proberen dat op korte termijn te realiseren, met een doelstelling voor 2030-2035 voor kleinere regionale vliegtuigen. Hoe minder brandstof er wordt verbrand tijdens de vlucht, hoe minder broeikasgasemissies.”

Hoe werkt hybride luchtvaart om de uitstoot te verminderen?

“Hybride elektrische vliegtuigen zijn vergelijkbaar met hybride elektrische auto’s in die zin dat ze een combinatie van batterijen en vliegtuigbrandstoffen gebruiken. Het probleem is dat geen enkele andere industrie de gewichtsbeperkingen heeft die wij in de luchtvaartindustrie hebben.

“Daarom moeten we heel slim zijn over hoe en hoeveel we het aandrijfsysteem hybridiseren.

“Het gebruik van batterijen als krachtbron tijdens het opstijgen en klimmen is veelbelovend. Naar de startbaan taxiën met enkel elektrische aandrijving kan ook een aanzienlijke brandstofbesparing opleveren en de lokale uitstoot op luchthavens verminderen. Er is een evenwicht tussen het extra gewicht van de batterij en de hoeveelheid elektriciteit die kan worden gebruikt om netto brandstofvoordelen te behalen. Dit optimalisatieprobleem staat centraal in mijn onderzoek.

“Hybriden zouden nog steeds brandstof verbranden tijdens de vlucht, maar dat zou aanzienlijk minder kunnen zijn dan wanneer we volledig op vliegtuigbrandstof zouden vertrouwen.

“Voor 2030 tot 2035 richten we ons op hybride turboprops, meestal regionale vliegtuigen met 50-80 passagiers of gebruikt voor vrachtvervoer. Deze hybriden zouden het brandstofverbruik met ongeveer 10% kunnen verminderen.

“Met elektrische hybrides zouden luchtvaartmaatschappijen ook meer gebruik kunnen maken van regionale luchthavens, waardoor de congestie en de tijd die grotere vliegtuigen stationair draaien op de startbaan afnemen.”

Wat verwacht u op korte termijn te zien van duurzame luchtvaart?

“Op korte termijn zullen we meer gebruik zien van duurzame vliegtuigbrandstoffen, of SAF. Met de huidige motoren kun je duurzame vliegtuigbrandstof in dezelfde brandstoftank gooien en verbranden. Brandstoffen gemaakt van maïs, oliezaden, algen en andere vetten worden al gebruikt.

“Duurzame vliegtuigbrandstoffen kunnen de netto koolstofdioxide-uitstoot van een vliegtuig met ongeveer 80% verminderen, maar het aanbod is beperkt en het gebruik van meer biomassa voor brandstof kan concurreren met de voedselproductie en tot ontbossing leiden.

“Een tweede optie is het gebruik van synthetische duurzame vliegtuigbrandstoffen, waarbij koolstof uit de lucht of uit andere industriële processen wordt opgevangen en gesynthetiseerd met waterstof. Maar dat is een complex en kostbaar proces en heeft nog geen grote productieschaal.

“Ampaire meldde dat zijn hybride elektrische EEL tot 40% brandstof bespaarde in vergelijking met een standaardversie van de vergelijkbare Cessna Skymaster.

“Luchtvaartmaatschappijen kunnen hun activiteiten ook op korte termijn optimaliseren, zoals routeplanning om te voorkomen dat ze met bijna lege vliegtuigen vliegen. Ook dat kan de uitstoot verminderen.”

Is waterstof een optie voor de luchtvaart?

“Waterstofbrandstof bestaat al heel lang, en wanneer het groene waterstof is – geproduceerd met water en elektrolyse aangedreven door hernieuwbare energie – produceert het geen koolstofdioxide. Het kan ook meer energie per eenheid van massa bevatten dan batterijen.

“Er zijn twee manieren om waterstof in een vliegtuig te gebruiken: ofwel in plaats van gewone vliegtuigbrandstof in een motor, ofwel gecombineerd met zuurstof om waterstofbrandstofcellen aan te drijven, die dan elektriciteit opwekken om het vliegtuig aan te drijven.

“Het probleem is het volume – waterstofgas neemt veel ruimte in beslag. Daarom kijken ingenieurs naar methoden zoals het zeer koel houden zodat het als vloeistof kan worden opgeslagen totdat het als gas wordt verbrand. Het vergt nog steeds meer ruimte dan vliegtuigbrandstof, en de opslagtanks zijn zwaar, dus hoe het op te slaan, te hanteren of te distribueren in vliegtuigen wordt nog uitgewerkt.

“Airbus doet veel onderzoek naar de verbranding van waterstof met behulp van aangepaste gasturbinemotoren op een A380-platform, en streeft naar een volwassen technologie tegen 2025. De Australische luchtvaartmaatschappij Rex verwacht in de komende jaren te beginnen met het testen van een waterstof-elektrisch vliegtuig met 34 plaatsen voor korte vluchten.

“Vanwege de verscheidenheid aan opties zie ik waterstof als een van de belangrijkste technologieën voor duurzame luchtvaart.”

Zullen deze technologieën kunnen voldoen aan de doelstellingen van de luchtvaartindustrie om de emissies te verminderen?

“Het probleem met de luchtvaartemissies is niet hun huidige niveau – het is de vrees dat hun emissies snel zullen toenemen als de vraag toeneemt. Tegen 2050 zouden we drie tot vijf keer meer kooldioxide-emissies van de luchtvaart kunnen zien dan vóór de pandemie.

“De Internationale Burgerluchtvaartorganisatie, een agentschap van de Verenigde Naties, bepaalt doorgaans de doelstellingen van de sector, waarbij wordt gekeken naar wat haalbaar is en hoe de luchtvaart de grenzen kan verleggen.

“Haar langetermijndoelstelling is om de netto kooldioxide-uitstoot tegen 2050 met 50% te verminderen in vergelijking met het niveau van 2005. Om dat te bereiken is een mix van verschillende technologieën en optimalisatie nodig. Ik weet niet of we dat tegen 2050 gaan halen, maar ik geloof dat we alles moeten doen wat we kunnen om de toekomstige luchtvaart ecologisch duurzaam te maken.”

Dit artikel is overgenomen uit The Conversation onder een Creative Commons-licentie. Lees het originele artikel.