Elektrische vliegtuigen lijken misschien futuristisch, maar ze zijn niet zo ver weg, althans voor korte sprongen.

Tweezitter Velis Electro's zoemen al stilletjes door Europa, elektrische watervliegtuigen 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 naar verwachting zijn vliegtuig met 30 zitplaatsen in 2028 in gebruik zal hebben. Analisten van het Amerikaanse National Renewable Energy Lab merken op dat de het eerste hybride elektrische forenzenvliegtuig met 50 tot 70 zitplaatsen zou niet lang daarna klaar kunnen zijn. In de jaren 2030, zeggen ze, zou de elektrische luchtvaart echt van de grond kunnen komen.

Dat is belangrijk voor het beheersen van klimaatverandering. Ongeveer 3% van de wereldwijde uitstoot is tegenwoordig afkomstig van de luchtvaart, en aangezien er meer passagiers en vluchten worden verwacht naarmate de bevolking groeit, zou de luchtvaart tegen 2050 drie tot vijf keer meer CO2-uitstoot kunnen produceren dan vóór de COVID-19-pandemie.

Lucht- en ruimtevaartingenieur en assistent-professor Gökçin Çınar ontwikkelt duurzame luchtvaartconcepten, waaronder hybride-elektrische vliegtuigen en alternatieven voor waterstofbrandstof, aan de Universiteit van Michigan. We vroegen haar naar de belangrijkste manieren om de luchtvaartemissies vandaag de dag te verminderen en waar technologieën zoals elektrificatie en waterstof naartoe gaan.

Waarom is de luchtvaart zo moeilijk te elektrificeren?

Vliegtuigen zijn enkele van de meest complexe voertuigen die er zijn, maar het grootste probleem om ze te elektrificeren is het batterijgewicht.

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

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

Een elektrisch alternatief zijn hybrides.

Ook al zijn we misschien niet in staat om een ​​737 volledig te elektrificeren, we kunnen wel wat brandstof besparen door batterijen in de grotere jets te gebruiken door hybride aandrijfsystemen te gebruiken. We proberen dat op korte termijn te realiseren, met een doelstelling voor 2030-2035 voor kleinere regionale vliegtuigen. Hoe minder brandstof er tijdens de vlucht wordt verbrand, hoe minder uitstoot van broeikasgassen.

Hoe werkt hybride luchtvaart om de uitstoot te verminderen?

Hybride elektrische vliegtuigen zijn vergelijkbaar met hybride elektrische auto's omdat ze een combinatie van batterijen en vliegtuigbrandstoffen gebruiken. Het probleem is dat geen enkele andere industrie de gewichtsbeperkingen heeft die we in de lucht- en ruimtevaartindustrie hanteren.

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

Het gebruik van batterijen als ondersteuning tijdens het opstijgen en klimmen zijn veelbelovende opties. Taxiën naar de startbaan met alleen elektrische stroom kan ook een aanzienlijke hoeveelheid brandstof besparen en de lokale uitstoot op luchthavens verminderen. Er is een goede plek tussen het extra gewicht van de batterij en hoeveel elektriciteit u kunt gebruiken om netto brandstofvoordeel te behalen. Dit optimalisatieprobleem staat centraal in mijn onderzoek.

Hybriden zouden tijdens de vlucht nog steeds brandstof verbranden, maar het zou aanzienlijk minder kunnen zijn dan alleen volledig op vliegtuigbrandstof te vertrouwen.

Ik zie hybridisatie als een optie op middellange termijn voor grotere jets, maar een oplossing op korte termijn voor regionale vliegtuigen.

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

Met elektrische hybrides zouden luchtvaartmaatschappijen ook meer gebruik kunnen maken van regionale luchthavens, waardoor congestie wordt verminderd en grotere vliegtuigen stationair draaien op de startbaan.

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

Op kortere termijn zullen we meer gebruik maken van duurzame vliegtuigbrandstoffen, of SAF. Met de motoren van vandaag kun je duurzame vliegtuigbrandstof in dezelfde brandstoftank dumpen en verbranden. Er wordt al gebruik gemaakt van brandstoffen gemaakt van maïs, oliezaden, algen en andere vetten.

Duurzame vliegtuigbrandstoffen kunnen de netto CO2-uitstoot van vliegtuigen met ongeveer 80% verminderen, maar het aanbod is beperkt en het gebruik van meer biomassa voor brandstof kan concurreren met de voedselproductie en leiden tot ontbossing.

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

Luchtvaartmaatschappijen kunnen hun operaties op korte termijn ook optimaliseren, zoals routeplanning om te voorkomen dat ze bijna lege vliegtuigen vliegen. Dat kan ook 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 bevatten per massa-eenheid 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 vervolgens elektriciteit opwekken om het vliegtuig aan te drijven.

Het probleem is het volume:waterstofgas neemt veel ruimte in beslag. Daarom kijken ingenieurs naar methoden om het heel koel te houden, zodat het als vloeistof kan worden opgeslagen totdat het als gas wordt verbrand. Het neemt nog steeds meer ruimte in beslag 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 waterstofverbranding met behulp van gemodificeerde gasturbinemotoren met een A380-platform, en streeft ernaar om tegen 2025 een volwassen technologie te hebben. De Australische luchtvaartmaatschappij Rex verwacht een waterstof-elektrisch vliegtuig met 34 zitplaatsen te gaan testen voor korte hops in de komende jaren.

Door de verscheidenheid aan opties zie ik waterstof als een van de sleuteltechnologieën voor een duurzame luchtvaart.

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

Het probleem met luchtvaartemissies is niet hun huidige niveau - het is de angst dat hun emissies snel zullen toenemen naarmate de vraag toeneemt. Tegen 2050 zouden we drie tot vijf keer meer CO2-uitstoot door de luchtvaart kunnen zien dan vóór de pandemie.

De International Civil Aviation Organization, een agentschap van de Verenigde Naties, definieert in het algemeen de doelstellingen van de sector, kijkend naar wat haalbaar is en hoe de luchtvaart de grenzen kan verleggen.

Het doel op lange termijn is om de netto-uitstoot van kooldioxide tegen 2050 met 50% te verminderen ten opzichte van het niveau van 2005. Om daar te komen, is een mix van verschillende technologieën en optimalisatie vereist. Ik weet niet of we het in 2050 zullen halen, maar ik denk dat we er alles aan moeten doen om de toekomstige luchtvaart ecologisch duurzaam te maken. + Verder verkennen

Prestatieanalyse van evolutionaire waterstof aangedreven vliegtuigen

Dit artikel is opnieuw gepubliceerd vanuit The Conversation onder een Creative Commons-licentie. Lees het originele artikel.