Met de algehele snelle groei van vliegreizen, is het ontwerp van vliegtuigen rijp voor decarbonisatie, maar wijdverbreide elektrische vluchten vereisen betere batterijen en lichtgewicht systemen.

Nu de luchtvaartindustrie te voorschijn komt uit de impact van de COVID-19-pandemie, toen het aantal passagiers kelderde, neemt het aantal vluchten weer toe. De sector herstelt zich tot het pre-pandemische niveau van het aantal vliegreizen, en sommige schattingen voorspellen een groei van meer dan 40% tegen 2050.

In het algemeen, ondanks crises, verdubbelt het reizen per vliegtuig elke 15 jaar, waarbij de luchtvaartsector ook een van de snelst groeiende bronnen van broeikasgasemissies (BKG) blijkt te zijn. Het is momenteel goed voor 2% van de wereldwijde broeikasgasemissies, maar er wordt voorspeld dat dit tegen 2050 mogelijk zal verdrievoudigen ten opzichte van 2015 op het bestaande traject.

Aangezien de Europese Green Deal oproept tot klimaatneutraliteit in 2050, is een groene reset nodig om de duurzaamheid van de luchtvaart te verbeteren. Volg de link voor meer informatie over de maatregelen die de EU bepleit om de luchtvaartemissies te verminderen.

De luchtvaart wordt efficiënter met motorverbeteringen, maar decarbonisatie vraagt ​​om alternatieven voor de huidige vliegtuigen die veel fossiele brandstoffen nodig hebben.

Hybride-elektrische en volledig elektrische voortstuwingssystemen bieden één antwoord. Dergelijke aandrijflijnen winnen al aan kracht op de grond, waarbij de wereldwijde verkoop van elektrische auto's vorig jaar verdubbelde tot 6,6 miljoen.

Er zijn talloze projecten gaande voor de luchtvaart om dit voorbeeld te volgen, maar ze staan ​​voor veel uitdagingen, niet in de laatste plaats het enorme gewicht van batterijen.

Maar het vinden van milieuvriendelijke alternatieven die tegelijkertijd krachtig en winstgevend zijn, is "van het grootste belang", zegt Fabio Russo, hoofd onderzoek en ontwikkeling bij vliegtuigfabrikant Tecnam in Capua, Italië.

Schaalbaarheid

Russo leidde het H3PS-project (High Power High Scalability Aircraft Hybrid Powertrain), dat het potentieel van hybride-elektrische systemen in zogenaamde "general aviation" (GA) -vliegtuigen onderzocht.

Deze categorie omvat meer dan 400.000 burgervliegtuigen over de hele wereld en omvat privévliegtuigen, zakenvliegtuigen, helikopters en meer, maar geen commerciële vliegtuigen.

Als vliegtuigen die doorgaans relatief klein zijn, beschouwt het H3PS-initiatief ze als een eerste stap in de richting van de ontwikkeling van elektrische voortstuwingssystemen voor bredere vluchten.

"We hebben vandaag milieuoplossingen nodig, en het H3PS-project werd uitgevoerd om een ​​efficiënte, lichtgewicht en schaalbare oplossing te bewijzen", aldus Russo.

"Schaalbaar betekent dat je dit concept kunt verplaatsen van een vliegtuig met vier zitplaatsen naar een vliegtuig met 11 zitplaatsen of, uiteindelijk, meer zitplaatsen."

Hybride aandrijflijn

Bij het project waren ook Rolls-Royce en motorfabrikant Rotax betrokken. Een van de doelstellingen was om een ​​vierzitsvliegtuig te besturen dat wordt aangedreven door een zogenaamde "parallelle hybride aandrijflijn" - een combinatie van zowel een traditionele verbrandingsmotor als een elektromotor.

Het hybride voortstuwingssysteem kan het vliegtuig een "powerboost" geven tijdens vluchtfasen zoals opstijgen en klimmen, zegt Russo. Met een hybride kun je bijvoorbeeld een brandstofmotor gebruiken met een lager vermogen dan normaal en het gat vullen voor het opstijgen en klimmen van het vliegtuig met een elektromotor.

"Je hebt daarom toegang tot een brandstofmotor met een lager verbruik", aldus Russo.

Deze benadering maakt een kleinere motoromvang en -gewicht mogelijk, waardoor de batterij voor de elektromotor kan worden opgenomen zonder significant gewicht aan het systeem toe te voegen.

Eind vorig jaar slaagde het project erin om de lucht in te gaan met zijn Tecnam P2010 H3PS-vliegtuig. Als eerste vierzitter die dit deed met een parallel hybride systeem, noemde H3PS de prestatie "een belangrijke mijlpaal op de reis van de luchtvaartindustrie naar decarbonisatie en R&D op alternatieve aandrijflijnen."

Batterijverbruik

Desalniettemin benadrukte Russo dat het project ging over het aantonen van de haalbaarheid van dergelijke vliegtuigen in plaats van het creëren van een product voor de markt. Er is nog een weg te gaan om ze op grote schaal te realiseren, zei hij.

"Er zijn nog steeds behoorlijk wat economische grenzen aan het ontwikkelen van dit soort motoren en vliegtuigen", zei Russo.

Een belangrijke beperkende factor is hoe de batterijen verslechteren tijdens het opladen. Dit betekent dat het hoge kosten met zich meebrengt om ze te blijven vervangen met een tijdschema dat op dit moment, naar schatting van Russo, slechts enkele maanden kan bedragen.

Hij gelooft dat verbeteringen berusten op een echte drive, ondersteund door steun van de batterijproductie-industrie, om de batterijtechnologie te stimuleren, terwijl de verzend- en ontmantelingskosten worden verlaagd en de circulaire economie wordt verbeterd.

"Een lokale economie voor de productie van batterijen is essentieel", zegt Russo. "Dit betekent ook dat CO₂ wordt niet alleen tijdens gebruik bespaard, maar ruim voor en na het gebruik van de batterij in een vliegtuig."

Hij voegde eraan toe dat voor vliegtuigonderdelen als geheel, focus nodig is op de volledige end-to-end levenscyclus en impact van producten.

Levensvatbare hybriden

Russo is van mening dat dergelijke hybride vliegtuigen tegen 2030 economisch levensvatbaarder kunnen worden, met het potentieel om aanzienlijk te besparen op emissies in bepaalde vluchtfasen.

Een test die zijn team uitvoerde, wees op een potentiële vermindering van 50% van de CO2-uitstoot tijdens het opstijgen en de eerste klim, en 20% tijdens de hele reis van drie uur, gesuggereerd door de lagere hoeveelheid verbruikte brandstof.

"Aan het einde van de vlucht, toen we de verbruikte brandstof meetten, was het verschil opmerkelijk", zei Russo.

Andere projecten onderzoeken hoe verschillende componenten voor toekomstige elektrische voortstuwingsluchtvaartsystemen kunnen worden geoptimaliseerd om ze zo licht mogelijk, maar ook veilig en efficiënt te maken.

Elektromagnetische interferentie

Het EASIER-project heeft bijvoorbeeld systemen ontworpen om elektromagnetische interferentie (EMI) tussen componenten die de werking van een vliegtuig kunnen beïnvloeden, te beperken.

Het team onderzoekt ook thermische methoden om de warmte die wordt gegenereerd door elektrische componenten beter af te voeren. Dat alles terwijl wordt geprobeerd ervoor te zorgen dat het vliegtuig lichtgewicht blijft, rekening houdend met de grootte en het gewicht van de huidige batterijen.

Dr. Ignacio Castro, senior hoofdingenieur bij Collins Aerospace, gevestigd in Cork, Ierland, is de coördinator voor EASIER. Hij zei dat het project EMI-filtering en bedradingsopties met een lager volume en gewicht voor elektrische aandrijflijnen in vliegtuigen heeft onderzocht, plus "tweefasige" koelsystemen en methoden om de warmteoverdracht naar de buitenkant van een vliegtuig te verbeteren.

Hij legde uit dat we ons nu moeten voorbereiden op de toekomst van elektrische systemen op de lange termijn. "Elke wijziging die we aanbrengen aan een vliegtuig om het groener te maken, kan het gewicht van het vliegtuig mogelijk verhogen", zei Dr. Castro.

"That also increases the amount of fuel consumed, so we might not have an aircraft that is fully ready for flight. We need to make things smaller."

Some of EASIER's upcoming work involves more investigation of the trade-offs between methods. "The idea is that we will see how the thermal systems are affecting the EMI and vice versa, to see what the implications are," said Dr. Castro.

Trade-offs

There are all kinds of other trade-offs to understand when it comes to manufacturing electric aircraft. For example, while making things smaller decreases weight, it can cause things to heat up faster too—much like a small house warms up quicker when heated. "That's the kind of trade-off with weight, size and efficiency, and it's not that simple," said Dr. Castro.

He added that integrating all the individual technologies into a well-functioning overall aircraft system will be key in future research.

"It's about understanding what the architectures should look like to be made as efficient as possible," said Dr. Castro.

Comparing it to construction, he stressed that you can't just throw bricks together in any way to make a building. "You need to put things together in a way that's smart in the context of power delivery," he said.

Right direction

Though there are many complex issues to resolve in electric aviation, Dr. Castro believes things are starting to move in the right direction. "I think we're taking the right paths towards hybrid-electric aviation, and there's a lot of interest and many programs," he said. "That would be the first step to start reducing carbon emissions."

Ensuring these new systems run smoothly and safely is also essential. Safety is paramount and a single crash is enough to generate big headlines and plenty of fear.

That means a need to take significant care with developments. "There's a risk saying things are going to be great, particularly when things need to be extremely reliable for aircraft," pointed out Dr. Castro. "It's a paradigm shift in technology."

There is also much investment needed and many questions to address in the coming decades, he said. "The challenge towards net-zero emissions in the EU by 2050 is a huge challenge, and I don't think at the moment anyone has a definite answer," said Dr. Castro. "It's the one-million dollar question." + Verder verkennen

Sustainable electric aircraft