Hoe hybride elektrische en brandstofvliegtuigen vliegreizen groen kunnen maken

Nu het luchtverkeer tot 2030 elk jaar met 5% zal toenemen, onderzoeken wetenschappers hoe vliegtuigen duurzamer kunnen worden. Maar met de huidige batterijen die elektrische vliegtuigen veel te zwaar maken, zouden hybride brandstofmodellen en elektrische modellen de weg vooruit kunnen wijzen voor groenere vliegreizen – en binnen 15 jaar in de lucht kunnen komen.

De luchtvaart levert een aanzienlijke bijdrage aan de Europese economie, meer dan 500 miljard euro per jaar genereren en 9,3 miljoen banen ondersteunen. Maar het heeft ook een milieu-impact die moet worden aangepakt. Vliegen is verantwoordelijk voor meer dan 2% van de wereldwijde uitstoot van broeikasgassen en ongeveer 3% in Europa. Er zijn duurzamere vliegtuigen nodig om aan de De doelstelling van de Europese Unie om tegen 2050 een netto nuluitstoot van broeikasgassen te realiseren.

En met de industrie die hard wordt getroffen door de pandemie, waardoor een daling van het luchtverkeer, wordt het verduurzamen van vliegreizen gezien als sleutel tot het herstel van Europa.

Het ontwikkelen van hybride-elektrische vliegtuigen zou een deel van de oplossing kunnen zijn. Net als bij hybride auto’s, combineert de technologie twee energiebronnen, meestal brandstof en een elektrische batterij of waterstof-brandstofcel.

“Door bronnen te hybridiseren, kunt u het brandstofverbruik van vliegtuigen verminderen en daarmee de impact op het milieu”, zei Dr. Xavier Roboam, een senior wetenschapper en adjunct-directeur van het LAPLACE-lab aan de Universiteit van Toulouse in Frankrijk. “Het is de eerste stap vóór de laatste stap, die mogelijk emissievrije, volledig elektrische vliegtuigen is.”

Energiedichtheid, oftewel de hoeveelheid energie die je per kilogram binnenkrijgt, is nog steeds een beperkende factor voor elektrische vliegtuigen. Batterijen die nodig zijn om elektromotoren van stroom te voorzien, zijn nog steeds te zwaar om op zichzelf een haalbaar alternatief te zijn, waar een batterij meestal is ongeveer 30 keer zwaarder dan een hoeveelheid kerosinemotorbrandstof die dezelfde hoeveelheid energie zou kunnen leveren. Kleine elektrische vliegtuigen hebben met succes korte testvluchten gemaakt en de grootste ter wereld zou kunnen beginnen met het dragen van negen passagiers op commerciële vluchten van maximaal 160 km tegen het einde van volgend jaar. Maar batterijen waarmee een groot vliegtuig vol mensen duizenden kilometers zou kunnen reizen, zoals conventionele vliegtuigen tegenwoordig doen, zouden het vliegtuig te zwaar maken om op te stijgen.

Gewicht

Hybride vliegtuigen zijn momenteel veelbelovender omdat het gebruik van wat brandstof helpt bij het gewichtsprobleem. Dr. Roboam en zijn collega’s onderzoeken hoe het gewicht van een vliegtuig verder kan worden verminderd als onderdeel van de HASTECS-project.

Ze richten zich op de belangrijkste componenten, zoals het systeem dat vermogen omzet tussen de twee bronnen en de elektromotoren. Ze creëren nieuwe ontwerpen die worden getest door middel van computersimulaties. “We proberen de verhouding tussen het vermogen dat u kunt leveren en het gewicht dat nodig is om dat vermogen te leveren, te maximaliseren”, aldus Dr. Roboam.

Het project mikt op specifieke doelen. Het doel is om een ​​elektromotor te ontwerpen die de vermogen-gewichtsverhouding zou verdubbelen van elektrische motoren die tegenwoordig worden gebruikt, zoals in een elektrische auto van Tesla, om in 2035 10 kilowatt per kilogram te halen. Ze willen ook de power-to verhogen. -gewichtsverhouding van stroomomzetters tot 25 kilowatt per kilogram tegen dezelfde periode. Door aan deze twee doelen te voldoen, zou een hybride vliegtuig ongeveer 1600 kilogram lichter kunnen zijn dan verwacht in 2025 en tot 10% minder brandstof verbranden.

Na ongeveer vier jaar werken heeft het team hun doel voor de elektromotoren bereikt. Ze waren in staat om hun structuur te optimaliseren door bijvoorbeeld elektromagnetische materialen te gebruiken, en het gebruik van speciale draden, genaamd Litz-draden, hielp hun prestaties te verbeteren. Motoren worden meer warm als ze kleiner worden, dus de leden van het team bedachten ook een efficiëntere manier om ze te koelen met een intern koelsysteem.

Voor het stroomconversiesysteem werd hun doel overtroffen door de structuur aan te passen en het koelsysteem te verbeteren. “We zijn voorbij het doel dat zeer succesvol is voor het project”, zei Dr. Roboam.

Zodra het project volgend jaar is afgerond, willen Dr. Roboam en zijn collega’s graag verder experimenteren om de simulaties die tijdens HASTECS zijn geproduceerd te valideren. Maar ze zullen een experimentele faciliteit moeten vinden die een hoog vermogen kan leveren om hun ontwerpen te testen. “Het is erg ingewikkeld en ook duur om dergelijke validaties uit te voeren, omdat het een zeer krachtige toepassing is die één megawatt aan vermogen vereist”, zei Dr. Roboam.

Waterstof

Dr. Roboam denkt dat binnen vijf tot vijftien jaar een hybride vliegtuig dat hun concepten gebruikt, de lucht in zou kunnen vliegen. Op 21 september Airbus kondigde plannen aan voor ’s werelds eerste emissievrije vliegtuig dat waterstof als energiebron gebruikt. Aangezien de in HASTECS geproduceerde hybride vliegtuigontwerpen een waterstofbrandstofcel gebruiken, wordt Dr. Roboam aangemoedigd. “Voor ons is het heel goed nieuws om door te gaan”, zei hij. “HASTECS is de eerste stap om dat te bereiken.”

Professor Andreas Strohmayer, hoofd van de afdeling Vliegtuigontwerp aan de Universiteit van Stuttgart in Duitsland, en zijn collega’s werken ook aan het realiseren van hybride-elektrische vluchten. Ze proberen de ontwikkeling van een hybride-elektrisch vliegtuig met maximaal 50 stoelen te versnellen dat in 2035 commerciële vluchten zou gaan aanbieden als onderdeel van de FutPrInt50-project. “De reeks van 40 tot 50 stoelen is het eerste commerciële hulpmiddel dat een impact heeft (in termen van) transportcapaciteit”, aldus prof. Strohmayer. “Hoe groter je vanaf daar gaat, hoe meer problemen je hebt, dus ik geloof in een stapsgewijze aanpak.”

Een van de doelen van het project is om zo’n vliegtuig te ontwerpen. Sinds de start van het project in januari analyseert het team de benodigde vereisten. Ze hebben bijvoorbeeld geprobeerd het relatieve belang van lage emissies, bereik en snelheid voor hun ontwerp te achterhalen en hebben verschillende opties bekeken voor componenten zoals de aandrijflijn, die bestaat uit de motor en bijbehorende onderdelen – en energieopslag. gebruikmakend van bestaande technologieën. Ze onderzoeken ook oplossingen voor thermisch beheer. “We werken aan ons referentievliegtuig, zodat we een een-op-een vergelijking hebben van ons ontwerp met een conventioneel vliegtuig van dezelfde grootte”, aldus prof. Strohmayer.

Het team zal zich ook concentreren op het ontwikkelen van manieren om energie te oogsten die ook helpt om het batterij- en brandstofgewicht in hybride vliegtuigen te verminderen. Als het vliegtuig bijvoorbeeld tijdens de afdaling geen stroom nodig heeft, kunnen de propellers energie uit de luchtstroom halen. Bij elektrische auto’s kan remmen elektriciteit opwekken, zegt prof. Strohmayer. “Hetzelfde geldt voor vliegtuigen en we kunnen energie recupereren.”

Tegen het einde van het project in 2022 zal het team een ​​technologieroadmap hebben ontwikkeld voor alle verschillende componenten die nodig zijn, evenals een routekaart voor de normen waaraan moet worden voldaan voor certificering. Het zal vergezeld gaan van een hybride vliegtuigontwerp dat kan worden overgedragen aan een vliegtuigfabrikant om het tot leven te brengen. “Mijn visie is dat mijn kleinkinderen over 20 jaar bij mij aan boord van een van deze vliegtuigen kunnen zitten”, aldus prof. Strohmayer. “Ik wil dit gebouwd zien.”