Ook in de meer serieuze vakpers wordt elektrisch vliegen sinds enige tijd gepresenteerd als iets wat onvermijdelijk is. Duurzaamheid en CO2 eliminatie zullen er op niet al te lange termijn toe leiden dat de lawaaiïge kerosineslurpers van nu vervangen worden door emissieloze en geluidloze elektrische vliegtuigen, allemaal gevoed door ‘groene energie’.

Nu is mijn carrière, en dat van veel andere ingenieurs in de luchtvaartindustrie, gevormd rond de behoefte om vliegtuigen zuiniger en stiller te maken, dus een technologie die belooft hier zo’n dramatische verbetering te leveren trekt wel mijn aandacht.

Ik moet bekennen dat ik in dit opzicht energieopslag in batterijen niet zo’n voor de hand liggende optie vind. Het ontwikkelen van vliegtuigen is een voortdurende strijd tegen de zwaartekracht, omdat de hoeveelheid energie die nodig is voor de vlucht ruwweg evenredig is met de massa van het vliegtuig. En batterijen zijn wat dat betreft berucht. Weliswaar zijn lithium batterijen lichter dan loodaccu’s, maar dat is als een vergelijking tussen een zware en een lichte verkoudheid: je zit op geen van beide te wachten.

En “groene energie” is maar beperkt beschikbaar, en dat zal in de komende decennia niet wezenlijk veranderen. Zie bijvoorbeeld de volgende figuur, van een belangenvereniging van hernieuwbare energie, het Renewable Energy Network:

energiegebruik 2015 verdeling naar bron

Dit is uit 2015. De groei van de populaire ‘groene energie’, wind en zonnecellen, is wereldwijd ca 10% per jaar volgens dezelfde bron, en daarmee krik je hun 1.5% voorlopig niet wezenlijk op. Luchttransport neemt ca 2% van het mondiale energieverbruik voor haar rekening, dus als we luchttransport geheel op ‘groene energie’ zouden laten draaien krijgt de rest van de wereld niks meer. En het aanplanten van windparken is niet afhankelijk van of we wel of niet elektrisch gaan vliegen.

Dus de eerste vraag is waarom we eigenlijk lucht (en weg) transport willen elektrificeren. We gaan nog steeds op fossiele brandstof vliegen, alleen wordt deze nu in centrales verstookt. Kan het dan misschien efficiënter met elektriciteit?

Ik beperk mij in de volgende analyse tot het luchttransportsysteem. Grootschalig passagiersvervoer dus. Andere luchtvaartactiviteiten kan je ook beschouwen, maar die hebben een zodanig kleine impact op het wereld energieverbruik dat elektrificering hiervan sowieso niet bijdraagt aan het oplossen van mondiale milieu- of energieproblemen. Elektrisch aangedreven luchttaxis kunnen misschien in een vervoersbehoefte voorzien als ze technisch realiseerbaar zijn – dat zijn ze niet, maar dat terzijde – maar lossen geen energie of milieuprobleem op.

Dit luchttransportsysteem omvat ca 25000 straalverkeersvliegtuigen, waarvan ca 2/3 bestaat uit de bekende Boeing 737 en de Airbus A320.  Het systeem wordt veilig en eerlijk gehouden door Luchtwaardigheidsautoriteiten: in Europa de EASA (European Union Aviation Safety Agency) en de FAA (Federal Aviation Agency) in de Verenigde Staten. Deze zorgen niet alleen voor regelgeving tbv de veiligheid van het transport, maar reguleren ook belangrijke milieueffecten zoals geluid en NOx.

Boeing en Airbus concurreren heftig met elkaar, en dat gaat voornamelijk op bedrijfskosten van hun vliegtuigen. Een belangrijk deel hiervan wordt gevormd door het brandstofverbruik, en dat gaat niet alleen om de prijs van de brandstof, maar ook om de massa ervan die meegevoerd moet worden. Bij de A320 en de 737 is dat tot 30% van het maximum startgewicht, dus ruwweg 30% van het energieverbruik van deze vliegtuigen is het gevolg van de massa van de brandstof die meegesleept moet worden. Een halvering hiervan spaart dus niet alleen 50% van de kosten per trip, maar geeft ook ruimte voor zeg 50% meer betalende lading in hetzelfde vliegtuig, als we even details als de benodigde romplengte hiervoor vergeten. Dit wordt allemaal ernstiger als we kijken naar intercontinentaal transport.

Deze vloot “willen we” nu elektrisch aan gaan drijven. Wat heeft dat voor consequenties? Kerosine heeft een energieinhoud van zeg 12500 Wh (Watt uur) voor elke kilogram. Met een thermisch rendement van 40% van een moderne gasturbine krijg je 5000 Wh energie beschikbaar voor aandrijving voor iedere kg brandstof die je verstookt. Luchtvaartgecertificeerde lithium batterijen, op dit moment toegepast voor energievoorziening aan boord van de modernste Boeings en Airbussen, leveren per kg 50 Wh aan elektrische energie.

Dat scheelt dus een factor 100 met kerosine. Voor een 1000 km trip start de A320 met ca 5000 kg brandstof aan boord, waarvan 2000 kg wettelijk voorgeschreven reserves. Dus voor deze toch bescheiden missie, Amsterdam-Turijn bijvoorbeeld, vraagt de A320 een half miljoen kg aan batterijen.

Eigenlijk ben ik nu wel klaar, maar ik preek toch nog even door. Ik ga uit van grove getallen want enige onnauwkeurigheid maakt hier echt niets uit in de conclusies.

De opgegeven energieinhoud van de batterijen die ik hier gebruikt heb is nogal wat lager dan van bijvoorbeeld de batterijen die in een Tesla zitten. Die hebben nominaal 80 kWh voor 550 kg aan batterijmassa dus ca 150 Wh/kg. Dat is 3 x de energiedichtheid van onze luchtvaartgecertificeerde batterijen. Het verschil komt niet uit batterijtechnologie, maar uit veiligheidsoverwegingen en kosteneffectiviteit.

Vliegtuigen worden intensief gebruikt en hun batterijen aan boord ondergaan veel laad/ontlaad cycli. Voor een goede levensduur wordt aanbevolen om lithium batterijen tot niet meer dan 90% van de capaciteit te laden, en niet beneden 20% te ontladen. Dat betekent dat een derde van de nominale capaciteit niet gebruikt wordt. De rest van het verschil komt uit veiligheidsvoorzieningen zoals isolatie, zekeringen, ventilatie, en we moeten als consumenten echt blijven hopen dat hier geen loopje mee genomen gaat worden, want een batterijbrand is praktisch gezien onblusbaar omdat er geen zuurstof voor nodig is. In de lucht kan je je dat echt niet veroorloven.

En die razendsnelle ontwikkelingen in batterijtechnologie dan? Ik lees vaak over wondertechnologieën die wel 500 Wh/kg gaan leveren, niks kosten en een oneindige levensduur gaan krijgen. En volstrekt veilig zijn. Het antwoord: ook dat is gewoon nog lang niet goed genoeg voor luchttransport, omdat de extra massa aan boord tot een veel hoger energieverbruik leidt (zie kader)

Groeifactor en de Airbus A320 als voorbeeld

Uiteindelijk is dit de Groene Rekenkamer, dus we mogen even rekenen. De A320 heeft volgens Wikipedia zonder betalende lading en brandstof een massa van  42T, en met 180 stoelen ongeveer 18T aan betalende lading aan boord. Met een maximum startmassa van afgerond 80T laat dit ruimte voor 20T aan brandstof. Hoe ver komt dit vliegtuig met eenzelfde massa wonderbatterijen? We hebben nu 10% van de energie aan boord vergeleken met de standaard A320, en dat komt overeen met 2000 kg kerosine. Dat is net genoeg als reservebrandstof, en onze A320 E-type heeft dus geen bruikbaar vliegbereik.

Het vliegtuig moet dus zwaarder worden. Stel we verdubbelen de maximum startmassa tot 160T. De vleugels, motoren, onderstel en veel van de rest van het vliegtuig worden dan 2 x zo groot en daardoor 2 x zo zwaar. Het leeggewicht verdubbelt misschien niet helemaal, want de passagierscabine kan hetzelfde blijven, maar er zijn ook voorzieningen nodig voor het installeren van de batterijen. Zeggen we even +75%? Dan komen we op afgerond 72T leeg. Met nog steeds 18T betalende lading en 160T voor de totale massa blijft dan 70T over voor de batterijen. Maar het vliegtuig is nu 2 x zo groot vergeleken met de oorspronkelijke A320, dus het energieverbruik verdubbelt.

Zoals eerder aangegeven heeft een normale A320 ongeveer 5000 kg brandstof aan boord voor een 1000 km trip. Bij een verdubbelde startmassa zou deze brandstofmassa ook verdubbelen, tot 10000 kg, en dat is equivalent aan 100T van de wonderbatterijen waar we nu even van uit gaan. Dus met 70T komt dit vliegtuig niet verder dan 500 km, en verbruikt 2 x zoveel energie per stoelkm vergeleken met de standaard A320. Het geluid in de start neemt evenredig toe, want je hoort niet de motor maar de verplaatste lucht en de fan die daarvoor nodig is.

Uiteraard kan dit allemaal wat beter als je het echt wilt, je kan bijvoorbeeld langzamer vliegen en propellers gebruiken, maar dat kan je ook doen met de bestaande aandrijftechnologie. In de kern blijft het probleem dat een lagere energiedichtheid voor gegeven prestaties leidt tot een zwaarder vliegtuig met een hoger energieverbruik, omdat je je eigen energievoorraad op moet tillen

En wanneer komt die 500 Wh/kg beschikbaar?

50 jaar geleden hadden we loodaccu’s, daarna kwamen Nikkel Cadmium batterijen die 30% lichter waren. De huidige Lithium batterijen voor dezelfde toepassing zijn weer 30% lichter. Komt neer op 1% verbetering per jaar en dat is inderdaad de norm voor dit soort technologie. Luchttransport wordt per jaar ook 1% efficienter.

Vanwege de verliezen die inherent zijn aan de opslag van elektriciteit is het uberhaupt niet zo’n goed plan om transport zonder bovenleiding elektrisch te doen. Als je elektriciteit al over zou hebben kan je die beter reserveren voor statische toepassingen. In dit opzicht vind ik elektrische auto’s ook niet zo’n briljant idee, maar bij vliegtuigen komt daar het probleem van de massa van de batterijen bovenop, wat in de komende dekades gewoon prohibitief is.

Een batterij heeft nog veel meer nadelen, zoals een beperkte levensduur, maar over die problemen hoef je pas na te denken als hun energiedichtheid in de buurt komt van kerosine.

Toekomst

Mocht de wereld in de toekomst massaal overgaan op kernenergie als vervanging voor fossiele brandstof dan is waterstof waarschijnlijk een betere energiedrager dan batterijen. Ik vermoed zelf dat je dat dan in een gasturbine zou opstoken, want ook een brandstofcel weegt niet niks.

En hybride vliegtuigen dan? Die worden aangekondigd als opstap naar volledig elektrisch vliegen. Dat gaat helaas ook niet werken, maar daar ga ik in een volgend artikel wel op in.

Kleine luchtvaart

Ik vlieg al 25 jaar met elektrisch aangedreven modelvliegtuigen, waarvan de laatste 15 jaar exclusief met lithium batterijen. Voor deze hobby is dat uitermate logisch en handig en ik wil echt niet meer terug naar de stinkende dieseltjes. Maar deze batterijen vormen toch 20% van het totale gewicht van het model, leveren ca 10 minuten vliegplezier en van betalende lading is helaas geen sprake. En ze zijn niet onderworpen aan de strenge doch rechtvaardige regelgeving van de luchtvaartautoriteiten.

In dezelfde sfeer kan je best een licht vliegtuig aandrijven met een elektromotor, maar die blijft dan ernstig beperkte mogelijkheden hebben ten opzichte van een conventioneel aangedreven vliegtuig. En hij heeft dezelfde beperkingen ten aanzien van de beschikbaarheid van groene energie, al zal iemand zo’n operator best wel Certificaten van Oorsprong willen verkopen. Maar in werkelijkheid vliegen ook deze toestellen gewoon op kolen en gas.