Hybride aandrijving voor transportvliegtuigen

Waaróm hybride aandrijving?

In een vorig artikel kon ik uitleggen dat volledig elektrische aandrijving voor luchttransport zinloos is. Immers, overgaan op elektriciteit voor de aandrijving vraagt om een toenemende produktie hiervan, en omdat de wind niet harder gaat waaien, en windparken ook niet sneller aangelegd gaan worden als we luchttransport elektrificeren zal de extra benodigde elektriciteit geheel opgewekt worden door de bronnen die nu ook het gat vullen tussen variabele vraag en variabel aanbod, en dat zijn primair fossiele brandstoffen.

Als je als prinses een prins wilt vinden moet je misschien wel 100 kikkers kussen. Maar het heeft geen zin om één kikker 100 keer te kussen.

Verder is elektrische aandrijving technisch onmogelijk voor luchttransport omdat de daarvoor benodigde batterijen gewoon veel te zwaar zijn. Brandstof vormt 25 tot 50% van het startgewicht van de huidige luchttransportvliegtuigen, en batterijen zijn nu een factor 100 zwaarder dan kerosine voor dezelfde energieinhoud.

Je kan hopen dat dat binnen afzienbare tijd beter wordt, maar daar is geen uitzicht op.  Althans niet in een mate waar je wat aan hebt. Een factor 10 verbetering is namelijk nog lang niet genoeg.

Omdat elektriciteit in veel toekomstbeelden van luchttransport een prominente rol speelt, wordt uitgeweken naar hybride aandrijving: een mengvorm van elektrische en conventionele voortstuwing. Ik ga nu proberen uit te leggen dat de wereld daar ook niet beter van zal worden.

De techniek

We drukken het voortstuwend vermogen van moderne straalturbinemotoren meestal uit in stuwkracht: In Newton als je zuiver in de leer bent, in ponden als je je motor aan een vliegtuigfabrikant of luchtvaartmaatschappij probeert te verkopen. Dat is een lastige maat als je in energietermen denkt. Voor deze discussie is het daarom handiger om je een vliegtuigmotor voor te stellen als een fan of propeller, aangedreven door een gasturbine of een elektromotor of allebei. Dan praat je over aandrijvend vermogen in Watt en dan zijn we qua energie weer op bekend terrein.

Als we een dergelijke aandrijving willen hybridiseren, dus zowel een gasturbine als elektriciteit voor de aandrijving gaan installeren, dan begin je met spullen aan boord te brengen – generatoren, batterijen en regelelectronica- die ook weer vervoerd moeten worden. De hybride begint dus met een achterstand. Een eerste inzicht in de effecten hiervan krijg je als je ziet hoe zo’n vliegtuig dan inelkaar zit. Ik neem als voorbeeld de Zunum ZA10. Dit vliegtuig moet straks ca 1000 kg betalende lading vervoeren met een kruissnelheid van ruim 500 km/uur, en claimt een bereik van 1100 km. Geplande certificatiedatum volgens Wikipedia medio 2020, dat houdt in dat hij qua ontwikkeling nu al klaar zou moeten zijn. Dit project wordt gepushed door o.a. Boeing.

Zo ziet ie er ongeveer uit:

De aandrijving wordt verzorgd door twee ducted fans, zeg maar ventilatoren in een tunnel, elk aangedreven door een elektromotor van 500 kW. Het maximum startvermogen van deze installatie is dus 1000 kW, zeg maar 1300 ouderwetse pk’s. Deze elektromotoren worden gevoed vanuit een set batterijen van 1000 kg – de groene dozen in de vleugels – en vanuit een 500 kW generator aangedreven door een Safran Ardiden 3Z gasturbine gevoed uit een tank in de middenvleugel. Volgens Safran is deze motor bedoeld voor helicopters en kan hij 1000 tot 1500 kW startvermogen leveren. De afname naar de genoemde 500 kW is typisch voor gasturbines op kruishoogte, waar de luchtdichtheid en daarmee de hoeveelheid zuurstof benodigd voor verbranding aanmerkelijk minder is.

De batterij aan boord heeft volgens Zunum 300 kWh capaciteit (ter vergelijk: 22 Tesla Powerwalls) en je kan simpel uitrekenen dat deze de gevraagde 1000 kW motorvermogen (de Powerwalls gaan maar tot 150 kW) voor een periode van 0.3 uur kan leveren. Dat is 18 minuten, maar als je prijs stelt op enige levensduur zou ik stoppen bij 12. Dat is genoeg om op te stijgen en een stukje te klimmen. De fossiele brandstof aan boord moet er voor zorgen dat je ook ergens heen kan vliegen, en kan landen met nog voldoende energie aan boord om aan de wettelijke eisen ten aanzien van reserves te voldoen.

Ik vermoed dat de bedoeling is dat de gasturbine al op de grond gestart wordt en continu 500 kW levert; het maximum wat de generator aan kan en waarschijnlijk ook een redelijke limiet voor de gasturbine zelf op kruishoogte. Daarvan komt pakkembeet 400 kW aan bij de ducted fans als je transmissieverliezen in rekening brengt. De batterij levert de resterende 600 kW in de start en de bijdrage hiervan zal geleidelijk aan afnemen omdat in de kruisvlucht veel minder vermogen nodig is.

Even terzijde: dat ik bovenstaande gegevens van Zunum gebruik wil niet zeggen dat ik geloof dat ze waar of haalbaar zijn, maar dat is een andere discussie.

De vraag is nu of dit concept inderdaad een doorbraak kan leveren in het luchttransportsysteem. De simpelste manier om daar achter te komen is om hem te vergelijken met een bestaand vliegtuig in dit transportsegment. Ik neem daarvoor de Pilatus PC12. Vergelijkbaar in grootte, kruissnelheid en betalende lading en daarmee – afgezien van de stekker van de Zunum – vergelijkbaar in economische waarde over kortere afstanden.

Een klassieker: van de PC12 zijn er al 1500 gebouwd.

De Pilatus PC12is zo’n beetje de standaard voor kleine transportvliegtuigen. Er zijn er sinds 1994 al 1500 van gebouwd en hij is nog steeds in produktie. De brochure claimt ruimte voor een toilet en passagiersbagage, die kan ik in de Zunum plaat nog niet vinden. Verder lijkt de binnenruimte vergelijkbaar.

De PC12 wordt aangedreven door de bekende P&W PT6 gasturbinemotor met in deze uitvoering bijna 900 kW startvermogen. Wat kleiner en lichter dan de gasturbine in de Zunum ZA10. De PC12 is eigenlijk een supersimpel vliegtuig: één gasturbinemotor met een propeller en een conventioneel casco.

De vergelijking

Ik heb de hoofdgegevens van beide toestellen voorzover ik die kan vinden in de brochures van de fabrikanten en Wikipedia even op een rijtje gezet:

Pilatus PC12 Zunum Za10
Maximum Startgewicht (kg)
Startvermogen gasturbine (kW)
Leeggewicht (ZA10 ex batterijen)
Batterijmassa (kg)
Maximum brandstof (kg)
Maximum betalende lading (kg)
lengte (m)
Spanwijdte (m)
max kruishoogte (m)
Max kruissnelheid (km/hr)
Max vliegbereik (km)		 4740
895
2819
0
1226
1024
14.4
16.3
9144
529
3417		 5200
>1000
2685
1034
363
1134
13
16
7620
549
1127

Het hierboven gegeven startvermogen voor de Zunum motor is wat de hardware kan leveren. Zunum beperkt de output van de motor kennelijk tot wat de generator aan kan.

De PC 12 is dus vergelijkbaar in afmetingen, betalende lading en kruissnelheid/kruishoogte, en aanzienlijk beter in vliegbereik. Het geïnstalleerde startvermogen van de PC12 is ca 10% lager, en dat strookt wel met het maximum startgewicht. Een verdere vergelijking is op basis van deze getallen niet goed mogelijk, omdat een deel van de aandrijfenergie van de Zunum uit de batterij komt.

Het is al wel duidelijk dat de Zunum eigenlijk niks bijzonders is in termen van transportprestaties, en de claim van Zunum dat dit een nieuw transportsysteem mogelijk zal maken lijkt dus wat hoog gegrepen. Ook geeft het vermogen van de geinstalleerde gasturbine al aan dat we ook niet praten over een superefficiënt vliegtuigje.

Maar het basisidee van Zunum is om energie in de vorm van elektriciteit te tanken en daarmee fossiele brandstof uit te sparen. Los van de zin daarvan is de vraag of dat op deze manier inderdaad kan werken. Ik heb dat even uitgerekend (zie kader) en het antwoord is dat daar helaas geen sprake van kan zijn. De Zunum verbruikt naast de getankte elektriciteit méér fossiele brandstof voor eenzelfde missie dan een technologisch vergelijkbaar conventioneel vliegtuig. De oorzaken hiervan zijn:

  • De aandrijving wordt aanzienlijk zwaarder: een generator of elektromotor is per geleverde of verbruikte kW even zwaar als de gasturbine alleen
  • De batterij levert een half uurtje een deel van de benodigde energie, maar wordt de hele vlucht meegesleept en zorgt daardoor voor een hoger brandstofverbruik
  • Transmissieverliezen tussen de gasturbine en de ducted fans belopen ca 20%. De gasturbine verbruikt in deze uitvoering dus 20% meer brandstof in vergelijking met een direkte aandrijving.

Dus waar zit nu de beloofde economische en “ecologische” winst van de hybride aandrijving? Hij wordt duurder in aanschaf, in gebruik en in onderhoud. En, als je daar nog zorgen over hebt, hij gaat ook veel meer CO2 uitstoten zowel in het direkte gebruik als voor de produktie van de benodigde elektriciteit. En voor de fabricage van een aantal extra setjes batterijen, want die moeten volgens Zunum regelmatig vervangen worden. Het vliegbereik is beperkt. Als je dus toevallig in de markt bent voor een 9 stoels commutervliegtuig adviseer ik om gewoon een vloot PC12jes aan te schaffen.

Is de Zunum ZA10 nu nergens beter dan onze F versie? Ik vind niets opvallend. De gasturbine draait op relatief laag vermogen in de start, dat scheelt onderhoudskosten, maar hij is 50% groter dan feitelijk nodig is en dat maakt het onderhoud weer duurder. De ducted fans zouden stiller kunnen zijn dan een propeller, maar is dat wat waard? De PC12 voldoet bijzonder ruim aan de geluidseisen van EASA en kan dus praktisch overal opereren. Deze Zunum F zou hier nog een stuk onder kunnen blijven omdat hij zoveel lichter uit zou komen.

Samenvatting

Ik heb hier één specifieke uitvoering van een hybride aandrijving geanalyseerd, waarbij feitelijk geprobeerd wordt om fossiele brandstof aan boord te vervangen door op de grond getankte elektriciteit. Dat kan wel subtieler dan Zunum hier probeert, maar in de kern blijft het probleem dat alle energie die je in batterijvorm meevoert meer energie kost om te transporteren dan je er in op kan slaan.

Een andere weg, geen batterij aan boord maar wel elektrische transmissie om bijvoorbeeld distributed propulsion mogelijk te maken, begint met het intrinsieke verlies van elektrische vermogenstransmissie. De al eerder genoemde 20%. Verder voeg je serieus massa toe in de vorm van generatoren, elektromotoren, regelsystemen en bekabeling. De kans dat je netto significant winst gaat boeken is mijns inziens verwaarloosbaar.

En wat hebben die kikkers er nu mee te maken? Dat slaat op het feit dat goede ideeën ook toegepast worden, en daarmee voor iedereen zichtbaar zijn. Mobieltjes bijvoorbeeld. En rolkoffers. De kikker verandert in een prins. Maar de slechte ideeën, de gekuste kikkers die niet in prinsen veranderen, blijven wachten op de volgende zoen, van de volgende prinses. Ik reken elektrische aandrijving van transportvliegtuigen, of het nu direkt of hybride is, tot deze categorie.

De F-variant: laat de batterijen maar thuis

Om deze discussie helder te houden verbouw ik de Zunum ZA10 tot een PC12 configuratie. Daarmee houd ik de technologie van de gastubine en het airframe onveranderd. Bovendien vermijd ik dan twijfels over prestatieclaims, die voor dergelijke baanbrekende projecten nog wel eens wat overmoedig zijn. Ik doe dus net of ik de claims van Zunum geloof.

Hierbij dus, speciaal voor de lezers van de Groene rekenkamer, de Zunum F (Fossiel).

Ik neem het airframe van de Zunum ZA10 en dezelfde Safran Ardiden3 gasturbine. Ik plaats de motor in de neus en laat hem een propeller aandrijven, zoals bij de PC12. We verwijderen:

  • 2 elektromotoren van 500 kW elk. Deze motoren wegen ongeveer 200 kg samen. Neem nog zoiets voor de gondels en de fans. Noem dit 400 kg totaal.
  • De 500 kW generator op de Safran gasturbine kan ook weg, scheelt ca 100 kg.
  • Bekabeling en regelelektronica, geen idee hoe zwaar dat is, maar niet verwaarloosbaar.
  • En, volgens Wikipedia, 1034 kg aan batterijen. Ik neem aan dat hier nog wel een kastje of zo omheen zit, en ventilatie, zekeringen, brandbeveiliging en dergelijke, en in het vliegtuig zit vast ook nog spul om dit allemaal aan vast te maken. Kan er allemaal uit.

Ik moet nog wel een propeller toevoegen, maar die laat ik even wegvallen in de ruis van andere onzekerheden, zoals een lichter onderstel en kleinere vleugels. Het vliegtuig wordt nu dus minstens 1500 kg lichter, en gaat daarmee naar 3700 kg startgewicht in plaats van 5200. Dat is 1000 kg lichter dan het maximum beladen gewicht van de Pilatus PC12.

De Safran Ardiden 3Z is nu te groot: hij kan volgens de fabrikant meer dan 1000 kW in de start leveren. En onze Zunum F heeft vanwege het lagere gewicht natuurlijk minder vermogen nodig. Schalen met het startgewicht als eerste schot geeft aan dat de motor 30% kleiner mag worden, zeg 700 kW, en dan wordt hij ook 30% lichter en verbruikt uiteraard ook 30% minder brandstof.

Hiermee zijn we er nog niet: als je een gasturbine via elektriciteit een fan aan laat drijven dan krijg je serieuze transmissieverliezen: Moderne elektromotoren/generatoren halen 95% rendement, en dat betekent 10% verlies in de generator en de elektromotoren samen. Je raakt nog eens 10% kwijt in omvorming en transport van de elektriciteit van bron naar bestemming. Een recent project waar ik aan meegedaan heb ging uit van ruim 20% verlies voor een conventionele elektrische transmissie, en hoopte dat via high tech/supergeleiding te beperken tot 15%.

Deze Zunum F heeft nu natuurlijk geen andere energie aan boord dan kerosine, en ik wil dat hij dezelfde missie kan vliegen als de Zunum ZA10. Kennelijk is dat goed genoeg voor de beoogde markt. De vraag is dus hoeveel kilo brandstof daarvoor nodig is.

Ik begin met de opgegeven brandstofmassa van de Zunum, 363 kg. Ik heb 20% minder nodig voor eenzelfde prestatie als de motor zonder tussenkomst van elektriek een propeller aandrijft, dus 300 kg. Ik heb nog eens 30% minder nodig als het vliegtuig de batterijen en de elektrische aandrijftrein niet hoeft te vervoeren. Rond ik af tot 200 kg benodigd.

Maar de energie van de batterij is nu niet beschikbaar. Hoe verantwoorden we dat? Simpel. Volgens Zunum heeft hun batterij een energieinhoud van 300 kWh. 1 kg kerosine heeft effectief ca 5 kWh energieinhoud, uitgedrukt in asvermogen als je het opbrandt in een efficiente gasturbine, dus deze 1000 kg batterij is qua energieinhoud gelijkwaardig aan zeg 60 kg kerosine.

Het duurde even, maar nu kunnen we het totaal energieverbruik vergelijken: De Zunum ZA10 heeft max 363 kg brandstof aan boord, plus 60 kg equivalent in de batterij. Onze Zunum F heeft voor dezelfde prestatie 200 kg brandstof nodig, plus 60 kg om de batterijenergie te vervangen. Is samen 260 kg. Onze Zunum F heeft dus  100 kg minder fossiele brandstof aan boord voor dezelfde vervoersprestatie als de ZA10 en hoeft geen elektriciteit te tanken. Batterijen hoeven niet 2 x per jaar vervangen te worden. Het aantal onderdelen is aanzienlijk minder, dat scheelt in onderhoudskosten en maakkosten. En er is meer ruimte aan boord voor betalende lading.

Ik adviseer Zunum om de ZA10 te dumpen en in plaats daarvan de Zunum F te ontwikkelen.

views: 249