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:
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.
Een verhelderend betoog waar voorlopig geen speld tussen te krijgen is. Groen Links en D’66 kunnen nu verantwoord stoppen met luchtfietserij. Waarom lees je zo’n helder stuk nou nooit eens in de Volkskrant of NRC.
O ja, feiten….
Uitstekend en duidelijk verhaal ?
En fijn artikel zeg! Ik kan het niet narekenen, maar vertrouw op de bronnen van de auteur.
Omdat de media en klimaat tafels en de politiek geen wetenschappers en bedrijven hebben toegelaten bij deze klimaat tafels: ekectroliserd
maken de toekomst uit; uit water!! H2 draagt dut
Naar een PEM membraan en hup je hebt genoeg electriciteits alleen Shell de NL staat heeft hier niks aan….. vandaar?
Lieve lezeres en lezer!
Heel die politiek ongein, die in “Britain exits Europe”” -soape haar klimax heeft gevonden, wordt veroorzaakt doordat ene Nietsche, dia al 100 jaar op een wolk harp speelt voor zijn dooie godje, velen onder ons heeft doen geloven, dat de politiek ons heil kan brengen. Helaas onze nieuwbakken veel-kleurige clerus zit vanwege onvoldoende scholing dus veel te hoog te paard..en ook nog eens door hun veel te grote broek, destijds was de string door de stringente voorwaarden onbekend, ook hartstikke scheef op hun paard. Maar zij hebben toch raadgevers..maar u, gewoon geschoolde geestelik kerngeonzde Hollander, toch 95 % van de Nederlandse kiezer..want zjjn wij niet het braafste jongetje van klas??raadt het al: “De raadgever raadt de raadvrager, dát wat de raadvrager geraden wil hebben en dat is haar geraden ook, want anders verliest hij zijn mooie baantje..toch?
Baudet heeft goed begrepen, dat wij kiezers , 95 % dus, denkende wezens zijn, die niet dat gaan doen wat het voorlichtende zweepje ons voorklapt, onder het motto: eerst zien dan geloven! Bedenk verder, dat de meeste “wetenschappers”aan titelfetisjisme lijden”een kwart van de inhoud van “wetenschappelijke”artikelen bestaat titel leuter. Vroeger stond achter een noot onder aan het artikel een enkele opmerking over de schrijver. Laat je niet in de hoek drukken door het motto: “Hij/Zij heeft er voor geleerd, het mocht wat! De meeste curricula zijn flinterdun en nanokort.met zo weinig achtergrond kun je nooit innovatief en dynamisch denken. Voeg daarbij, dat politici meer oog hebbeb voor hun eigen pl;itieke geluk dan voor ons geluk, waarvan zij alleen maar zeggen, dat zij daar aandacht voor hebben.
Veel gegevens, die in een artikel genoemd worden zijn op het internet te vinden..ongecensureerd! en laat nooit voor je denken, wat alle politici feitelijk wel willen. Denk er het jouwe van! Met vriendelijke, maar onafhankelijke groeten, O.P.Wolters Veel Van Veel Weter (VVVW>>dus geen UWV!).
Het zijn die laatste vijf regels van bovenstaand artikel. Als we niet snel alsnog over te stappen op kernenergie (eerst kernsplijting, bij voorkeur snelle kweek, en zo snel als mogelijk kernfusie, als dat gaat lukken) zullen we het klimaat niet redden – voor zover dat nu nog kan. Tot nu toe heeft de fossiele energielobby met succes een angstpsychose weten te bouwen rond kernenergie. Als je alles optelt heeft alleen Tchernobyl een ernstig ongeluk opgeleverd. En dat was een inherent onveilige centrale, een oer-oud systeem dat nergens meer wordt toegepast (hoop ik). Zelfs Fukushima heeft de facto geen noemenswaardige schade opgeleverd. En daar zijn bouwkundige tekortkomingen er oorzaak van dat het fout ging. Maar met fossiele brandstoffen zijn helaas enorme geo-politieke belangen gemoeid: Amerika, Rusland. Iran, Lybië, Saoedie-Arabië, Argentinië, Noorwegen en nog zo een handvol landen zijn van olie-en gasinkomsten afhankelijk en willen graag die 90 miljoen vaten – met stip!- per dag blijven verkopen, dacht u niet? Je kunt op de achterkant van een bierviltje uitrekenen dat we er met zonne-en windenergie nooit komen. En bio-energie moeten we maar zo snel mogelijk vergeten: we verbruiken al meer fossiele energie als er in het verleden in één miljoen jaar is opgeslagen, ervan uitgaande dat er grofweg drie- tot vierhonderd miljoen jaar voor nodig is geweest om de totale voorraad te vormen.
Een goed overzichtelijk artikel. Maar ontwikkelingen gaan misschien sneller dan je denkt, zeker in bepaalde niche markets. Langeafstand vluchten met 100 of meer passagiers , dat zal nog wel een hele tijd duren, if ever (elektrisch).
Zie ook het artikel over Eviation aircraft van 22 april 2019 in de flight.
https://www.flightglobal.com/news/articles/magnix-to-supply-eviation-alice-motors-as-all-electr-457593/
Dank je wel Evert, voor je moeite om jouw verhaal voor het voetlicht te brengen..
“zullen we het klimaat niet redden – voor zover dat nu nog kan. ”
Het klimaat hoeft niet gered te worden, er is namelijk niets mis mee.
Airbus is al heel lang bezig is met een aandrijflijn op waterstof dmv een brandstofcel. Deze is voor de lange afstanden. Online is helaas beperkte info te vinden:
http://figures-of-speech.com/2018/04/fuel-cell.htm
Ik heb even terug nog een bevlogen verhaal van de voortgang van deze techniek van de hoofd ontwikkeling gehoord, die was “to put it mildly” iets positiever dan de schrijver van dit artikel.
Gelet op de bijzonder lage kosten van renewable energie per kWh die we in de komende jaren gaan zien (tot wel <2 dollarcent per kWh voor zowel wind als PV) is het een kwestie van tijd eer dat we elektrisch vliegen. Gelet op de hoge bijdrage van brandstof in de running costs gecombineerd met potentieel lager geluid is het een kwestie van wachten tot Airbus of een concurrent deze techniek uitbrengt en een pionier in kort tijd een significant marktaandeel neemt.
Ook maar een mening, dat is waar, maar wel gebaseerd op informatie van een vliegtuigbouwer + common sense.
Tot zover de positieve voetnoot :-)
Enthousiasme is geen substituut voor getalsmatige zakelijkheid.
Daar waar “lage kosten” optreden, duidt dat op een minderwaardig danwel waardeloos product. Daar komt van alles bij als verstoring aan subsidiëring, maar de hoge kosten van ‘duurzame’ transitie duiden op een heel ander plaatje qua systeemkosten.
Ten aanzien van de vliegende toepassing, is de portee van het artikel van Jesse dat het gaat om specifiek gewicht van motoren en brandstof samen. Daar zitten ordegroottes verschil in met een bereik waarin het echt interessant wordt. Ook over geluid zijn treffende constateringen gedaan. Misschien het artikel nog een tweede keer lezen?
Auteur Evert Jesse is, evenals ikzelf, ook vliegtuigbouwkundig ingenieur. Voorheen werkzaam bij Fokker op de voorontwerpafdeling.
Geachte heer Wentzel, uw reactie gaat niet in op de inhoud van mijn reactie. Misschien dat u in het artikel de “treffende constatering over het geluid” zou kunnen arceren, veel meer dan één zin in de inleiding kon ik er niet over vinden na een 2e.keer lezen.