Elektrische motoren zijn groen, efficiënt en betrouwbaar. Helaas zijn zelfs de beste batterijen nog te zwaar om passagierstoestellen de lucht in te krijgen. Experts richten hun hoop op hybride varianten.
Op een dag vervangen elektrische auto’s op groene stroom de benzineslurpende, CO2 uitbrakende mobielen waarmee we vandaag rondrijden. Die schone alternatieven worden steeds betaalbaarder. En sommige landen hebben al een datum geprikt waarop benzinemotoren niet meer de weg op mogen.
De NASA werkt aan een batterij die evenveel energie kan leveren als kerosine
Voor de luchtvaart oogt de toekomst minder rooskleurig. Vandaag is het vliegverkeer verantwoordelijk voor 2 tot 3 procent van alle door mensen veroorzaakte CO2-emissies. Dat percentage zal alleen maar stijgen: elk jaar neemt het vliegverkeer met 7 procent toe. Het Verdrag van Parijs legt het luchtverkeer geen strobreed in de weg. Dat vliegtuigen steeds efficiënter brandstof gebruiken, is niet voldoende om de weegschaal naar de andere kant te doen doorslaan. Duurzaam vliegen bestaat niet, zo bleek eerder al.
Enkele organisaties timmeren aan de weg. De Europese Commissie wil dat vliegtuigen die in 2050 gemaakt worden 75 procent minder CO2 uitstoten en 65 procent minder lawaai maken dan de toestellen die in 2000 uit de fabrieken van Airbus en Boeing rolden. En de International Civil Aviation Organization (ICAO) eist dat de totale emissies van het luchtverkeer na 2027 niet meer groeien. Dan nog is de vraag: hoe kunnen die emissies naar beneden?
Energie
Eén optie ligt voor de hand: elektrische vliegtuigen. Bedrijven maken nu al kleine toestellen – één- en tweezitters – die aangedreven worden met een elektrische motor.
Laten we maar gelijk het grootste obstakel benoemen: het gewicht. Zelfs de meest geavanceerde lithium-ionbatterijen die per kilo de meeste energie leveren, zijn nog veel te zwaar om een klein passagiersvliegtuig van de grond te krijgen. Een lithium-ionbatterij levert immers zestig keer minder energie dan een corresponderende hoeveelheid kerosine. Er is een verzachtende omstandigheid: een elektrische motor is drie keer efficiënter dan een brandstofmotor. Maar dan nog heb je twintig kilo batterijen nodig om evenveel energie te leveren als een kilo kerosine.
Bedenk even dat gewicht een cruciale factor is bij het ontwerpen van een vliegtuig. Voor bedrijven worden batterijen pas echt een reële optie wanneer die per kilo twintig keer zoveel energie kunnen leveren. Dat lijkt op chemisch vlak vrijwel onmogelijk.
Joris Melkert, docent lucht- en ruimtevaarttechniek aan de Technische Universiteit Delft, signaleert nog een probleem om passagiersvliegtuigen elektrisch te laten vliegen. ‘Bij grote elektrische toestellen heb je een vermogen nodig van meerdere megawatts. Dat betekent dat je moet werken met een voltage van op zijn minst enkele kilovolts. Bij dergelijke voltages ontstaan er elektrische velden rondom de kabels die kunnen interfereren met communicatie- en navigatiesystemen.’ Experts weten volgens Melkert nog niet hoe ze dat kunnen oplossen.
Als elektrische vliegtuigen er dan uiteindelijk komen, zullen ze het op snelheid moeten afleggen tegen hun grote neven. Want die zijn uitgerust met straalmotoren. ‘Bij een straalmotor maken we door het verbranden van een brandstof een hete gasstroom. Die wordt achter uit de motor geperst’, zegt Melkert. ‘Elektriciteit gebruiken om een gas op te warmen, is erg inefficiënt. Daarom blijft een elektrisch vliegtuig aangewezen op propellers.’ Die worden steeds beter, maar ze zullen nooit dezelfde voortstuwingskracht leveren als straalmotoren.
Klein beginnen
Ondanks alle technologische drempels investeren pioniers flink wat geld in elektrisch vliegen. Ze mikken vooral op kleine toestellen die opereren met lage voltages. Een mooi voorbeeld van de eerste generatie elektrische vliegtuigen is de Alpha Electro. Deze volledig elektrische tweezitter is gebouwd door het Sloveense bedrijf Pipistrel, dat ervoor samenwerkte met het Duitse Siemens. De Alpha Electro heeft een elektromotor van 50 kilowatt en 126 kilo lithium-ionpolymeerbatterijen aan boord. Met één propeller haalt hij een maximale snelheid van 194 km/u. Hij kan een uur in de lucht blijven. Daarna heeft hij een uur nodig om weer bij te laden.
Siemens heeft inmiddels een huzarenstukje geleverd met de ontwikkeling van een nieuwe elektrische motor. Met een gewicht van amper 50 kilo is hij superlicht. Toch levert hij een continue output van 260 kilowatt – vijf keer meer dan de doorsnee elektrische motor. Met de technologie aan boord kon de Extra 330LE een nieuw wereldsnelheidsrecord voor elektrisch vliegen neerzetten. In maart 2017 haalde het toestel een topsnelheid van 340 km/u.
De Solar Impulse 2 mag niet onvermeld blijven. Dit volledig elektrisch vliegtuig vloog in 2016 eenmaal rond de aarde op zonne-energie. Om ruimte te bieden aan 17.000 zonnecellen, waren de vleugels langer dan die van een Boeing 747. In totaal woog het toestel 2,3 ton. Een kwart van dat gewicht ging naar de batterijen aan boord, die overdag de stroom opsloegen om ’s nachts mee te vliegen. De gemiddelde snelheid bedroeg zo’n 50 km/u.
In een hybride dienen de accu’s voor wanneer je een extra zetje nodig hebt, zoals bij het opstijgen
Al deze voorbeelden tonen de compromissen die met elektrisch vliegen gepaard gaan. De toestellen moeten superlichte constructies hebben, vliegen aan lage snelheden en zijn gebonden tot korte afstanden. Ontwikkelaars blijven hopen op een doorbraak in batterijtechnologie die de deuren naar elektrisch vliegen wagenwijd openzet. Zolang dat niet gebeurt, staan elektrische toestellen voor soortgelijke uitdagingen.
Van Frankrijk naar Engeland
De praktische mogelijkheden van zulke vliegtuigjes mogen beperkt zijn, ze vormen wel ideale laboratoria om uit te vinden hoe een elektrische aandrijving in het vliegconcept geïntegreerd kan worden. Elektrisch vliegen vraagt namelijk veel meer dan kerosine vervangen door batterijen en de straalmotor door een elektrisch aangedreven propeller. Zo moeten ontwerpers noodzakelijk superlichte materialen gebruiken, zoals koolstofcomposieten.
De X-57 Maxwell, een elektrisch vliegtuigje van de Amerikaanse ruimtevaartorganisatie NASA, maakt duidelijk hoezeer een elektrisch concept om aanpassingen vraagt. Aan de vleugels zitten twaalf kleine propellers die de luchtstroom over de vleugel versnellen. Elke propeller is aangedreven door een bescheiden elektrische motor. Ze geven de X-57 de lift om aan een lage snelheid op te stijgen en te dalen op korte banen. Door het vermogen over meerdere kleine motoren te verdelen, kon de NASA energie besparen. Het batterijpakket weegt 375 kilo.
In de lucht vouwen de propellers van de X-57 zichzelf op in een aerodynamische positie. Twee grotere, elektrisch aangedreven propellers aan de vleugeluiteinden leveren de voortstuwing. Die extreme positie vermindert de luchtwrijving die doorgaans ontstaat door de vortex rondom de vleugeluiteinden. Dat zorgt opnieuw voor een energiebesparing. De twee propellers aan de uiteinden is een innovatie die uitsluitend werkt bij elektrische vliegtuigen. Conventionele straalmotoren zijn veel te zwaar om aan het uiterste einde van de vleugels te positioneren.
De NASA steekt ook veel geld in een nieuw type batterij. Die zou een enorm hoge energiedichtheid hebben, wat haar zeer geschikt zou maken voor vliegtuigen. ‘Als we erin slagen om een lithiumluchtbatterij te maken, dan hebben we een batterij die in combinatie met een elektrische motor per kilo bijna net zoveel energie kan leveren als een kilo kerosine’, zegt batterijexpert Venkat Visnawathan, die betrokken is bij het onderzoek van de NASA.
De lithiumluchtbatterij is vandaag nog in ontwikkeling. Ze kan erg licht zijn, omdat de zuurstof die nodig is voor de chemische reactie gewoon uit de lucht wordt gehaald. Als de batterij er komt, kan ze ook ideaal zijn voor in een elektrische auto.
Ook Airbus experimenteerde al op elektrisch vliegen. Een paar jaar geleden ontwikkelde de Franse vliegtuigbouwer de E-Fan. Het vliegtuigje is uitgerust met twee propellers en evenveel elektrische motoren, die samen 60 kilowatt leveren. Het publicitaire hoogtepunt kwam toen het toestel het Kanaal tussen Frankrijk en Engeland overstak, met een topsnelheid van bijna 220 km/u. Toch ziet Airbus voorlopig af van een volledig elektrisch vliegtuig. In 2017 schrapte het bedrijf het plan om de E-Fan in productie te nemen. In de plaats wil het zich toeleggen op de ontwikkeling van vliegtuigen met een hybride aandrijving.
Hybride aandrijvingen
De auto-industrie bleek lange tijd niet bij machte om de stap van de benzinemotor naar een elektrische auto te zetten. Dat kwam vooral omdat EV’s (Electric Vehicles) al na betrekkelijk korte afstanden lang moesten opladen. De schuldige was ook hier de beperkte energiedichtheid van de batterijen. Toyota’s tussenoplossing, de hybride aandrijving, bleek wel een daverend succes. De Prius, die voor het eerst op de weg verscheen in 1997, heeft naast een elektrische motor ook een kleine benzinemotor. Die springt bij voor de aandrijving en kan onderweg via een generator de batterijen opladen.
Op dezelfde manier denken de meeste experts dat een hybride aandrijving in de luchtvaart een logische volgende stap is. Melkert: ‘In een hybride aandrijving kan je een brandstofmotor heel efficiënt laten draaien. Zo’n motor wordt nu nog afgesteld op het vermogen dat hij moet leveren bij de start. In een hybride aandrijving gebruik je de accu’s voor die momenten dat je een extra zetje nodig hebt, zoals bij het opstijgen.’ In de praktijk betekent dat dat je kan volstaan met een kleine brandstofmotor die veel minder vermogen levert en daardoor veel zuiniger opereert.
De meest ambitieuze plannen voor een hybride vliegtuig komen van Zunum Aero, een Amerikaans bedrijf dat financiële steun ontvangt van Boeing en JetBlue. CEO Assisi Kumar wil al in 2020 een vlucht maken met een prototype voor een hybride elektrisch vliegtuig. Het toestel kan tien tot vijftig passagiers transporteren over een afstand van 1.000 kilometer. Elektrische motoren zullen vooral bij het opstijgen hun volle vermogen leveren. Eenmaal op kruishoogte kan een conventionele motor een generator aanjagen die de batterijen oplaadt. Net als bij de Toyota Prius.
Kumar is zeer optimistisch over de besparingen die zo’n model oplevert. Hij voorspelt dat Zunums toestel op korte routes 80 procent minder CO2 zal uitstoten dan een vergelijkbaar toestel met een conventionele aandrijving. Wanneer de elektriciteitsprijs laag is, kunnen korteafstandsvluchten volgens Kumar zelfs 40 tot 80 procent goedkoper. Een aangenaam surplus is dat het vliegtuig erg weinig lawaai produceert bij het opstijgen en landen.
Het is niet duidelijk welk type batterijen Zunum wil gebruiken. Volgens de technologiewebsite Ars Technica volgt het bedrijf een agnostische strategie. Dat impliceert dat de elektrische motoren en andere elektrische systemen aan boord eenvoudig aangepast kunnen worden aan nieuwe ontwikkelingen op het gebied van batterijtechnologie. Ingenieurs zullen verouderde batterijen makkelijk kunnen vervangen door alternatieven met een hogere energiedichtheid.
Dus hoe lang nog voordat we vanuit Brussel en Amsterdam met zeventig andere passagiers naar Rhodos of Tenerife vliegen in een elektrisch of hybride toestel? Lang, denkt Melkert. ‘Elektrisch vliegen zit eraan te komen, maar verwacht het nog niet bij de volgende generatie vliegtuigen.’
De modellen die Boeing en Airbus momenteel ontwikkelen, hebben volgens Melkert geen elektrische of hybride aandrijving. ‘De orderportefeuilles van deze bedrijven zijn tot de nok gevuld. Ze hebben geen enkele behoefte om iets nieuws te doen’, zegt Melkert. ‘Boeing en Airbus willen gewoon geld verdienen met de producten die ze hebben.’
Melkert verwacht over tien jaar een eerste prototype te zien van een middelgroot vliegtuig met hybride aandrijving. Al kan het daarna nog flink wat jaren duren voordat zo’n toestel in productie komt.
