Elektrisch vliegen onhaalbaar voor langere afstanden
De laatste jaren ontstaat er steeds meer interesse in het gebruik van elektriciteit als energiebron voor vliegtuigen. Komt ‘duurzaam vliegen’ hiermee binnen bereik? Een zeer ervaren luchtvaartingenieur legt het ons uit.
Foto: Thomas Kelley via Unsplash
Energieverbruik van moderne passagiersvliegtuigen
“Om deze vraag te beantwoorden belicht ik in dit stuk eerst het energieverbruik van moderne passagiersvliegtuigen, ga ik door met een historisch overzicht van de ontwikkeling om uit te komen op elektrisch vliegen.
Zoals duidelijk zal worden, is elektrisch vliegen (helaas) niet met voorstelbare middelen mogelijk, behalve in enkele niches. Uiteindelijk moet dan ook worden geconcludeerd dat de discussie rond elektrisch vliegen danig toe is aan ‘reframing’.
Energiegebruik passagiersvliegtuigen
Vliegtuigen zijn er in alle soorten en maten, met startgewichten variërend van enkele honderden kilogrammen tot enkele honderden tonnen. Verkeersvliegtuigen zijn groot, zeker de toestellen die het leeuwendeel van het luchttransport verzorgen.
Een modern vliegtuig als de Boeing 747-8 heeft een leeggewicht van 215 ton en een maximaal startgewicht (MOTW) van 442 ton. De nuttige lading is doorgaans 20 tot 25 procent van dit laatste. Ik reken hier met 88 ton, vergelijkbaar met 460 passagiers plus vracht. Er gaat voor dit voorbeeld 120 ton brandstof in de tanks.
Hoe ver dit ons nu brengt, doet vooralsnog niet ter zake, maar wel dat de brandstof aan het eind van de vlucht nagenoeg op is. Het gemiddeld gewicht tijdens de vlucht komt daarmee op 215 + 88 + 120 / 2 = 363 ton.
De gemiddeld op te wekken liftkracht is dus gelijk aan 363.000 x 9,81 = 3,561 kilonewton (massa x zwaartekracht). Nu heeft de moderne Boeing 747-8 een glijgetal van 17,7. Dat glijgetal is de verhouding tussen de liftkracht en de luchtweerstand. Delen geeft ons 3.561/17,7 = 201 kilonewton te overwinnen weerstand.
Verder weten we dat dit vliegtuig een kruissnelheid heeft van 912 km/u ofwel 253 meter per seconde. Daaruit kunnen we het vermogen berekenen: dat is immers kracht maal snelheid. We komen dan op 201 x 253 = 50,9 megawatt. Daar komt nog wat extra vermogen bij voor de boordsystemen (elektriciteit, airco), maar dat laten we voor het gemak buiten deze beschouwing.
Kleinere vliegtuigen verbruiken uiteraard minder. Vermogen schaalt met het gewicht bij vergelijkbare snelheid en bij een vergelijkbaar glijgetal. Bij de huidige vliegtuigen liggen snelheid en glijgetal vrij dicht bijeen. Waar het dus op neerkomt is de verhouding tussen leeggewicht, nuttige lading en brandstof. En dat laatste hangt uiteraard sterk af van de gewenste vliegafstand.
Maar hoe je het ook bekijkt: vliegen is bijzonder energie-intensief.
Brandstofverbruik
Het brandstofverbruik is navenant. Kerosine heeft een verbrandingswaarde van 43 megajoule per kilogram. De straalmotoren hebben een rendement van ongeveer 45 procent en genereren per kilogram brandstof dus 43 x 0,45 = 19,4 megajoule voortstuwend vermogen.
Dit betekent dat het vermogen van 50,9 megawatt een brandstofverbruik eist van 50,9 / 19,4 = 2,6 kilogram per seconde. Met de eerder genoemde 120 ton kerosine kan de B747-8 dus 120.000 / 2,6 = 45.800 seconden vliegen. Dat is 12,7 uur ofwel zo’n 11.000 kilometer.
Met de 120 duizend kilo kerosine kan de B747-8 tot 12,7 uur vliegen, of 11.000 kilometer.
Voor deze B747-8 is dat geen ongebruikelijke vluchtduur en -afstand. In de praktijk halen we het niet, want opstijgen en versnellen kost ook brandstof die we vanwege het genoemde rendement niet volledig terugzien door dalen en afremmen. De analyse is dus slechts indicatief.
We kunnen het brandstofverbruik ook uitdrukken in passagier-kilometers per liter. De snelheid van zo’n 250 meter per seconde betekent dat we per kilometer 2,6 x 4 = 10,4 kilogram ofwel 10,4 kg / 0,8 = 13 liter per km nodig hebben (de soortelijke massa van kerosine is 0,8 kg per liter). Met 460 passagiers komen we dan op 460 / 13 = 35 passagier-kilometers per liter.
Rijdt u met 90 km/u op de snelweg in een auto die 1 liter benzine per 17,5 km verbruikt en neemt u een passagier mee, dan komt u op ditzelfde verbruik. Maar de B747-8 gaata wel tien (!) keer zo snel. Dit is een indicatie van de hoge mate van perfectie die moderne vliegtuigen typeert.
Hoe heeft deze technologie zich zover weten te ontwikkelen?
Het eerste straalvliegtuig voor personenvervoer was de De Havilland Comet uit 1958. Als we het energiegebruik hiervan op 100 procent zetten, dan werd de eerste wezenlijke verbetering al snel gerealiseerd: rond 1970, slechts 12 jaar later, vloog men al ongeveer twee keer zo efficiënt.
Dit was vooral te danken aan de komst van de ‘bypass fan’, een sterk verbeterde straalmotor, aan schaalvergroting en aan diverse kleinere verbeteringen. De volgende factor twee in efficiëntie-verbetering is inmiddels ook gerealiseerd. Vliegtuigen als de B747-8 zitten op zo’n 25 procent van het verbruik per passagier van de Comet.
Ontwikkelingssnelheid steeds lager
Die laatste stap duurde echter wel van 1970 tot 2010 om te realiseren, dus pakweg drie keer langer dan de eerste stap. We kunnen dus vaststellen dat moderne vliegtuigen zeer ver zijn doorontwikkeld, overigens niet alleen in termen van energiegebruik, maar ook op het terrein van veiligheid. Feitelijk zijn vliegtuigen dan ook uit-ontwikkeld.
De vertraagde toepassing van nieuwe techniek is verklaarbaar door de hoge kosten ervan en de grote risico’s.
Zelfs een radicaal ander ontwerp, zoals de ‘vliegende vleugel’, brengt slechts een verdere verbetering van ongeveer 20 procent in termen van passagiers-kilometers per liter kerosine. Tegelijkertijd moeten we constateren dat de luchtvaart weliswaar naarstig innoveert, maar dan wel in een laag tempo. Koolstofcomponenten bij voorbeeld zijn al beschikbaar sind het begin van de jaren ’70 om het lege gewicht te verminderen ten opzichte van de gangbare aluminiumsoorten. Toch kwamen ze pas voor het eerst in 2011 in de lucht met de komst van de B787 Dreamliner.
De vertraagde toepassing van nieuwe techniek is verklaarbaar door de hoge kosten ervan en de grote risico’s van dergelijke innovaties.
Elektrisch vliegen
Vooral dankzij de komeetachtige opkomst van Tesla is de batterijtechnologie – in termen van hoeveel energie kan worden opgeslagen in een kg batterij – in relatief korte tijd flink verbeterd. Een moderne lithium-ion batterij, het werkpaard in de wereld van de elektrische auto’s, haalt 0,9 megajoule per kilogram.
Stel dat ‘onze’ B747-8 dit soort batterijen zou gebruiken in plaats van kerosine. We moeten de straalmotoren dan vervangen door elektrisch aangedreven propellers. De snelheid daalt hierdoor van 250 naar 165 meter per seconde omdat propellers praktisch gezien nu eenmaal niet sneller gaan.
Uiteraard zou het hele vliegtuig een herontwerp moeten krijgen, maar dat laten we voor deze eerste schets buiten beschouwing.
Leeggewicht, nuttige lading en glijgetal blijven dus gelijk in deze analyse. Het startgewicht wordt 215 + 88 + 120 = 423 ton en dit blijft gelijk tijdens de hele vlucht. De weerstand is dan 423 x 9.81 / 17,7 = 234 kilonewton, het benodigd vermogen is 234 x 165 = 39 megawatt.
Nu heeft een propeller in het gunstigste geval een rendement van 75 procent. Uitgaande van 100 procent efficiënte elektromotoren wordt er dan dus 39 / 0,75 = 51 megawatt vermogen gevraagd. Dat trekt 51 / 0,9 = 57 kilogram batterijen per seconde leeg.
Met 120 ton batterijen aan boord kunnen we dan dus ruwweg 120.000 / 57 = 2100 seconden vliegen: iets meer dan een half uur.
Met 120 duizend kilo aan batterijen aan boord kunnen we iets meer dan een half uur vliegen.
Beslist niet voor lange afstanden
Deze ruwe schets maakt duidelijk dat elektrisch vliegen weliswaar mogelijk is, maar beslist niet voor lange afstanden. Voor korte vluchten is het wel een optie, zeker als de kruissnelheid flink wordt verlaagd.
Onder meer het Duitse bedrijf Lilium GmbH richt zich op dit segment en verwacht in 2025 een vijfpersoons vliegtuig te kunnen leveren met een actieradius van 300 kilometer.
Voor korte vluchten is elektrisch vliegen wél een optie, zeker als de kruissnelheid flink wordt verlaagd.
Deze technologie kan in principe worden opgeschaald naar grotere vliegtuigen, die omstreeks 2030 hun intrede zouden kunnen maken in de huidige markt voor korte vluchten. Echter, snelheid en bereik, en daarmee de vervoersprestatie, zullen bij lange na niet in de buurt komen van vliegtuigen als de B747-8.
Voor deze 747-8 is ‘hybride aandrijving’ overigens nog een optie voor een incrementele verbetering: onder de naam E-Fan X heeft een consortium onder leiding van Airbus de eerste ontwikkelingen al gestart op dit gebied. Ook hier geldt echter dat lange afstanden buiten beeld blijven.
Weer een andere niche is die van de ‘air taxi’, een quadcopter voor verticaal opstijgen en landen. Hiervoor is elektrische aandrijving veelbelovend, maar dit soort vluchten is volstrekt onvergelijkbaar met bij voorbeeld een transatlantische vlucht.
Reframing noodzakelijk
Met het voorgaande probeer ik duidelijk te maken hoe energie-intensief vliegen eigenlijk is, hoe geperfectioneerd de bestaande technologie al is en dat elektrisch vliegen zich alleen leent voor korte afstanden.
Los daarvan heb ik nog niet gesproken over de kosten van een dergelijke ontwikkeling en de tijd die nodig is voor de verdere ontwikkeling van elektrisch vliegen.
- Wie claimt dat elektrisch vliegen duurzaam is, onderschat niet alleen de stand van de techniek, maar ook de limieten van de fysica.
- In plaats van te stellen dat ‘de techniek het verder wel zal oplossen’, dienen deze mensen zich terdege af te vragen hoe realistisch het is dat de gewenste transitie er komt, en in welke mate.
- De bewijslast ligt bij hen. Zoals Aldous Huxley het fraai verwoordde: “Facts do not cease to exist because they are ignored”. In goed Nederlands: “Feiten verdwijnen niet als ze worden genegeerd”.
De auteur van dit stuk is luchtvaarttechnisch ingenieur. Om privé-redenen ziet deze persoon af van actieve deelname aan de discussie.