De toekomst van elektrisch vliegen
Hoe gaan we in 2050 op vakantie? Stappen we met zelfrijdende rolkoffers in een drone-achtige taxi, die ons bij de dichtstbijzijnde luchthaven afzet om over te stappen op een elektrisch vliegtuig dat ons naar een zonnige bestemming vervoert? Of gaan we met een eigen elektrisch vliegende auto naar Frankrijk en stijgen we even buiten de stad op vanaf een speciale startstrook op de snelweg?
Niemand kan met zekerheid de toekomst voorspellen. Maar dromen staat natuurlijk vrij, zeker over vakantiereizen. Feit is dat de eerste experimentele elektrische vliegtuigen er al zijn en dat elektrisch of hybride vliegen zeker gaat komen. Toch zal het nog wel even duren voordat we massaal met elektrische vliegtuigen op vakantie kunnen, zo verwacht Joris Melkert, docent lucht- en ruimtevaart- techniek aan de Technische Universiteit Delft.
“Niet bij de komende generatie vliegtuigen, maar bij de generatie daarna zullen er hybride vliegtuigen zijn die met honderd passagiers vijfhonderd en misschien wel duizend kilometer kunnen overbruggen. Volledig elektrisch vliegen kan voorlopig alleen met kleine vliegtuigen van vier tot zes personen, die nu nog in de testfase verkeren”, zegt Melkert. Een elektrisch vliegende auto sluit hij daarnaast niet uit. “Ik denk alleen niet dat die mainstream zal worden.”
Minpunt
Reizen per vliegtuig is ideaal. Enige minpunt is dat het bijdraagt aan het smelten van de poolkappen, zij het nog bescheiden. Melkert: “De luchtvaart neemt twee à drie procent van de totale CO2-uitstoot in de wereld voor zijn rekening. Dat aandeel groeit echter snel, omdat de luchtvaart een op een groeit met de welvaart.
Andere sectoren van de economie groeien ook, maar slagen er beter in de CO2-uitstoot te beperken. Naarmate mensen, waar ook ter wereld, meer geld verdienen, willen ze over grotere afstanden reizen. Daardoor groeit de luchtvaart met vijf tot zeven procent per jaar, crisis of geen crisis, met als gevolg dat de luchtvloot in 2030 tweemaal zo groot zal zijn als nu en in 2050 viermaal zo groot.
De uitstoot groeit vrijwel in hetzelfde tempo. Om die te kunnen beperken, moeten er goede internationale afspraken komen. De luchtvaart is echter uitgezonderd van het Verdrag van Parijs. Wel streeft de Internationale Burgerluchtvaartorganisatie (ICAO, International Civil Aviation Organization/red) naar een nulgroei van de emissies na 2027. We staan al met al voor een grote uitdaging.”
Emissies
Volgens Melkert zijn er voorlopig vier manieren om de emissies van de luchtvaart te beperken: vlootvernieuwing, andere brandstoffen, hybride vliegen en elektrisch vliegen. Nieuwe vliegtuigen zijn twintig procent zuiniger dan hun voorgangers en stoten navenant minder CO2 uit.
Zo heeft KLM de Fokker 70 vervangen door de Embraer 170 en 190, en stappen diverse luchtvaartmaatschappijen van de Boeing 747 over op de Dreamliner van Boeing of de Airbus A380. “Maar door de groei van de luchtvaart is de emissiereductie al na 3,5 jaar tenietgedaan”, zo schetst Melkert het probleem. “Daar komt nog bij dat de oude toestellen niet meteen naar de sloop gaan, maar dienst blijven doen in Afrika, Zuid-Amerika of Australië.”
De emissies kunnen verder omlaag met andere brandstoffen. “Eigenlijk is kerosine fantastisch spul, want er gaat heel veel energie in een kilo kerosine”, stelt Melkert. “In een kilo waterstof gaat weliswaar drie keer zoveel energie, maar dat is een gas. Om er voldoende van te kunnen meenemen moet je het vloeibaar maken. Dat zou betekenen, dat je alleen het bovendek van een A380 voor passagiers zou kunnen gebruiken en het benedendek zou moeten opofferen aan diep gekoelde waterstoftanks. Dat is onhaalbaar.”
Biokerosine
Blijft over de mogelijkheid kerosine te maken van groene grondstoffen, bijvoorbeeld afkomstig van algen. “Met BTL, oftewel biomass to liquid, sluit je de koolstofcyclus, waardoor de netto-CO2-emissie bijna nul is. Het wachten is op het moment dat biokerosine verantwoord en duurzaam op grote schaal te produceren is tegen een acceptabele prijs.
In 2012 was de prijs nog vier keer zo hoog als van gewone kerosine”, licht Melkert toe. Elektrisch vliegen met groene stroom is de derde mogelijkheid om de CO2-uitstoot te verminderen. Lastig punt is alleen de lage energiedichtheid van accu’s. In kerosine gaat per kilogram zestig keer zoveel energie als in een accu. Wel zijn elektromotoren drie keer zo zuinig als verbrandingsmotoren, maar dan nog zijn er twintig keer zoveel kilo’s aan accu’s nodig als aan kerosine om voldoende energie voor een vlucht mee te nemen.
Sneeuwbal
Melkert: “Probleem hierbij is het sneeuwbaleffect. Elke kilo extra aan accu’s betekent dat het vliegtuig een kilo extra aan draagkracht moet hebben, wat neerkomt op een grotere vleugel. Die heeft echter een grotere luchtweerstand, waardoor de motor meer vermogen moet hebben en dus zwaarder moet zijn. Voor het extra gewicht daarvan is weer meer draagkracht nodig, enzovoort, enzovoort. De sneeuwbal wordt steeds groter.”
Bij het ontwerp van een vliegtuig geldt dan ook als vuistregel, dat voor één kilo extra gewicht van een accu of passagier het vliegtuig vijf à zes kilo zwaarder vliegtuigen volledig elektrisch aan te drijven, zoals de E-Fan van Airbus met twee elektromotoren en propellers bij de staart.
“Daar kun je een half uur tot drie kwartier mee vliegen. Grotere vliegtuigen kunnen alleen elektrisch vliegen tegen de tijd dat accu’s twintig keer zoveel energie per kilo kunnen bevatten als nu, maar dat is chemisch gezien bijna onmogelijk. Voorlopig is elektrisch vliegen dus alleen een alternatief voor de general aviation, oftewel de luchtvaart met kleine vliegtuigen van drie tot vier personen”, verklaart Melkert.
Kruisvlucht
Grotere vliegtuigen zijn aangewezen op een hybride systeem. Denk hierbij aan regionale toestellen, zoals de Fokker 50 en de Frans-Italiaanse ATR72. Dat soort toestellen kan rond 2030 hybride zijn en honderd passagiers over vijfhonderd tot duizend kilometer vervoeren. Hierbij drijft de verbrandingsmotor een generator aan, die elektriciteit opwekt voor de accu’s.
Elektromotoren, gevoed door de accu’s, drijven op hun beurt de propellers aan. Voordeel bij hybride is dat de verbrandingsmotor minder zwaar hoeft te zijn, want het grote vermogen, nodig voor het opstijgen, komt voor een deel uit de opgeladen accu’s en hoeft dus niet meteen van de motor te komen. De motor hoeft slechts voldoende vermogen te hebben om het vliegtuig tijdens de kruisvlucht, wanneer minder vermogen nodig is, in de lucht te houden.
Na de landing kunnen de accu’s worden bijgeladen of kan het accupakket worden vervangen. Hybride vliegtuigen zullen minstens tien procent zuiniger zijn dan conventionele vliegtuigen. Melkert: “Je maakt gebruik van een optimaal draaiende gasturbine en van elektromotoren die sowieso zuiniger zijn. Met een elektromotor kun je echter alleen een propeller aandrijven en geen straalmotor. Dat beperkt de vliegsnelheid.
De oceaan steek je er voorlopig niet mee over. Als het al lukt, dan duurt de reis anderhalf keer zo lang, dat wil niemand. Hybride vliegtuigen gaan er zeker komen, maar pas na 2030. We moeten dus nog even geduld hebben.”
Schaalmodellen bouwen in Delft
Onderzoekers van de Technische Universiteit Delft doen allerlei proeven met nieuwe materialen, testen onderdelen van vliegtuigen uit in een windtunnel en kunnen prototypes maken van bijvoorbeeld nieuwe vleugels. Alleen was het tot nu toe niet mogelijk zo’n nieuwe vleugel in de lucht uit te testen.
Maar nu komt er in de vliegtuighal van de faculteit Lucht- en Ruimtevaarttechniek een productielijn voor het bouwen van grote schaalmodellen van vliegtuigen met een spanwijdte tot acht meter, waarmee nieuwe vleugels uit te proberen zijn. Met uitgebreide testen en het nodige rekenwerk valt al veel te zeggen over hoe een nieuw vliegtuig zich op een grotere schaal zal gedragen. Op die manier verwacht de TU Delft meer onderzoeksopdrachten van vliegtuigbouwers te kunnen aannemen.