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

“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.

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, maar liefst 40 jaar, dus pakweg drie keer langer dan de eerste stap.

Verdere verbetering ligt in het verschiet. Nog hogere rendementen voor de straalmotor, betere materialen en dus een lager leeggewicht, betere aerodynamica (denk aan het ‘vliegende vleugel’ concept, maar ook meer laminaire stroming), het kan allemaal.

Wie alles bij elkaar optelt, ziet dat een derde factor twee ten opzichte van de Comet technisch gezien haalbaar lijkt te zijn. Echter, realisatie hiervan zal lang duren. Dit komt niet alleen door de Wet van de Verminderde Meeropbrengst, maar ook door het behoudende karakter van de luchtvaart.

Een voorbeeld: 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.

Mogelijk kan overheidsinterventie – denk aan subsidie op onderzoekswerk, zoals bij de ‘Clean Sky’-programma’s – hier een katalyserende en versnellende rol spelen, maar dat het lang zal duren voordat er echt verdere vooruitgang te zien is, dat is zeker.

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.

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 kilomter.

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.

De vraag is ook wat er op dit soort afstanden te winnen is ten opzichte van de al tijden elektrisch aangedreven trein.

Technisch gezien nog wel interessant is een hybride aandrijving: batterijen en elektromotor plus propeller enerzijds, en straalmotoren anderzijds. Je kunt dan elektrisch starten en stijgen, wat een significante reductie van lokale NOx-emissies en geluid oplevert.

Eenmaal op kruissnelheid en -hoogte nemen de straalmotoren het dan over, die precies op die taak kunnen worden toegesneden. Merk op dat we ook hier met de fysica moeten afrekenen: stijgen tot 4 km hoogte kost voor onze denkbeeldige elektrische B747-8 een hoeveelheid energie gelijk aan massa x zwaartekracht x hoogte = 423.000 x 9.81 x 4.000 = 16.599 megajoule en trekt dus 22 ton batterijen leeg (!).

Versnellen tot 165 m/s kost een half keer massa maal de snelheid in het kwadraat, is 5,8 megajoule en vraagt 7.7 ton batterijen.

Dat maakt bijna 30 ton batterijen alleen al om op kruishoogte en -snelheid te komen, en hoewel deze geïnvesteerde energie grotendeels terugkomt aan het eind van de vlucht, moeten we intussen dus wel 30 ton extra meenemen.

Voor echt lange vluchten zullen de voordelen niet opwegen tegen de nadelen; voor middellange vluchten mogelijk wel. Onder de naam E-Fan X was een consortium met Airbus hier al onderzoek naar gestart, maar dat lijkt als gevolg van de corona-crisis nu “on hold” te staan.

Nog een laatste niche is die van de ‘air taxi’, een quadcopter voor verticaal opstijgen en landen. Hiervoor is elektrische aandrijving ook veelbelovend en zijn er tal van initiatieven gestart, 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.

Daar komt nog bij dat ‘duurzaam vliegen’ veel meer omvat dan alleen het energieplaatje. Zelfs als we ons alleen op de ‘planet’ van people, planet en profit richten, komen er meer zaken in beeld, zoals lokale emissies en uitputting van grondstoffen.

Wie elektrisch vliegen presenteert als “de” sprong naar duurzaamheid, maakt een versimpelde en eenzijdige analyse van de problematiek. Goed voor een krantenkop, maar van beperkt nut voor de realiteit.

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.

This article has been republished by our international network at the Stay Grounded Network.

Wat vond u van dit artikel?

Klik op een ster om het stuk te waarderen

Gemiddeld / 5. Aantal stemmen:

Nog geen stemmen. Geef als eerste uw mening!

Jammer dat dit artikel niet zo interessant was voor u!

Help ons het artikel verbeteren.

Wilt u aangeven hoe we het stuk kunnen verbeteren?

4 antwoorden op “Elektrisch vliegen onhaalbaar voor langere afstanden”

  1. Een verademing, dit stuk, eindelijk eens een ir-benadering, die onzinclaims onderuit haalt. Proficiat!

    Ik weet niet hoeveel gewicht men kan besparen met nieuwe materialen, maar als men uitgaat van 460 passagiers met een gewicht van gemiddeld 75 kg, dan zou obesitas al gauw tonnen aan gewicht kunnen toevoegen, met gem. 85 kg al 4600 kg extra!

    In de scheepvaart (mijn eigenlijke vak) zijn de kansen op energiebesparing en CO2-vermindering door alternatieve brandstoffen (bv. methanol of ammoniak) en/of met elektriciteit en windvoorstuwing aanzienlijk groter. Hier kan men gemakkelijk op 50% reductie komen. Gewicht speelt hier een veel mindere rol, want men kan een schip groter maken, al gaat het wel van de nuttige laadruimte af. Een extra reden om niet teveel te mikken op luchtvracht.

Geef een reactie

Het e-mailadres wordt niet gepubliceerd. Vereiste velden zijn gemarkeerd met *