Achtergrond

De uitdagingen van elektrisch vliegen: hoe batterijen de toekomst van de luchtvaart vormgeven

© Elysian. De Elysian 9X, een Nederlands concept dat 90 passagiers elektrisch moet vervoeren, zou commerciële vluchten beginnen in 2033.

Een vliegtuig elektrisch laten vliegen is een voor de hand liggende oplossing voor het hardnekkige uitstootprobleem van de luchtvaart. Toch blijken er nog een hoop technische blokkades weg te werken voordat elektrisch vliegen een realiteit wordt.

Een vliegtuig uitrusten met batterijen en elektrisch laten vliegen is een logische manier om het uitstootprobleem van de luchtvaart aan te pakken. Toch is het ook een controversiële oplossing. Batterijen zouden te zwaar zijn voor de energie die ze meedragen om een groter vliegtuig van de grond te krijgen.

Nu komen er echter meer en meer tegengeluiden. In januari publiceerde de TU Delft bijvoorbeeld een studie die toonde dat batterij-elektrisch vliegen wel degelijk realistisch kan zijn in specifieke scenario’s.

“Er wordt hard gewerkt aan batterij-elektrisch vliegen”, bevestigt Wim Lammen, onderzoeker aan het Nederlands Lucht- en Ruimtevaartcentrum (NLR). “Ook in Nederland zijn er meerdere bedrijven die er aan werken. De vliegtuigen die deze bedrijven nastreven kunnen meestal tot zo’n 90 passagiers vervoeren en richten zich op relatief korte afstanden van minder dan 1000 kilometer.”

Batterij-elektrisch vliegen focust zich dus voorlopig op de regionale luchtvaart, met vliegtuigen die kleiner zijn dan de huidige passagiersvliegtuigen. Dat komt omdat batterij-elektrisch vliegen een aantal beperkingen heeft. “Er is een technische bovengrens”, stelt Lammen. “Uit kerosine of waterstof kan je veel meer energie halen dan uit zelfs de nieuwe generaties batterijen. Batterijen zijn nu nog te zwaar voor de energie die eruit te halen valt voor langeafstandsvluchten. Maar dat wil niet zeggen dat het onmogelijk is om op kortere afstanden op batterijen te vliegen.”

De belangrijkste schakel in het ontwerpen van zo’n vliegtuig zijn dus de batterijen, en het gewicht ervan. “Deze vliegtuigen moeten heel grote hoeveelheden batterijen meenemen”, stelt Lammen. “Je moet ongeveer de helft van het startgewicht rekenen. Dit zijn bijna vliegende batterijen. Om dit soort vliegtuigen mogelijk te maken is het dus – naast optimalisatie van het vliegtuigontwerp zelf – cruciaal dat batterij-technologie verbetert. Hoe meer energie we in zo’n batterij stoppen, zonder daarbij de massa te verhogen, hoe aantrekkelijker het wordt om een batterij-elektrisch vliegtuig te bouwen.”

Hybride vliegen

Het Nederlandse Elysian is één van de spelers die zo’n toestel ontwerpt. Hun vliegtuig moet tegen 2033 commerciële vluchten maken, en zou 90 passagiers 800 kilometer kunnen vervoeren. Zij bouwen een volledig batterij-elektrisch toestel. Een andere Nederlandse start-up in de ruimte, Maeve, gaat daarentegen een andere richting uit. Zij ontwikkelen een hybride toestel. Dat steunt deels op batterij-elektrische voortstuwing, en deels op een verbrandingsmotor die met kerosine, maar ook alternatieve brandstoffen, werkt.

“We zijn tot de conclusie gekomen dat een vliegtuig eerst economisch moet zijn”, stelt medeoprichter en CEO, Jan Willem Heinen. “Daarna kan het duurzaam zijn. Als je wil dat een vliegtuig ook daadwerkelijk gebruikt wordt, dan moet je kunnen tonen dat het economisch interessant is. Daarom kozen we voor een hybride concept.”

Hun ontwerp, de Maeve M80, zou 84 tot 96 passagiers kunnen vervoeren over een afstand tussen de 1500 en 2100 km. Ze mikken daarbij op een marktintroductie in 2031. Hun hybride concept zou naar eigen zeggen een besparing van uitstoot met zich meebrengen van zo’n 45% vergeleken met de huidige generatie vliegtuigen.

© Maeve. Een ander Nederlands concept, de Maeve M80, zou hybride werken: op een combinatie van elektriciteit en kerosine.

Net als een hybride wagen past het toestel de aandrijving aan naargelang het stadium van de vlucht. “Bij het opstijgen en klimmen werkt het vliegtuig deels elektrisch”, stelt Heinen. “In de cruise steunen we dan weer volledig op de verbrandingsmotor. Die motor verschilt wel van de huidige generatie turbines. Het is een motor die erg efficiënt is in cruise-modus, maar die in zijn eentje niet het vermogen heeft om op te stijgen en te klimmen. De batterijen geven die extra aandrijving tijdens de cruciale, en ook vrij energie-intensieve, fasen van de vlucht. Daarmee besparen we stevig wat uitstoot.”

Volgens Heinen heeft dit als grote voordeel dat ze niet volledig steunen op één technologie-pad. “Hoe we de luchtvaart zullen decarboniseren blijft nog onzeker”, stelt hij. “Er zijn waterstofopties, elektrische opties en ook nog duurzame brandstoffen. Ons vliegtuig biedt een kans om de laatste twee te gebruiken. Als duurzame brandstoffen breed beschikbaar zullen worden, dan kunnen we ze ook in ons vliegtuig inzetten. Op dit moment moeten we de energiebron van vliegtuigen voor de eerste keer in zeventig jaar aanpassen. Dat is een complexe operatie, en hopelijk zal ons ontwerp daaraan kunnen bijdragen.”

Op dit moment moeten we de energiebron van vliegtuigen voor de eerste keer in zeventig jaar aanpassen.”

Duurzame concurrentie

Batterij-elektrisch vliegen moet zo concurreren met andere technologieën. Vliegtuigbouwers werken ook naarstig aan toestellen die op waterstof werken. Daarnaast kijken luchtvaartmaatschappijen naar alternatieve vormen van kerosine, die milieuvriendelijker zouden zijn. Waterstof en alternatieve brandstoffen zijn veel energie-dichter dan batterijen, wat hen een belangrijk stapje voor geeft op batterij-elektrisch vliegen. Tegelijk hebben ze ook nadelen.

“Waterstof heeft bijvoorbeeld heel wat voordelen als vliegtuigbrandstof”, stelt Joris Melkert, universitair hoofddocent gespecialiseerd in luchtvaart aan de TU Delft. “Zo is het erg licht voor de energie die erin vervat zit. Maar het heeft als nadeel dat het enorm veel ruimte inneemt. Zelfs als je waterstof vloeibaar maakt, neemt het nog steeds vier keer meer ruimte in dan kerosine. Je moet het daarbij wel weten af te koelen tot -253 graden Celsius. Dat betekent dus dat je je vliegtuigen moet herontwerpen, en dat je waarschijnlijk ook minder passagiers kan vervoeren.”

© Maeve. De Maeve M80 zou 84 tot 96 passagiers kunnen vervoeren over een afstand tussen de 1500 en 2100 km.

Dan zijn er nog alternatieve brandstoffen. Die werken vergelijkbaar met hedendaagse kerosine. Ze stoten nog steeds CO2 uit tijdens de verbranding, maar tijdens hun productie wordt er ook CO2 opgevangen. Dat kan zijn omdat de brandstof gemaakt is van biomassa, zoals resten van planten die CO2 opvingen tijdens hun levensloop. In de toekomst kunnen deze brandstoffen ook synthetisch gemaakt worden, door CO2 uit de lucht te nemen en te verwerken. Zo wordt er geen extra CO2 uitgestoten.

“Synthetische kerosine zou in theorie alles kunnen oplossen”, stelt Melkert. “Je kan ermee op lange afstand vliegen, en het is ook CO2-neutraal. Het probleem hier is dat het proces om deze brandstof te maken energie-intensief is. We moeten dus elektriciteit, en bij voorkeur groene elektriciteit, gebruiken om het te produceren. Datzelfde probleem zie je bij waterstof.”

Daarbovenop komt dat verbrandingsmotoren minder efficiënt zijn dan elektrische motoren. “Batterijen zijn relatief zwaar voor de energie die er uit te halen valt, althans vergeleken met kerosine of waterstof”, stelt Lammen. “Maar daar staat tegenover dat het bijbehorende voorstuwingsmechanisme een stuk efficiënter is. Je hebt enkel een elektromotor nodig, en een inverter om van gelijkstroom naar wisselstroom te gaan. De rendementsverliezen daarbij zijn vele malen minder dan wat je hebt bij een verbrandingsmotor.”

Waterstof en alternatieve brandstoffen mogen dan energie-dichter zijn dan batterijen, ze kosten ook veel energie om te maken. Beiden verwachten dat er industriële en chemische processen doorlopen worden om ze te produceren, vervoeren en verbranden. Bij elk van die stappen gaat er energie verloren. Batterij-elektrisch vliegen is daarentegen erg efficiënt. Je moet gewoon groene energie opwekken, in een batterij stoppen en ermee een elektromotor aandrijven. Dat zijn veel minder stappen, met minder verlies tot gevolg.

Opschalen

Als we dus batterij-elektrisch kunnen vliegen, dan is dat waarschijnlijk de aantrekkelijkste optie. Toch zijn er ook andere bedenkingen. De luchtvaartindustrie is namelijk erg conservatief. Ze veranderen niet snel hun vliegtuigontwerpen, gezien dat erg veel kost en veiligheidsstandaarden hoog zijn. Dat vertraagt de introductie van nieuwe technologie.

Lammen van het NLR is echter optimistisch. “De commerciële luchtvaart is een zeer competitieve sector, dus zijn kosten een grote drijfveer”, stelt hij. “Als het dus goedkoper wordt om elektrische vliegtuigen mogelijk te maken en te gebruiken, onder de voorwaarden van veiligheid uiteraard, dan zal de sector de overstap maken. Dat kan wellicht gebeuren doordat de benodigde elektriciteit gewoon goedkoper wordt dan kerosine. Maar deze transitie kan er ook evengoed komen doordat overheden belastingen op uitstoot invoeren, wat luchtvaartmaatschappijen ertoe dwingt om naar alternatieve technologieën te kijken. Waarschijnlijk zal het een combinatie van de twee zijn, elektrische vliegtuigen zullen beter en goedkoper worden, terwijl uitstoot zwaarder belast zal worden.”

Voor dat gebeurt moeten er echter nog een hoop horden genomen worden. De komende jaren zullen bedrijven en onderzoekers ideeën opschalen. “In eerste instantie zullen er meer studies en concepten komen”, stelt Lammen. “Daarna komen er testopstellingen op de grond en schaalmodellen. We moeten dus zien of de concepten daadwerkelijk een geschikte optie zijn. Dat doen we bijvoorbeeld zelf bij NLR. We bouwden eerder al een drone van vier meter spanwijdte die op batterijen vliegt en een nieuwe aandrijflijn uittestte. We zullen dus een opschaling zien van de elektrische concepten. De komende jaren zullen die steeds groter worden.”

Er is geen silver bullet om het probleem van de uitstoot in de luchtvaart op te lossen.”

Wat echter vaststaat is dat de luchtvaart diverser zal worden. “Er is geen silver bullet om het probleem van de uitstoot in de luchtvaart op te lossen”, stelt Lammen. “Er komt een ander soort businessmodel. Nu draait alles op kerosine, maar in de toekomst zal luchtvaart een verzameling worden van vliegtuigvarianten. Elk van die opties heeft zijn eigen specialisatie. Als je minder passagiers minder ver vervoert, dan zal batterij-elektrisch vliegen het efficiëntst zijn. Maar wanneer we verder vliegen, dan zullen waterstof en synthetische kerosine beter werken, of eventueel combinaties hiervan: hybride vormen.”


Je las zojuist een gratis premium artikel op TW.nl. Wil je meer van dit? Abonneer dan op TW en krijg toegang tot alle premium artikelen.


 

Onderwerp:
EnergieMobiliteit

Meer relevante berichten

Nieuwsbrief
Relevante berichten
×