Zo kunnen hybride vliegtuigen de luchtvaart vergroenen | Technisch Weekblad
Achtergrond

Zo kunnen hybride vliegtuigen de luchtvaart vergroenen

De Europese luchtvaart zorgt voor €500 miljard per jaar aan inkomsten en 9,3 miljoen banen. Maar de sector zorgt ook voor veel milieubelasting, die sterk zal moeten verminderen. Vliegen veroorzaakt meer dan 2% van de wereldwijde emissie van broeikasgassen en circa 3% van de Europese. Duurzamere vliegtuigen zijn daarom onontbeerlijk om het Europese doel van net-zero klimaatemissie in 2050 te realiseren.

Nu de luchtvaartsector hard wordt geraakt door de pandemie, en het aantal passagiers daalt, wordt het duurzaam maken van het luchtverkeer gezien als cruciaal voor het herstel van de Europese economie.

De ontwikkeling van hybride-elektrische toestellen zou deel van de oplossing kunnen zijn. Net zoals bij hybride auto’s combineert de techniek twee energiedragers: conventionele brandstof en een batterij of een brandstofcel op waterstof.

‘Door je bronnen te hybridiseren, kan je het brandstofverbruik en daarmee de milieubelasting beperken,’ stelt Xavier Roboam, hoofdonderzoeker en onderdirecteur bij het LAPLACE laboratorium aan de Universiteit van Toulouse in Frankrijk. ‘Het is de eerste stap op weg naar de laatste stap: volledig elektrische vliegtuigen met nul emissie.’

Energiedichtheid, ofwel de hoeveelheid energie per kg, is een beperkende factor in elektrische vliegtuigen. De batterijen die nodig zijn om elektromotoren aan te drijven zijn nog steeds te zwaar om als bruikbaar, zelfstandig alternatief te dienen: een batterij is grofweg 30 keer zo zwaar als een hoeveelheid kerosine die de zelfde hoeveelheid energie bevat. Kleine elektrische vliegtuigen hebben wel al met succes korte testvluchten gemaakt. Het grootste elektrische toestel op de wereld kan eind dit jaar negen passagiers per vlucht gaan vervoeren met commerciële vluchten tot 160 km. Kleine toestellen voor korte afstanden zijn dus elektrisch mogelijk. Maar de batterijen die je nodig zou hebben om een groot vliegtuig vol mensen over duizenden kilometers te vervoeren, zoals conventionele, hedendaagse toestellen doen, zouden het vliegtuig zo zwaar maken dat het niet meer op kan stijgen.

Gewicht

Hybride vliegtuigen bieden op dit moment meer perspectief doordat een beetje brandstofgebruik kan helpen met het gewichtsprobleem. Roboam en zijn collega’s onderzoeken nu hoe het gewicht van een vliegtuig verder gereduceerd kan worden als onderdeel van het HASTECS project.

Ze richten zich op de belangrijkste componenten, zoals de transmissielijn naar de elektromotor. Nieuwe ontwerpen worden nu getest met computersimulaties. ‘We proberen de verhouding tussen het vermogen dat je kunt leveren en het gewicht dat nodig is om dat vermogen te leveren te maximaliseren’, zegt Dr. Roboam.

Het doel van dit project is om een elektromotor te ontwerpen met twee maal grote vermogen-gewichtsverhouding als bestaande elektromotoren, zoals die van Tesla, nu hebben. In 2035 hopen ze 10 kW/kg aan te tikken. In dezelfde periode moet de vermogen-gewichtsratio van de spanningsomzetter toenemen tot 25 kW/kg. Als deze twee doelen gehaald worden zou een hybride vliegtuig 1.600 kg lichter kunnen worden dan nu wordt voorzien voor in 2025 en 10 % minder brandstof verbruiken. 

Na zo’n vier jaar werken heeft het team het doel voor de elektromotoren bereikt. Zo is de structuur geoptimaliseerd door elektromagnetische materialen te gebruiken, en het gebruik van speciale draden (Litz-draden) hielp om de prestaties te verbeteren. Verder hebben motoren meer moeite om hun warmte kwijt te raken naarmate ze kleiner worden, dus heeft de groep een efficiëntere manier bedacht om ze te koelen met een intern koelsysteem. Het doel voor de omvormer werd zelfs overtroffen door de structuur aan te passen en het koelsysteem te verbeteren. ‘Het is een groot succes voor het project dat we het doel voorbij gestreefd zijn,’ aldus Roboam.

Als het project volgend jaar is afgerond, willen Roboam en zijn collega’s graag doorgaan met het valideren van de simulaties die tijdens HASTECS zijn gedaan. Maar ze zullen een laboratorium moeten vinden dat genoeg vermogen kan leveren om de ontwerpen te testen. ‘Het is erg lastig en duur om zulke controles uit te voeren, aangezien het een zeer hoog vermogen van een MW vereist’, stelt Roboam.

Waterstof

Roboam denkt dat over vijf tot vijftien jaar een hybride vliegtuig op basis van zijn concepten, daadwerkelijk zou kunnen vliegen. Op 21 september onthulde Airbus plannen aan voor het eerste grote waterstofvliegtuig ter wereld. Aangezien de in HASTECS geproduceerde hybride vliegtuigontwerpen een waterstofbrandstofcel gebruiken, is Roboam enthousiast. ‘Voor ons is dit heel goed nieuws om mee door te gaan’, zei hij. ‘HASTECS is de eerste stap om dat te bereiken.’

Hoogleraar Andreas Strohmayer, hoofd van de afdeling Vliegtuigontwerp aan de Universiteit van Stuttgart, werkt met zijn collega's ook aan het realiseren van hybride-elektrische vluchten. Ze proberen als onderdeel van het FutPrInt50 project de ontwikkeling van een hybride-elektrisch vliegtuig met 40 tot 50 stoelen te versnellen en willen het mogelijk maken om in 2035 commerciële vluchten aan te gaan aanbieden. ‘Vanaf 40 tot 50 stoelen heb je een serieuze transportcapaciteit’, aldus Strohmayer. ‘Hoe groter je het toestel daarna maakt, hoe meer problemen je creëert, dus ik geloof in een stapsgewijze aanpak.’

Een van de doelen van het project is om zo'n vliegtuig te ontwerpen. Sinds de start van het project in januari analyseert Strohmayer wat er precies nodig is. Zijn team bekeek bijvoorbeeld de invloed van lage emissies, actieradius en snelheid op het ontwerp en onderzocht verschillende mogelijkheden voor componenten zoals de aandrijflijn en energieopslag op basis bestaande technologieën. Ze onderzoeken ook oplossingen voor warmtebeheer. ‘We werken aan ons referentievliegtuig, zodat we een een-op-een vergelijking kunnen maken van ons ontwerp met een conventioneel vliegtuig van dezelfde omvang’, aldus Strohmayer.

 

Het FutPrInt50-project onderzoekt verschillende concepten voor het ontwerp van hybride vliegtuigen. Beeld: Universiteit van Stuttgart

Het Duitse team zal zich ook richten op de ontwikkeling van energy harvesting om het gewicht van batterij en brandstof in een hybride vliegtuig nog verder terug te brengen. Als het vliegtuig bijvoorbeeld tijdens het dalen geen elektriciteit gebruikt, zouden propellers energie kunnen opwekken uit de luchtstroom. Bij elektrische auto's wekt regeneratief remmen elektriciteit op, stelt Strohmayer. ‘Met datzelfde principe kunnen we in vliegtuigen ook energie winnen.’

Tegen het einde van het project in 2022 hoopt het onderzoeksteam een technologische routekaart ontwikkeld te hebben voor alle verschillende componenten die nodig zijn, en beter te weten welke standaarden nodig zijn voor certificering. De kroon op het onderzoek moet een hybride vliegtuigontwerp zijn dat direct door een vliegtuigfabrikant kan worden gebruikt om het daadwerkelijk te gaan bouwen. ‘Mijn droomvisie is dat mijn kleinkinderen over 20 jaar samen met mij aan boord van een van deze vliegtuigen kunnen zitten’, zei Strohmayer. ‘Ik wil dit vliegtuigontwerp gefabriceerd zien worden.’

Het onderzoek in dit artikel is gefinancierd door de EU. Dit artikel is oorspronkelijk gepubliceerd in Horizon, the EU Research and Innovation Magazine

Ontvang de nieuwsbrief

Meld je nu aan!

Gratis proefabonnement TW

Bestel nu 2 gratis proefnummers TW