Trendspaning: Elektrifiering av flygplan

skrivet av Göran Smith (Viktoria Swedish ICT AB)
Luftburen trafik står för ungefär 2% av de globala koldioxidutsläppen [1][2] vilket kan jämföras med transportsektorns totala bidrag på runt 13% [3]. Efterfrågan förväntas dessutom stiga rejält framöver till följd av bland annat ekonomisk tillväxt och en växande medelklass [4]. I sitt program för horizon 2020 poängterar EU därför vikten av att ta vara på möjligheterna förknippade med tillväxten och samtidigt mildra de negativa miljöeffekterna [5]. I deras vision för flygtrafiken 2050 utmålas ökad elektrifiering som ett av flera nyckelområden för att nå utsläppsmålen [6]. Nedan följer en överblick av vad som händer inom elektrifiering av flygplan.
Elektriska flygplan
Elektriska flyg, är precis som elektriska bilar, inte något nytt påfund. Redan 1884 drevs ett luftskepp med en elektrisk motor [7] och 1973 hade det första bemannade elplanet sin jungfrutur [8]. Idag finns helelektriska drönare, glidflygplan och mindre flygplan i handeln, men de används främst i forskningssyfte [9]. Världsrekordhastigheten för elplan ligger på ca 350km/h [10] och den längsta flugna distansen är precis över 1500 km [11]. Elen genereras via solceller, bränsleceller, ultrakapacitatorer eller batterier. Trots revolutionerande energieffektivitet och god prestanda för mindre plan vore det ändå en lögn att påstå att de har förändrat den dagliga flygtrafiken. Bauhaus Luftfahrt och EADS tror att det kan bli annorlunda framöver och förutspår elelektriska passagerarflygplan i kommersiell drift redan 2035. Flygplanen väntas ha en räckvidd på runt 1700km och plats för upp emot 200 passagerare. För att det ska bli verklighet krävs hur som helst supraledande elmaskiner (HTS) och batteridensiteter på över 1000Wh/kg [12][13] (vilket motsvarar en årlig förbättringstakt för batterier på 8%) [14].
Hybridiserade flygplan
Ett naturligt delsteg mot elektriska flygplan är hybriddrivlinor och flera stora flygplanstillverkare har investerat stora summor i forskning om detta. Siemens, EADS, och Diamond Aircraft har t.ex. utvecklat en serie-hybrid där jetmotorerna inte går i bruk förrän planet är i luften. Enligt Siemens minskas därav bränslekonsumtionen med upp till en fjärdedel.
Tekniken är skalbar och förväntas få luftvärighetsbevis för vanliga flygplan (GA) inom tre till fem år. Konsortiets plan är då att introducera den på stora flygplan och helikoptrar [15].
”Distributed Electrical Aerospace Propulsion project” (DEAP) är ett annat omtalat projekt från EADS. I det skapas dragkraft av sex elektriska fläktar som i sin tur drivs av en gasturbin via ett batteripaket. Konceptet ska enligt EADS leda till ökade optimeringsmöjligheter, mindre vikt, bättre aerodynamik och därmed minskad bränsleförbrukning. Den modell som visades upp på Paris Air Show förra året var emellertid i ett mycket tidigt stadium [15]. NASA utför forskning på liknande koncept men kallar det “hybrid wing body” (HWB) och “turboelectric distributed propulsion” (TeDP). De uppskattar en potential på 70% reduktion av bränsleåtgång, där framdrivningssystemet skulle bidra med drygt 30 [16].
Flera andra hybridintiativ fokuserar annars enbart på taxning. I “Electric Green Taxiing System” (EGTS) inkluderas t.ex. elmotorer i flygplanshjulen och möjliggör framförsel av planet på marken utan varken jetmotorer eller bogserbilar.
Därav kan koldioxidutsläppen vid markdrift minskas med över 50% samtidigt som buller och lokala utsläpp minimeras [17]. Airbus visade upp systemet på Paris Air Show förra året och jobbar mot att få in det i A320-familjen [18]. Elenergin till taxningen skulle dessutom kunna komma från återgenerering av den gigantiska bromseffekten som skapas vid landning (upp till 3 megawatt tillgänglig effekt för en Airbus 320). Ett team från University of Lincoln undersökte möjligheten och kom fram till att det just nu inte är kostnadseffektivt men borde bli det inom en snar framtid [19].
En annan elektrifieringsmöjlighet som undersöks flitigt är att byta ut det elektriska hjälpkraftsaggregatet (APU) och den fartvindsdrivna nödturbinen (RAT) mot en multifunktionell bränslecell. Tanken är att bränslecellen bl.a. ska kunna starta jetmotorerna, driva framförseln på marken och förse alla hjälpsystem med elektrisk kraft. Airbus tilldelades “GreenTec Award 2013” för sin forskning inom området [20] men även Boeing m.fl. har visat intresse.
Elektrifierade hjälpsystem
I en traditionell flygplansariktektur omvandlas den effekt som inte används för framdrivning till en kombination av trycklufttskraft, mekanisk kraft, hydraulisk kraft och elektrisk kraft. En tydlig trend som pågått sedan 80-talet är att APU’n proportionellt bilvit större [21]. De senaste årens utveckling på kraftelektroniksidan har möjliggjort elektrisk drift av alla flygplansfunktioner som inte har med framdrivningen att göra [22]. Därav kan behovet av t.ex. hydrauliska komponenter elimineras vilket minskar vikt och volym samtidigt som förutspråkarna menar att  helelektriska system har högre tillförlitlighet och är enklare att underhålla. Strategin kallas “More Electic Aircraft” (MEA) och beräknades 1985 ha potential att minska bränsleåtgången för ett genomsnittligt GA med 9%. Strategin har tillämpats i kommersiella flygplan i olika utsträckning av bl.a. Boeing och Airbus [23].
Kommentar
Politiska intiativ och riktlinjer är essential styrmekanismer för teknikutveckling.  Vad som betonas i
horizon 2020,
CLEEN
och Flightpath 2050 samt intiativ som t.ex.
NISA
skvallrar om att flygbranchen kortsiktigt främst tror på andra generationens biobränslen när det gäller innovationer för framdrivning. Elektrifirering förväntas samtidigt spela en nyckelroll för bränsleutsläpp relaterade till t.ex. hjälpsystem och taxning vilket  bl.a. syns i Clean Skys prioriteringar. För att helelektriska passagerarplan ska bli verklighet redan 2035 krävs som sagt en erhört stark teknikutveckling för bl.a. batterier och elektronikkomponenter. Initialt för att uppnå den prestanda som krävs men även för att kunna konkurrera prismässigt med konventionell arkitektur. Det finns dock potential. Priset på flybränsle (idag ca. 5kr/liter) stiger samtidigt sombränslekostnader står för ungefär 40% av flygbolagens totala driftskostnad [25][26].
Det som presenteras ovan är bara ett axplock av allt som händer inom området. Två onämnda projekt att hålla koll på är e-genius som vann Green Speed Cup 2013 ochsolar-impulse som ska försöka flyga jorden runt m.h.a. solceller under 2015.
Referenser
[1] NY Times (2011),Airlines and greenhouse gas emissions (14-01-24)
[2] ATAG (2012) Facts and Figures (14-01-24)
[3] IPCC (2007) Climate Change 2007: Synthesis Report (14-01-24)
[4] NyTeknik (2013)29220 nya plan behövs till 2032 (14-01-24)
[5] Horizon 2020 (2014) Draft Horizon 2020 Work Programme 2014-2015 in the area of Transport (14-01-24)
[6] European Union (2011) Flightpath 2050 – Europe’s vision for aviation (14-01-24)
[7] Blimpinfo (2012) First fully controlled flight of an airship (14-01-24)
[8] Private Flight (1973) An electric aeroplane (14-01-24)
[9] MSN Innovation UK (2013) The electric aircraft of the future (14-01-24)
[10] Wired (2013) Chip Yates sets 5 new electric plane world records in 4 weeks (14-01-24)
[11] Wired (2013) Solar-powered plane breaks world record for distance (14-01-24)
[12] EADS (2011) VoltAir (14-01-24)
[13] Business Insider (2012) How the electric Ce-liner plane works (14-01-24)
[14] Richard Avellan, GKN Aerospace per mail (14-02-03)
[15] EV news report (2013) Le Bourget: Electric Hybrid Drives for Aircraft (14-01-24)
[16] Felder et.al (2011) Turboelectric Distributed Propulsion in a Hybrid Wing Body Aircraft (14-01-24)
[17] Wired (2013) The turbine-powered, chevy volt of airlines looks fantastic (14-01-24)
[18] Greentaxing (2013) Press-release (14-01-24)
[19] Airbus (2013)An  “electrifying” A320 demonstration in the Paris air show (14-01-24)
[20] Electric vehicle News (2012) Aircraft of the future could use regenerative braking(14-01-24)
[21] Fuel Cell Today (2013) Airbus wins Greentec award for innovative fuel cell project(14-01-24)
[22] Wheeleret.al (2012) An overview of more electric airdraft (14-01-24)
[23] Rosero et.al (2006) Moving towards a more electric aircraft (14-01-24)
[24] Naayagi (2013) A Review of More Electric Aircraft Technology (14-01-24)
[25] Robersson (2007) Fuel conservation strategies – takeoff and climb (14-02-06)
[26] Indexmundi (2014) Jet Fuel – Monthly price (14-02-06)