Eviations Alice-Prototyp. Ian Langsdon / EPA
Die britische Regierung plant, den Verkauf neuer konventioneller Benzin- und Dieselfahrzeuge zu verbieten von 2040. Es ist klar, dass alle Bürger Elektro- oder Hybridautos oder - noch besser - Fahrräder fahren sollen. Aber kann Elektrifizierung dazu beitragen, die Emissionen dieser anderen kohlenstoffintensiven Form des Personenverkehrs zu senken?
Dies ist eine komplexe Frage, bei der es auf die Größe ankommt. Es ist möglich, dass kleine Flugzeuge mit Elektrizität betrieben werden. Tatsächlich entwickeln bereits mehrere Unternehmen kleine Elektroflugzeuge, die innerhalb dieser Zeit auf den Markt kommen könnten die nächsten Jahre.
Aber für die großen Flugzeuge, die wir alle häufiger einsetzen, ist es unwahrscheinlich, dass dies bald geschieht. Das Problem ist nicht die Antriebstechnik, sondern der Energiespeicher. Düsentreibstoff enthält rund das 30-fache an Energie pro Kilogramm als der derzeit modernste Lithium-Ionen-Akku.
Das größte Passagierflugzeug der Welt, der Airbus A380, kann 600-Passagiere in einem einzigen Flug über 15,000-Kilometer befördern. Aber nach meinen Berechnungen konnte es mit Batterien nur etwas über 1,000 Kilometer fliegen. Selbst wenn alle Passagiere und Fracht durch Batterien ersetzt würden, wäre die Reichweite immer noch geringer als 2,000 Kilometer. Um die aktuelle Reichweite beizubehalten, würde das Flugzeug Batterien benötigen, die das 30-fache seiner aktuellen Treibstoffaufnahme wiegen, was bedeutet, dass es niemals vom Boden aufsteigen würde.
Dieser Kompromiss ist besonders schlecht für Langstreckenflüge, da der Treibstoff die Hälfte des Flugzeuggewichts beim Start ausmacht. Außerdem wird ein herkömmliches Flugzeug leichter, wenn der Treibstoff verbraucht wird, aber ein Elektroflugzeug müsste für den gesamten Flug das gleiche Batteriegewicht tragen. Wie gesagt, die Größe ist wichtig.
Bei Leichtflugzeugen mit fünf bis zehn Sitzen macht der Treibstoff wahrscheinlich 10% bis 20% des Flugzeuggewichts aus. Durch einfaches Austauschen des Treibstoffs gegen Batterien kann sich die Reichweite des Flugzeugs möglicherweise noch weiter verringern. Der Austausch von zwei oder drei Passagieren durch zusätzliche Batterien würde jedoch eine Reichweite von 500 Kilometern bis 750 Kilometern ergeben, verglichen mit einer Reichweite von über 1,000 Kilometern mit Kraftstoffantrieb.
Erstes kommerzielles Modell
Es könnte jedoch eine andere Option geben. Israelische Firma Eviation Vor kurzem wurde ein Prototyp des ersten kommerziellen vollelektrischen Passagierflugzeugs der Welt vorgestellt. Das Flugzeug namens Alice tauscht nicht nur Düsentreibstoff gegen Batterien aus, sondern ist ein völlig neues Designkonzept, das die Integration des Antriebssystems in die Flugzeugzelle verbessert. Alice befördert neun Passagiere mit einer Reichweite von 1,000km und wird voraussichtlich ihren Dienst in 2022 aufnehmen.
Alice ist möglicherweise eine praktische Alternative für kleine regionale Reisen, aber nicht für die meisten Linienflüge, auch für Kurzstreckenflüge. Wie kann hier die Elektrifizierung helfen? Die Verbesserung der Batterietechnologie ist eine Option. Eine neue Technologie, bekannt als Lithium-Luft-Batterien kann theoretisch die gleiche Energiedichte wie Düsentreibstoff erreichen. Sie befinden sich jedoch noch im Laborstadium. Angesichts des extrem sicherheitsbewussten Charakters der Luftfahrtindustrie ist es unwahrscheinlich, dass zukünftige Flugzeuge mit nicht erprobter Technologie geplant werden.
Was wir für Kurzstreckenflüge in den nächsten 20- bis 30-Jahren eher sehen werden, sind Hybridflugzeuge, die aktuelle Turbofan-Triebwerke mit neuen elektrischen Antriebssystemen kombinieren. Dieses flexiblere Hybridsystem könnte optimiert werden, um den für den Start erforderlichen hohen Schub und die für eine lange Kreuzfahrt erforderliche Energiedichte bereitzustellen.
Der hybride E-Fan X. Airbus
Dies ist ein Bereich, der in der EU aktiv verfolgt wird E-FanX Projekt, bei dem sich Airbus, Rolls-Royce und Siemens zusammenschließen, um einen hybridelektrischen Flugdemonstrator zu entwickeln. Mit einem BAe 146-Flugzeug, das normalerweise rund 100-Passagiere befördert, wollen sie einen der vier Honeywell-Turbofan-Triebwerke des Flugzeugs durch einen Propellerlüfter ersetzen, der von einem Zwei-Megawatt-Elektromotor angetrieben wird.
In den Anfangsphasen des Projekts wird der Strom tatsächlich von einer Rolls-Royce AE2100-Gasturbine geliefert, die im Rumpf des Flugzeugs (Hauptkörper) untergebracht ist. Der E-FanX bleibt jedoch ein wichtiger Schritt in der Entwicklung der Hybrid-Elektrotechnik. Airbus sagt Sie will diese Technologie für 100-Sitzflugzeuge der 2030s verfügbar machen.
Es ist auch möglich, ein Flugzeug mit mehreren kleinen elektrischen Antrieben in einem sogenannten verteilten Antriebssystem auszustatten, das effizienter ist als herkömmliche Konstruktionen, bei denen zwei große Turbofans verwendet werden. Diese Idee kann weitergeführt werden, indem der separate Rumpf und die Tragflächen zu einem einzigen “Blended-Wing-Body“, Effizientere Integration der Antriebe in die Flugzeugzelle in einem aerodynamischeren Design. Dies könnte den Energiebedarf des Flugzeugs um 20% reduzieren.
Doch keiner der beiden größten Flugzeughersteller der Welt, Boeing und Airbus, betreibt eine aktive Mischflügeltechnologie. Eine solch große Designverschiebung hat zu viele technische Herausforderungen kommerziell rentabel zu machen jetzt sofort. Zum Beispiel könnten die meisten Flughäfen kein gemischtes Flugzeug aufnehmen.
Keine Alternative
Leider gibt es für die Art der Flüge, die die meisten von uns durchführen, derzeit keine praktikable Alternative zu Turbofans mit Düsenantrieb. Aus diesem Grund investieren die wichtigsten Triebwerkshersteller stark in die Verbesserung ihrer derzeitigen Triebwerkstechnologie. Der Internationale Luftverkehrsverband schätzt das Jede neue Flugzeuggeneration ist im Durchschnitt um 20% sparsamer als das Modell, das sie ersetzt, und die Fluggesellschaften werden in den nächsten zehn Jahren 1.3 Billionen US-Dollar in neue Flugzeuge investieren.
Zum Beispiel der neueste Motor von Rolls-Royce, der Trent XWB das treibt das Neue an Airbus A350wird als „das effizienteste große Flugzeugtriebwerk der Welt“ vermarktet. Laut Airbus wird das Triebwerk dem A350 dabei helfen, „im Vergleich zu Flugzeugen der vorherigen Generation um 25% geringere Betriebskosten, Kraftstoffverbrauch und CO₂-Emissionen zu erzielen“.
Die nächste Generation des Rolls-Royce-Motors, der UltraFanTM, bietet eine weitere 20- bis 25-prozentuale Reduzierung des Kraftstoffverbrauchs und der CO₂-Emissionen und wird voraussichtlich in 2025 zum Einsatz kommen.
Es sei jedoch daran erinnert, dass die Luftfahrt derzeit nur 2% zu 3% der globalen CO₂-Emissionen beiträgt. Dies entspricht etwa 30% bis 35% für den gesamten Verkehrssektor und weiteren 30% bis 35% für die Stromerzeugung.
Die Anzahl der Fluggäste beträgt voraussichtlich verdoppeln In den nächsten zwei Jahrzehnten werden jedoch auch die Gesamtemissionen so hoch sein, dass die Luftfahrt wahrscheinlich nicht zu einem größeren Problem wird. Eine Reduzierung der Luftverkehrsemissionen um 20% pro Flugzeuggeneration ist wahrscheinlich keine nachhaltige Verbesserung. Aber wenn Hybridflugzeuge Wirklichkeit werden, könnte das Fliegen sogar noch weniger zu den Gesamtemissionen beitragen als heute.
Über den Autor
Duncan Walker, Dozent für Angewandte Aerodynamik, Loughborough University
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