Fysikk og Fascinasjon

en blogg om ny og gammel forskning, og om den fantastiske naturen

Hvor langt kan vi komme med elfly?

8 kommentarer

Hver sommerferie tenker vi litt ekstra over hvordan flyreisene våre påvirker planeten. Spesielt denne sommeren. Det er noe feil med været, men det er deilig med sol og varme, og vi flyr jo på ferie, alle gjør det.

Om den dårlige samvittigheten truer med å stikke hodet frem, finnes det alltid en eller annen tydelig stemme i offentligheten som kan berolige oss med at det er helt greit å fortsette å fly mer, for i fremtiden kommer flyene til å være klimavennlige. Vanligvis er det biodrivstoff som får ansvaret for dette kommende grønne skiftet. Jeg har tidligere skrevet om at det sannsynligvis er å love for mye.

I år er imidlertid fokus flyttet over på batterier. Nå er det elfly som er den nye fremtiden.  Avinor mener at all innenriks luftfart i Norge skal være elektrisk innen 2040. Som entusiastisk elbilist må jeg si at en fremtid med elektriske fly virker utrolig forlokkende. Tenk å sveve over landskapet helt uten motorstøy! Tenk på hvor stille flyplassene kommer til å bli.

Men hvor langt kan vi egentlig komme med batteridrevne fly? Snakker vi to-seters småfly mellom Oslo og Drammen, eller fullastede passasjerfly fra Norge til Thailand?

IMG_6705

Innflygningen til København. Kan flyene i fremtiden bli drevet av strøm fra vindmøllene der nede?

Et enkelt regnestykke

Selv om det er komplisert å designe fly, er fysikken som bestemmer hvor mye energi man trenger for en flytur heldigvis ganske enkel. Den maksimale avstanden et fly (eller noe annet flygende, som en fugl eller et insekt) kan tilbakelegge kan man finne ved følgende regnestykke:

S = E x F x L x C / g

Her er S avstanden flyet kan tilbakelegge, og de andre faktorene er

  • E, energieffektiviteten, som forteller hvor mye av energien i drivstoffet eller batteriet som faktisk blir overført til propellene. Siden forbrenningsmotorer er lite effektive er dette tallet bare omkring 1/3 i dag. For elfly kan den godt være på så mye som 73%.
  • F, hvor mye av flyets vekt som er drivstoff eller batteri. Hvis flyet bare er drivstoff blir F = 1, og om tanken er tom eller batteriet er tatt ut er F = 0. Et typisk tall for F er omtrent 1/2, og tallet kan nødvendigvis ikke bli så mye høyere om vi bytter fra bensin til batteri. Det må jo være plass til passasjerene og bagasjen også.
  • L er det som kalles aerodynamisk effektivitet, og har med formen på flyet å gjøre. For vanlige passasjerfly er L i underkant av 20, mens for et glidefly er L nærmere 40. Siden elfly godt kan ha mange, mindre motorer fordelt utover vingene, er det mulig å få den aerodynamiske effektiviteten i elflyet noe høyere enn for dagens fly. Ut i fra hva jeg har lest tror jeg at L ikke kan bli noe særlig mer enn 30.
  • C, energitettheten, forteller hvor mye energi drivstoffet eller batteriet inneholder per kilo. Bensin og olje inneholder omtrent 40 MJ per kilo. Dagens batterier rommer omtrent 0,7 MJ/kg, men dette er forventet å øke til 0,9 MJ/kg innen 2025. Det er teoretisk mulig å oppnå 4,4 MJ/kg i Li-ion-batteriene, men det finnes andre batterityper som er forventet å kunne romme opp mot 6,3 MJ/kg innen 2025, og har 12,6 MJ/kg som teoretisk maksimum.
  • g er tyngdeakselerasjonen, som alltid er 9,8 m/s2 her på jorda, uansett hva slags fly vi bruker.

Av lista over ser vi altså at mer effektiv motor og optimal form på flyet kan bidra til å øke rekkevidden på elflyet, mens den lave energitettheten i batteriene trekker rekkevidden betraktelig nedover.

I dag kommer vi ikke så langt

Ved å gange sammen tallene jeg har oppgitt for dagens fly, får jeg en rekkevidde på 13 600 km. På lista over de 10 passasjerflyene med lengst rekkevidde i dag spenner rekkeviddene mellom 14 350 og 17 395 km, så dette virker som et ganske bra anslag.

Med dagens batteriteknologi og de effektivitetene vi allerede har oppnådd, blir rekkevidden til elflyet 520 km. Dette er lengre enn avstanden i luftlinje fra Oslo til Trondheim. Flyet må ha ekstra energi både til å komme seg opp i lufta og til å sirkle rundt ved kø og dårlig vær, så den faktiske rekkevidden blir kortere enn 520 km. Foreløpig er det derfor bare de aller korteste flyrutene som kan være aktuelle for elfly.

Med dagens teknologi kan altså elflyene få en rekkevidde som er 1/26 av det flyene vi bruker i dag kan oppnå. Hvor langt kan vi komme om vi forbedrer teknologien?

Elfly i fremtiden

E. Energieffektiviteten til elflyet kan muligens økes, spesielt om propellene blir enda mer effektive. La oss si at effektiviteten kan komme helt opp i 90%. Det vil si at vi øker det første tallet i likningen med 90%/73%=1,2. Om vi presser effektiviteten så langt opp vi bare klarer, vil det altså bare gi en økning på 20% i rekkevidde, mens det vi egentlig er ute etter, er å gjøre den 26 ganger så stor.

L. Ved å øke den aerodynamiske effektiviteten fra 20 til 30, øker rekkevidden med 30/20=1,5. Vi kommer altså 50% lengre, som fortsatt er mye mindre enn det vi ønsker.

C. Det siste som gjenstår er energitettheten i batteriene. Det er ganske trygt å forvente en rivende utvikling i batteriteknologien de neste årene. Den forventede økningen fra 0,7 til 0,9 MJ/kg frem til 2025 lar oss øke rekkevidden med nesten 30%. Det er ikke så mye. Om vi skulle komme helt opp til den teoretiske maksgrensen (noe som ikke er mulig i praksis) for Li-ion-batterier, ville det tilsvare å øke rekkevidden 6,3 ganger. Det er fortsatt mindre enn 26, men det begynner ihvertfall å monne litt. Om vi også tar med økningene i E og L, blir rekkevidden 1,2×1,5×6,3=11 ganger større enn med dagens teknologi.

Skal vi ha fly elfly med tilsvarende rekkevidde som dagens fly, blir vi nødt til å øke energitettheten i batteriene 26/(1,2×1,5) = 14 ganger. Li-ion-batteriene kan ikke bli 14 ganger bedre enn de er i dag. Andre, bedre alternativer er under utvikling, og de beste kandidatene er

Li-S batterier, forventet å oppnå 4,5 MJ/kg innen 2025 (6,4 ganger bedre enn i dag); teoretisk maksimum er 9,3 MJ/kg (13 ganger bedre enn i dag), og

Li-O2 batterier, forventet 6,3 MJ/kg innen 2025 (9 ganger bedre enn i dag); teoretisk maksimum 12,6 MJ/kg (18 ganger bedre enn i dag).

Konklusjon

Elfly kommer til å bli en stor forbedring for de korte flyrutene i Norge. Det skjer ikke over natta, men om teknologiutviklingen går som den skal, kan Avinor oppnå sitt mål innen 2040. Det gleder jeg meg skikkelig til.

Det skal imidlertid veldig mye til at helelektriske fly overtar langdistanserutene. Det vil kreve noen revolusjoner innen batteriteknologi. Alternativet, som fortsatt forurenser men gir mindre utslipp av CO2 enn i dag, er hybridfly som bruker de effektive elmotorene og har med seg jetdrivstoff for å lade opp batteriene underveis.

Det er viktig å huske på at utslippene av CO2 må reduseres, raskt, og med en gang. Elfly med lang nok rekkevidde til å virkelig gjøre en forskjell for luftfarten ligger for langt frem i tid til at vi kan fortsette å fly som før og vente på redningen. Om vi skal unngå katastrofale klimaendringer må vi slutte å slippe ut CO2. Selv med utviklingen i elfly er det vanskelig å se hvordan dette kan være forenelig med at vi skal kunne reise like langt og like mye som i dag. Beklager.

 

NB1: Siden jeg ikke er noen ekspert på flyteknologi, har jeg vært svært optimistisk i antakelsene om hvor mye effektivitetene kan økes. Se gjerne kommentaren fra Frode Lund, under, for noen betraktninger om utfordringer med vinterdrift og norske forhold, fra en yrkesflyger. Takk for innspillet.

NB2: En faktor jeg ikke har tatt med over er det som kalles optimal marsjfart, altså hvor raskt flyet må bevege seg for å oppnå lengst mulig rekkevidde. Som Harald Hauglin påpeker i kommentaren under, kan farten på de mest energieffektive elflyene bli så lav at de ikke lengre er konkurransedyktige i forhold til tog.

 

Kilder

Jeg har hentet tall og basert ligningen for rekkevidde på rapporten Electric flight – potential and limitation (Hepperle, 2012), og boka Sustainable energy – without the hot air (McKay, 2009).

Reklamer

8 thoughts on “Hvor langt kan vi komme med elfly?

  1. Viktig stoff, godt skrevet. Som vanlig!

  2. Ja, interessant og viktig. Nå er det vel sånn at batteriene i flyene skal lades, og da kan det bli fra kullfyrte kraftverk. Og batteriene skal lages. Det sies at det er energikrevende. Men hvorfor skal man fly til syden med årets sommervær.

    • Om det skal gi mening i et klimaperspektiv å gå over til elektriske løsninger, så betyr det også at elektrisiteten må produseres uten kull. Det er mye som må gjøres…

  3. Kan jeg by på litt malurt i begeret? 🙂

    Som yrkesflyver kan jeg ikke annet enn å tenke på de operative utfordringene ved et elfly slik de beskriver produktet i Hepperle-rapporten, og slik Avinor presenterer sin visjon for produktet. Anta først at man er i stand til å bygge ut infrastrukturen, og at dette ikke blir en bremsekloss. Videre antas at man faktisk greier å sertifisere en flymaskin etter regelverk som ennå ikke er utviklet, og at ytelsene blir gode nok for norsk innenriks. Widerøe har jo blitt nevnt som potensiell operatør i diverse artikler, derav eksempelet.

    Rapporten beskriver noen (optimistiske) forbedringer i aerodynamikk, som vil skape store utfordringer i den type operasjon vi utfører i Norge. Bare det økte vingespennet for å få opp L/D ratio vil skape en sakteflyvende is-oppsamlings-maskin som må bruke mye energi på avising, og som ikke tåler noe særlig av hverken sidevind eller turbulens under landing. Manøvrerbarheten vil også lide under konstruksjoner med langt vingespenn. En lengre vinge vil også kunne kreve støttestag, som igjen samler enda mer is og må ha avisingsutstyr, som da må hente energi fra en plass. Propelleffektiviteten kan nok ikke økes signifikant, siden man allerede har oppnådd effektivitet på rundt 0.9 ved marsjhastighet på dagens turboprop-design, eks. ATR 72-600 og Q400NG. Effektiviteten til en sakteroterende propell – tilpasset lave marsjhastigheter for en vinge med høyt L/D ratio, vil kunne lide under det faktum at man er avhengig av en viss RPM for å få kastet av is som bygger seg opp. Ved lav RPM vil isen kastes av usymmetrisk, og gi skadelige vibrasjoner på grunn av ubalanse i propellbladene. Vinteroperasjoner kan altså bli svært utfordrende, og vi har ennå ikke vurdert behovet for å nå alternative flyplasser langt unna, når polarlavtrykkene herjer i Nord-Norge. I tillegg vet vi av erfaring at ny teknologi inneholder ukjente variabler, og at løsningen på ett problem gjerne avstedkommer to eller flere nye problem. Hva med brann vs. slokkemuligheter, batterikapasiteten ved lave temperaturer i høyden – for ikke å snakke om raske endringer i utetemperaturen eller under lading. Eller hva med lynnedslag? Man vil støte på vektproblemer siden batteripakken ikke forbrukes under flyving slik jet fuel gjør, og man mister dermed fleksibiliteten man har ved å kunne justere drivstoffmengden (flyets masse) i forhold til avgangs- og landingsforholdene.
    Som et eksperiment, og ledd i utviklingen av ny teknologi, er elflykonseptet meget interessant. Men hvem skal finansiere R&D? Hvem skal ta den finansielle risikoen? Hvordan skal flyene sertifiseres til å bli like sikre og trygge som dagens flymaskiner? Vil passasjerene tørre å fly med disse flyene? Hva hvis noe uventet fører til at hele prosjektet må skrotes; hvem skal være erstatningsansvarlig for de flyselskapene som har investert milliarder i nye fly, og som står der uten alternative driftsmidler? År 2040? Mmm, skeptisk. Men dersom man får utviklet konseptet, er det kanskje brukandes i regioner med nye sol, og få værmessige utfordringer. Norge er ikke en god kandidat i så måte, men kanskje kan vi eksportere teknologi istedenfor olje!

    • Takk! Dette er veldig interessant. Anslagene mine er nok veldig optimistiske, for jeg tenkte at når jeg vet så lite om detaljene kunne det være greit å se hvor langt vi kunne komme om vi virkelig «får til alt». Men jeg gjør kanskje feil i å glede meg alt for mye til å besøke familien nordpå med elfly.
      Det hadde vært fint å vite mer om hvordan avinor tenker om disse tingene. Utad virker de ihvertfall svært optimistiske og entusiastiske.

  4. Takk for interessant lesning, Anja!

    Jeg må nok helle mer malurt i begeret. Det er nemlig ikke bare rekkevidden som er interessant: Min seilbåt har en fantastisk rekkevidde på en matpakke og en termos kaffe, men er totalt uegnet for målrettet persontransport. Både på grunn av stor følsomhet for skiftende vær, men ikke minst fordi selv under optimale forhold er de fleste andre transportmåter betydelig raskere.

    Hepperle-rapporten gir noen konkrete og klargjørende eksempler på tilpasninger av et regionalt passasjerfly til elektrisk drift. Med energioptimal marsjfart i området 250 til 300 km/t (for å få en viss rekkevidde, 1400 km på det aller mest optimistiske) ‘mister’ slike fly et vesentlig fortrinn framfor raske regionaltog. Legg til ulempen med flyplassers tidkrevende rutiner og (ofte) perifere beliggenhet, så framstår elektriske tog i mange scenarier som et langt bedre alternativ til fossilfly enn det elektriske fly kan bli i fremtiden. Men det er klart at i tilstrekkelig grisgrendte strøk er tog ikke lønnsomt, og elektriske regionale fly kan være det beste alternativet dersom man faser ut fossilfly.

Legg igjen en kommentar

Fyll inn i feltene under, eller klikk på et ikon for å logge inn:

WordPress.com-logo

Du kommenterer med bruk av din WordPress.com konto. Logg ut /  Endre )

Google+-bilde

Du kommenterer med bruk av din Google+ konto. Logg ut /  Endre )

Twitter-bilde

Du kommenterer med bruk av din Twitter konto. Logg ut /  Endre )

Facebookbilde

Du kommenterer med bruk av din Facebook konto. Logg ut /  Endre )

Kobler til %s