skip to Main Content

El-fly og brint-fly: Flyvning på batterier eller brint som energilager

Luftfarten er pt helt afhængige af fossilt brændsel af fineste kvalitet (jet-fuel) og foreløbig er kun en forsvindende procent tilsætning af plantebaseret brændsel mulig. Da de plantebaserede løsninger i praksis er værre for klimaet end fossilt brændsel (se andre steder på dette website), så kigger alle i retning af helt andre løsninger. Det kan være syntetiske brændsler (og det omtaler vi heller ikke her), men det kan også være fly, der medbringer sin energi til motorerne med batterier eller brint, eller forskellige hybrid løsninger.

Er ‘bæredygtig flyvning’ inden for rækkevidde?

Første del af artiklen, nemlig den om el-fly, har vi bearbejdet fra en Hollandsk artikel, anden halvdel om brint-fly har vi fra den anerkendte YouTube kanal Just Have a Think.

Elektrisk flyvning er ikke mulig på længere afstande

Forfatteren til denne artikel er en luftfartsingeniør. Af private grunde afholder denne person sig fra at deltage aktivt i diskussionen.

“For at besvare ovenstående spørgsmål vil jeg først diskutere energiforbruget i moderne passagerfly og fortsætte med en historisk oversigt over udviklingen med at komme frem til elektrisk flyvning.

Som det vil blive klart, er elektrisk flyvning (desværre) ikke mulig med tænkelige midler, undtagen i nogle få nicher. I sidste ende må det derfor konkluderes, at diskussionen om elektrisk flyvning har et seriøst behov for ‘reframing’.

Brug af passagerfly

Fly findes i alle former og størrelser med startvægte, der spænder fra et par hundrede kilogram til flere hundrede tons. Kommercielle fly er store, især de fly, der tager sig af broderparten af ​​lufttransport.

Et moderne fly som Boeing 747-8 har en tomvægt på 215 tons og en maksimal startvægt (MOTW) på 442 tons. Nyttelasten er normalt 20 til 25 procent af sidstnævnte. Jeg benytter mig af 88 tons i det følgende, hvilket svarer til 460 passagerer plus fragt. I dette eksempel er der 120 tons brændstof i tankene.

Lige nu ser vi bortset fra, hvor langt flyveturen tager os, men det betyder noget, at brændstoffet næsten er løbet tør ved afslutningen af ​​flyvningen. Den gennemsnitlige vægt under flyvningen er således 215 + 88 + 120/2 = 363 ton.

Den gennemsnitlige løftekraft, der skal genereres, er derfor lig med 363.000 x 9.81 = 3.561 kilonewton (masse x tyngdekraft). Nu har den moderne Boeing 747-8 et glideforhold på 17,7. Det såkaldte slip tal er forholdet mellem løftekraften og luftmodstanden. Divisionen giver os 3.561 / 17,7 = 201 kilonewton til at overvinde modstanden.

Vi ved også, at dette fly har en cruising speed på 912 km / t eller 253 meter i sekundet. Fra dette kan vi beregne effekten: det er nemlig kraft gange hastighed. Vi kommer derefter til 201 x 253 = 50,9 megawatt. Derudover går der lidt ekstra strøm til indbyggede systemer (elektricitet, aircondition), men for nemheds skyld ser vi bort fra dette.

Mindre fly forbruger naturligvis mindre. Kraft forholder sig lineært med vægt med samme hastighed og i et lignende glideforhold. Med vores referencefly er forholdet mellem hastighed og glideforhold ganske ens. Så det handler om forholdet mellem vægt, nyttelast og brændstof. Og sidstnævnte afhænger naturligvis stærkt af den ønskede afstand, der skal flyves.

Uanset hvordan vi ser på det: at flyve er meget energiintensivt

Energitæthed for hhv. batterier, flydende brint og jetfuel. Kilde: Just Have A Think

Brændstofforbruget forholder sig på samme måde. Flybrændstof har en brændværdi på 43 megajoule per kilogram. Jetmotorerne har en virkningsgrad på cirka 45 procent og genererer således 43 x 0,45 = 19,4 megajoule fremdrifts kraft pr. kg brændstof.

Dette betyder, at effekten på 50,9 megawatt kræver et brændstofforbrug på 50,9 / 19,4 = 2,6 kg pr. sekund. Med de førnævnte 120 tons brændstof kan B747-8 flyve 120.000 / 2,6 = 45.800 sekunder. Det er 12,7 timer eller ca. 11.000 kilometer.

Dette er ikke en usædvanlig flyvetid og -afstand for en sådan B747-8. I praksis passer regnestykket ikke helt, fordi det at starte og accelerere også koster en hel del brændstof, som går tabt i form af varme ved opbremsningen. Analysen er derfor kun vejledende.

Vi kan også udtrykke brændstofforbruget i passagerkilometer pr. liter. Hastigheden på ca. 250 meter pr. sekund betyder, at vi har brug for 2,6 x 4 = 10,4 kg eller 10,4 kg / 0,8 = 13 liter pr. km (vægten af flybrændstof er 0, 8 kg pr. liter). Med 460 passagerer kommer vi 460/13 = 35 passagerkilometer pr. liter.

Hvis du kører 90 km/t på motorvejen i en bil, der bruger 1 liter benzin pr. 17,5 km og tager en passager med dig, kommer du til det samme brændstofforbrug. Men B747-8 bevæger sig ti (!) gange hurtigere. Dette er en indikation af den høje grad af perfektion, der karakteriserer moderne fly. Flyet er dog sjældent helt fuldt og den energikrævende start er ikke medregnet.

Hvordan har denne teknologi udviklet sig indtil videre?

Den første jetfly til persontransport var De Havilland Comet fra 1958. Hvis vi sætter energiforbruget på 100 procent med dette fly, blev den første betydelige forbedring hurtigt realiseret: omkring 1970, kun 12 år senere, da fløj man allerede cirka dobbelt så effektivt.

Dette skyldtes hovedsageligt ankomsten af ​​’bypass-ventilatoren’, en stærkt forbedret jetmotor, en stigning i skala og forskellige mindre forbedringer. Den næste faktor to i effektivitetsforbedring er nu også realiseret. Fly som B747-8 bruger kun ca. 25 procent af Comet’s brændstofforbrug per passagerkilometer.

Det sidste skridt tog imidlertid lang tid at realisere, nemlig fra 1970 til 2010, så cirka tre gange længere end det første skridt. Vi kan derfor konkludere, at moderne fly er meget veludviklede, ikke kun med hensyn til energiforbrug, men også inden for sikkerhedsområdet. Faktisk er fly derfor fuldt udviklet.

Selv et radikalt anderledes design, som f.eks. den “flyvende vinge”, giver kun ca. 20 procent yderligere forbedringer med hensyn til passagerkilometer pr. liter. Samtidig må vi bemærke, at luftfarten stadig optimerer på energiforbruget, men i langsomt tempo. For eksempel har kulfiber materialer været tilgængelige til flyproduktionen siden de tidlige 1970’ere for at reducere vægten i forhold til konventionelle aluminiumskvaliteter. De dukkede dog først frem i 2011 med introduktionen af ​​B787 Dreamliner.

Den forsinkede anvendelse af ny teknologi kan forklares med de høje omkostninger og høje risici ved sådanne innovationer.

Elektrisk flyvning

Især takket være succesen med Tesla-biler er batteriteknologien – med hensyn til hvor meget energi der kan opbevares i et kg batteri – forbedret markant på relativt kort tid. Et moderne lithium-ion-batteri, arbejdshesten i elbilernes verden, opnår 0,9 megajoule pr. kg.

Antag, at “vores” B747-8 bruger denne type batteri i stedet for jetbrændsel. Vi skal starte med at udskifte jetmotorer med elektriske propelmotorer. Som et resultat falder hastigheden fra 250 til 165 meter i sekundet, fordi propellerne simpelt hen ikke kan flyve hurtigere.

Naturligvis skal hele flyet re-designes, men det vil vi ikke overveje til denne første skitse.

Tomvægt, nyttelast og glideforhold forbliver derfor det samme i denne analyse. Startvægten vil være 215 + 88 + 120 = 423 ton, og dette vil forblive det samme under hele flyvningen. Modstanden er derefter 423 x 9,81 / 17,7 = 234 kilonewton, den krævede effekt er 234 x 165 = 39 megawatt.

I bedste fald har en propel en effektivitet på 75 procent. Hvis man antager 100 procent effektive elektriske motorer, kræves der 39 / 0,75 = 51 megawatt effekt. Det tømmer 51 / 0,9 = 57 kg batterier i sekundet.

Med 120 ton batterier ombord kan vi derfor flyve cirka 120.000 / 57 = 2100 sekunder: lidt over en halv time.

Denne rå skitse gør det klart, at elektrisk flyvning er mulig, men bestemt ikke på lange afstande. Det er en mulighed for korte flyvninger, især hvis fartens hastighed reduceres betydeligt.

Det tyske firma Lilium GmbH fokuserer blandt andet på dette segment og forventer at være i stand til at levere et fem-personers fly med en rækkevidde på 300 kilometer i 2025.

I princippet kan denne teknologi skaleres op til større fly, som kunne komme ind på det nuværende kortdistancemarked i 2030. Hastighed og rækkevidde, og derfor transportydelse, vil aldrig komme i nærheden af ​​fly som B747-8.

For denne 747-8 er ‘hybrid drift også en mulighed for en trinvis forbedring: under navnet E-Fan X har et konsortium ledet af Airbus allerede startet den første udvikling på dette område. Også her er de lange afstande ude af billedet.

Endnu en niche er ‘lufttaxien’, en quadcopter til lodret start og landing. Elektrisk fremdrift er lovende for dette, men denne type flyvning er helt uforenelig med for eksempel en transatlantisk flyvning.

Nytænkning kræves

Med det ovenstående forsøger jeg at tydeliggøre, hvor energikrævende flyvning faktisk er, hvor sofistikeret den eksisterende teknologi allerede er, og at elektrisk flyvning kun er egnet til korte afstande.

Derudover har jeg endnu ikke drøftet omkostningerne ved en sådan udvikling og den tid, der kræves til videreudvikling af elektrisk flyvning.

Enhver, der hævder, at elektrisk flyvning er bæredygtig, undervurderer ikke kun den kendte teknik, men også fysikkens grænser.

I stedet for at angive, at ‘teknologi vil løse problemerne’, bør man seriøst stille spørgsmålstegn ved, hvor realistisk det er, at den ønskede overgang vil finde sted, og i hvilket omfang. Bevisbyrden ligger hos dem. Som Aldous Huxley udtrykte det smukt: “Fakta ophører ikke med at eksistere, fordi de ignoreres”.

Brintfly

Flydende brint er et oplagt energilager, som vi så i illustrationen ovenfor. Derfor udvikles der også fly, der kan bruge brint som energibærer i stedet for fossile brændsler.

Der skal dog træffes et valg: Skal brinten omsættes til elektricitet via brændselsceller og et batteri-“buffer” eller skal brinten brændes af i jetmotorer (nogenlunde som de nuværende) ved at blande brint med ilt fra atmosfæren?

Det sidste virker mest fristende, ikke mindst for at opnå høj fart, som vi kender i dag.

Bagsiden af medaljen er imidlertid at der er store uløste problemer ved brint teknologien. Først og fremmest kræver spaltning af vand til brint (H2) og ilt (O) store mængder energi, og dermed et stort tab i form af varme. Og vedvarende energi til dette er som bekendt ikke til rådighed. Den brint, der bruges i dag, er altovervejende skabt udfra afbrænding af fossile brændsler. Og så er vi jo ligevidt.

Se nedenstående meget pædagogiske film. Bemærk den altovervejende pointe, som nævnes først og sidst: Problemet med de nye teknologier er, at de er meget dyrere end fossile brændsler er i dag. Så længe at luftfarten er omfattet af så massive tilskud, fx ved næsten afgiftsfrie fossile brændsler, så vil de nye teknologier ikke vinde frem. Uagtet at de nye teknologier kunne dukke op i “rene” former, eller i diverse former for blandinger (både el-motor og forbrændingsmotor). Dertil kommer tidsperspektivet, der uanset hvad er meget langt, første kommercielt tilgængelige fly vil vi se sidst i tyverne – HVIS prisforholdene ændrer sig radikalt.

Australsk rapport om brintfly – sammen med Boing

CSIRO har i samarbejdet med Boeing udarbejdet en rapport om, hvordan rene brintbaserede teknologier kan yde et væsentligt bidrag til reduktion af emissioner i luftfartssektoren.

Rapportens tese bliver underbygget af matematiske beregninger og fysiske argumenter. Bevar Jordforbindelsens anmelder er især glad for at artiklen redegør for de vigtige problemer ved flyvning med CO2 fri brændstoffer. Artiklen redegør for det enorme brændstofforbrug der er ved moderne flyvning og at den eksisterende teknik til anvendelse af CO2 fri brændstof langt fra er udviklet til, at man med et snuptag kan tage den i brug.

Rapporten udmærker sig ved at være kort og præcis. Det er godt at den henviser til en film fra ”Just Have A Think”, der har det samme indhold som artiklen, men er tygget for en uden at være belærende.

>> Læs selv rapporten (august 2020)

Back To Top
X