Aan dit artikel is op 9 mei 2015 een update toegevoegd ( update 9 mei )
Ik heb eerder geschreven dat elektrische vliegtuigen mogelijk zijn, maar niet praktisch (zie hier over de Solar Impulse) , en dat kerosine nodig
blijft.
Nu komt Duurzaam Nieuws (30 maart 2015) met het bericht dat Siemens een nieuw type elektromotor ontwikkeld heeft, die voor hetzelfde gewicht 5* zoveel vermogen levert (lees –> Siemens ontwikkelt sterke elektromotor voor vliegtuigen_maart2015 het bericht). Concreet noemt het artikel een motor van 260kW continu, die 50kg weegt. Siemens meent dat je daarmee ooit kunt gaan vliegen. Nog sterker, eind 2015 is de eerste testvlucht gepland met een “hybride elektrisch vliegtuig“.
Nu wordt ik op deze weblog graag tegengesproken en Siemens is niet de eerste de beste, maar bij Solar Impuls staat ABB en dat is ook niet de eerste de beste.
Nu sidder ik so wie so al niet voor autoriteiten, ook niet als ze Siemens heten, dus ik ga het toch maar eens fact checken.
Ik kijk eerst of het Siemens-vliegtuig puur op zonlicht kan vliegen, en dat doe ik door de gegevens van de Solar Impuls erbij te betrekken.
Daarna kijk ik of elektrische energie significant kan meetellen bij een overigens fossiele aandrijving.
Puur op zonne-energie
Ik geloof meteen dat Siemens goede elektromotoren maakt en dat ze zichzelf hier hebben overtroffen. Maar de vraag is of de motor het hoofdprobleem is dat moest worden opgelost.
De Solar Impuls vliegt rond met 270m2 zonnepaneel à 23% rendement, die dus in ideale omstandigheden goed zijn voor ca 0,23kW/m2 * 270m2 = 62kW vermogen. De vier motoren van de Solar Impuls draaien elk 13,5kW maximaal en 11,2kW etmaalgemiddeld. Zeg maar samen rond de 50kW continu. De Solar Impulse houdt dus een beperkt deel van de dag een restant over voor de besturingsfuncties en om de accu’s op te laden (die samen overigens 633kg wegen). De details van de energie-
balans hangen af van de details van de vlucht, maar grofweg lijkt het een consistent systeem. Het dingt heeft feitelijk gevlogen (bij mooi weer).
De Solar Impuls heeft voor zijn zonnepanelen-oppervlakte nu al een spanwijdte nodig van 72 m (dat is meer dan een Boeing 747). Verder moet iets, dat in essentie een zweefvlieguig met hulpmotor is, om aerodynamische redenen relatief smalle vleugels hebben. Het lijkt dus niet goed mogelijk een nog grotere vleugeloppervlakte te maken. Evenmin
lijkt het mogelijk om op korte termijn ultradunne film – zonnecollectoren te maken met een rendement dat ver boven de 23% ligt. Dus lijkt het niet goed mogelijk dat welk zonnevliegtuig op dit moment dan ook boven de (pakweg) 70kW elektrisch continuvermogen uitkomt.
De nieuwe motor van 260kW is niet relevant, omdat de bottleneck elders zit: in de totale oppervlakte en het rendement van de zonnepanelen.
Op basis van genoemde specificaties kan de Solar Impuls de wereld rondvliegen met de snelheid van een auto, één piloot als menselijke bagage in een onverwarmde cockpit zonder overdruk, en dagen de tijd.
Ik geloof niet dat het Siemens-vliegtuig als puur elektrisch vliegtuig reguliere comfortabele lijnvluchten met passagiers en vracht kan uitvoeren.
In combinatie met motoren op fossiele brandstof?
Als het hybride mag, en als het moet met echte mensen en koffers erin, gehuld in een drukcabine, en ongeveer presterend als bestaande
vliegtuigen?
Dan moet het vliegtuig veel zwaarder zijn, veel kleinere vleugels hebben en veel sneller gaan, en dat vraagt om veel grotere vermogens. Een ouwe F27 bijvoorbeeld had een vermogen van grofweg 1500kW, een BombardierQ400 van 6800kW en een Cessna Citation rond de 1000 a 1500kW. Zonnepanelen zouden daarvan (vanwege de kleinere vleugels) slechts een klein deel kunnen leveren (bijvoorbeeld 20kW). Kortom, de zonne-energie levert dan ca 1 a 2% van wat nodig is en het kost je vanwege de accu’s extra gewicht. Je kunt dat natuurlijk hybride noemen, maar dan rek je het begrip wel heel erg op.
Zie voor een update op dit onderdeel ( update 9 mei ).
Conclusie
Ik zie niet dat de nieuwe Siemens-motor praktisch elektrisch vliegen mogelijk maakt. Het is vast een hele mooie motor, maar de hoofdproblemen zitten elders.
Hoezeer het mij ook spijt, van fossiel vliegen zijn we voorlopig niet (en waarschijnlijk nooit niet) af.
Als het goed is, is in 2050 het verbruik van fossiele brandstof teruggebracht tot bijv. de helft van die in 2005, en wordt dat laatste restje zeer selectief gebruikt voor wat niet anders dan fossiel kan. En ik denk dat het vliegen daarbij hoort.
Toen in 1947 de transistor werd uitgevonden en de computers al een stuk kleiner werden, beweerde IBM dat er wereldwijd niet meer dan 7 computers nodig zouden zijn. Het tijdschrift “Popular Mechanics” voorspelde toen ook dat er ooit een computer zou komen die ‘maar’ 1500 kilo zou wegen…
Ik ben mijn hele beroepsleven lang natuurkundeleraar geweest, en ik ben me daarom bewust van de door u genoemde valkuil. Een beroemd citaat uit onze natuurkunde-subcultuur is “In 1895 beweerde Lord Kelvin dat vliegende machines zwaarder dan lucht onmogelijk waren.” En Lord Kelvin was een beroemdheid vanwege de vele goede andere dingen die hij gezegd heeft.
En toch blijf ik bij de hoofdlijn van mijn bewering. De bottle neck van het volledig elektrische vliegtuig zijn niet de motoren, maar de zonnepanelen en de daarvoor beschikbare oppervlakte. Zonnepanelen zullen een hoger rendement gaan krijgen (maar uit meer lagen gaan bestaan, waardoor ze zwaarder worden), maar zelfs als het rendement 3* zo hoog zou worden (wat onwaarschijnlijk veel is), dan nog kom je met 270m2 paneel (zoals de Solar Impuls) aan zo’n 200kW continuvermogen.
Al dit soort low power-vliegtuigen zijn heel groot en vliegen heel langzaam. Een typische snelheid voor de Solar Impulse is 30 m/s (108km/h). Als dat vliegtuig rechtuit zou vliegen (in praktijk klimt en daalt hij), en als hij de helft van zijn vermogen kwijt zou zijn aan zijn leef- en besturingssystemen en zijn accu’s, dan ondervindt het vliegtuig een wrijving van 100000/30 (vanwege F=P/v) = 3300N. Een zweefvliegtuig met motoren zal ongeveer een glijgetal van 10 hebben (ongeveer een albatros), hetgeen betekent dat het vliegtuig 33000N mag wegen (mits voldoende lift, vandaar die grote vleugels). De hele constructie mag dus 3300 kg zijn (de Solar Impuls is 2300kg). Daar kun je dus praktisch niets mee. Ter vergelijking: een Cessna 172 weegt (bij de start) maximaal 1113kg en heeft een motor van 120kW. Je praat dus bij een volledig elektrisch vliegtuig ruwweg over een Cessna met de vleugels van een Boeing 747 in zweef-uitvoering.
Dit is een natte vinger – berekening, maar ook nettere berekeningen lopen tegen dezelfde fundamentele beperking aan, namelijk het sterk verdunde karakter van zonne-energie en van alle vormen van duurzame energie. Wil je daar toch aanvaardbare hoeveelheden uit winnen, dan vraagt dat hele grote volumes of oppervlaktes.
Ik zeg dit niet omdat ik het leuk vind. Ik zit in de actiegroep, die tegen de voortdurende groei van het Eindhovense vliegveld is, vooral vanwege het lawaai. Ik zou niets liever willen als dat er geruisloze elektrische vliegtuigen waren. Maar die zijn er niet en kunnen niet (met praktisch bruikbare specificaties) bestaan.
Ik zal nog eens kijken hoe zwaar lithiumaccu’s wegen, om de vraag te beantwoorden of je heel veel elektrische energie in accu’s kunt opslaan zodat die het meeste werk doen tijdens de start en eventueel landing, waarna de gewone motoren het op grotere hoogte overnemen. Ik ben niet optimistisch.
Ik denk wel eens in mijn stoutste dromen dat het ooit mogelijk zou moeten zijn om de enorme hoeveelheid beschikbare energie van de zon op te vangen , te bundelen en dan naar de aarde stralen .
B.v. Naar een vliegtuig,of naaronze huizen enz. ….?????????
Er is wel eens gedacht over dit soort schema’s, maar de bundel, die nodig is om de opgevangen energie naar de grond te stralen, is levensgevaarlijk. Een duif die er door heen vliegt valt gekookt neer. En stelt u zich voor dat de bundel, door nooit helemaal te voorkomen instabiliteiten, voortdurend op de grond een paar honderd meter heen en weer wandelt.
Een bescheidener aanpak van het probleem is om de concentrerende spiegels in woestijngebied op de grond te zetten en, met een heleboel tegelijk, op een centrale toren te richten, waarin je in een bad van gesmolten zout water verhit tot stoom – enzovoort. Dit soort inrichtingen bestaan al – ze heten Concentrated Solar Power (CSP). Als u daarop googelt, vindt u er wel een stel. Voordeel van het gesmolten zout-bad is dat de stroomlevering doorgaat na zonsondergang.
Het zou erg mooi zijn wanneer vliegtuigen in de toekomst geheel elektrisch zijn. Waarschijnlijk duurt het nog een tijdje. Extra gewicht in de lucht is niet erg voordelig. Hopelijk worden er snel nieuwe modellen getest. Als het op de weg kan, moet het ook in de lucht kunnen!
Geheel elektrische vliegtuigen zullen beperkt blijven tot kleine vliegtuigjes.
Het is echter niet nodig dat vliegtuigen, die reëel bestaande mensen met reëel bestaande bagage in beperkte tijd kunnen vervoeren, geheel elektrisch worden. Het zou al goed zijn (en mogelijk vanwege de mijnbouw tbd de accu zelfs beter) als ze hybride elektrisch waren. Er zit dan een relatief kleine accu in, die onderweg wordt opgeladen of met een benzinemotor of met een brandstofcel.
Zulke vliegtuigen hebben op de proef al rondgevlogen en aan een praktisch prototype wordt gewerkt.