Von Paul Callister und Robert McLachlan
Es ist nicht einfach, mit der sich schnell verändernden Welt der Elektroflugzeuge Schritt zu halten. Es kann wie ein Schneesturm aus atemloser Medienberichterstattung, Unternehmenspressemitteilungen, Animationen, Risikokapitalgeschäften und öffentlichen Angeboten aussehen.
Aber als die Starttermine näher rückten, haben die Unternehmen weitere Details veröffentlicht, die es ermöglichen, zu sehen, ob sich die Zahlen summieren.
Abgesehen von Jetsons-ähnlichen fliegenden Autos sind drei hochkarätige Elektroflugzeuge: Eviation’s Alice und Liliums Lilium-Jet, die beide auf den kommerziellen Betrieb im Jahr 2024 abzielen, und die von Heart Aerospace ES-19, mit dem Ziel 2026. Sie alle sind Start-ups, alle mit sauberen Plänen und alle mit erheblichen Finanzmitteln und Auftragsbüchern.
Während viele neue Technologien zusammenkommen müssen, um diese Flugzeuge fliegen zu lassen, ist der wichtigste Teil das Batteriesystem. In diesem Artikel verwenden wir unser bisheriges Wissen über diese drei Flugzeuge, um zu sehen, ob sie wie versprochen liefern.
Die Reichweitengleichung
Die Reichweitengleichung für batterieelektrische Flugzeuge lautet:
Hier
Flugzeugdesign ist immer eine Frage von Kompromissen. Einschränkungen im Zusammenhang mit Start, Reiseflug, Landung und Reichweite weisen alle in unterschiedliche Richtungen, während die Wirtschaftlichkeit von der Nutzlast, der Geschwindigkeit sowie den Fix- und Betriebskosten für den Anfang abhängt.
Die Eviation Alice
Rendering der Eviation Alice. Bildquelle: Eviation
Eviation kündigte eine umfassende Neugestaltung des 9-Passagiers an Alice in Juli. Entscheidend ist, dass sie einige Details zu ihrer Batterie veröffentlicht haben: Sie speichert 820 kWh und wiegt 3720 kg, was einer spezifischen Energie von entspricht eB = 220Wh/kg. Das gilt für den gesamten Akku und das gesamte System, einschließlich des Temperaturmanagements.
Als Referenz hat das Tesla Model 3 das Batteriepaket mit der höchsten spezifischen Energie, das derzeit weit verbreitet im kommerziellen Einsatz ist, bei eB = 160 Wh/kg. Teslas kommende 4680-Zelle, die in den Jahren 2022–2023 fällig wird, zielt jedoch darauf ab, 380 Wh/kg auf Zellebene zu erreichen, was bedeuten könnte, dass (unter Berücksichtigung von Rahmen, Verkabelung und Kühlung) 240 Wh/kg auf Packebene erreicht werden können .
Auf der anderen Seite dürften die Sicherheits- und Kühlanforderungen für Flugzeuge strenger sein als für Autos. Um das erforderliche Gewicht und die erforderliche Leistung zu erreichen, muss zwischen jetzt und dem kommerziellen Flug viel Engineering passieren, ganz zu schweigen von der Beruhigung der Regulierungsbehörden über die Risiken eines thermischen Durchgehens in den Batterien.
Lass uns verwenden eB = 220 Wh/kg für alle drei Flugzeuge.
Eine hohe Antriebseffizienz ist auch entscheidend für die Reichweite. Hier nehmen wir =0.87, das erfordert, dass jedes der elektrischen und Propellersysteme weit über 90 % effizient ist. Das ist optimistisch, aber wir können sicher sein, dass die Ingenieure so etwas anstreben.
Dies gibt dem 9-Passagier Alice, mit satten 58,6% seiner Masse, die von Batterien aufgenommen wird, eine Reichweite von 658 km (409 Meilen). Das ist eine Obergrenze, da wir den Energieverbrauch der anderen Bordsysteme nicht berücksichtigt haben oder die Tatsache, dass beim Klettern zusätzliche Energie verbraucht wird, die beim Abstieg nicht vollständig wiederhergestellt wird. Es ist weniger als die behauptete Reichweite von 820 km (510 Meilen), aber immer noch sehr beeindruckend.
Für Linienflüge steht jedoch nicht die gesamte Bandbreite zur Verfügung. Die meisten Aufsichtsbehörden (zB in den USA) verlangen für Flüge bei Tageslicht eine Sicherheitsmarge von 30 Minuten – ungefähr 165 km. (Nachtflüge benötigen 45 Minuten Reserve, und Flüge nach Instrumentenflugregeln müssen in der Lage sein, einen anderen Flughafen anzufliegen, plus zusätzliche 45 Minuten.) Außerdem nimmt die Batteriekapazität mit der Zeit ab und die Batterien werden wahrscheinlich alle ausgetauscht. 1500 Flüge oder so oder bei 80% Gesundheitszustand. Mit 30 Minuten Reserve und 80% Gesundheitszustand ist die verfügbare Reichweite der Alice wird auf 360 km (224 Meilen) reduziert.
Eviation hat ein bisschen Gewicht frei. Das Unternehmen könnte weitere Batterien hinzufügen, während es unter der Gewichtsgrenze von 8618 kg für diese Flugzeugklasse bleibt. Allerdings stellen sich schwindende Renditen ein, denn anders als beim Auto müssen die zusätzlichen Batterien hoch getragen werden, was Energie kostet. Das Hinzufügen von 50 % mehr Batterien würde die Reichweite nur um 16 % erhöhen.
Eine weitere kritische Aufgabe besteht darin, das Leergewicht so weit wie möglich zu reduzieren. Eviation gibt ein Leergewicht von 1530 kg an, das durch den Einsatz von Verbundwerkstoffen erreicht werden soll. Es gibt derzeit nur einen kleinen Jet, der mit Verbundwerkstoffen fliegt, den 6-Passagier-Hondajet. Es hat einen Rumpf aus Verbundwerkstoff, Flügel aus Aluminium und ein Leergewicht von 3379 kg. Eviation zielt auf weniger als die Hälfte dieses Gewichts ab.
Heart Aerospaces ES-19
Heart Aerospace-Rendering von ES-19-Flugzeugen für United Express.
Heart Aerospace hat gesagt, dass die Batterie des 19-Passagiers ES-19 wiegt 3000 kg. Damit liegt die Batterie bei 35 % des maximalen Startgewichts von 8618 kg. Dies steht auch im Einklang mit einem eB = 220 Wh/kg Akku und a Reichweitendiagramm vom Unternehmen freigegeben. Zusammen ergeben diese eine Reichweite von 393 km, was dem Unternehmensanspruch von 400 km entspricht. Allerdings frisst die Reservepflicht jetzt wirklich die möglichen Routen auf und lässt nur noch 150 km (93 Meilen) Reichweite übrig, wenn eine 30-Minuten-Reserve benötigt wird.
Die ES-19 soll aus Aluminium bestehen, das billiger, einfacher und schwerer als Verbundwerkstoffe ist. Heart Aerospace strebt ein Leergewicht von ca. 3600 kg an. Die Beech 1900 mit Aluminiumrahmen, ein beliebter Regional-Turboprop mit 19 Sitzen, gebaut von 1982 bis 2002, hat ein Leergewicht von 4732 kg. Eine Gruppe von Flugzeugingenieuren der Universität Linköping in Schweden hat kürzlich eine Konzeptstudie eines Elektroflugzeugs mit 19 Passagieren, das dem ES-19. Es kommt auf ein Leergewicht von 3623 kg, erreicht mit umfangreichen Verbundwerkstoffen und ohne Kostenbeschränkungen. Ihr detaillierteres Modell sagt eine Reichweite von 284 km (176 Meilen) voraus, wenn eB = 220Wh/kg.
Die Lilium-Jet
Lilium Jet, mit freundlicher Genehmigung von Lilium.
Die Lilium-Jet ist was anderes. Lilium, das bei weitem profilierteste Projekt der drei, ging kürzlich an die Börse und sammelte 585 Millionen US-Dollar zu den bereits vorhandenen 375 Millionen US-Dollar. Es hat 600 Mitarbeiter. Die Lilium-Jet verwendet eine Reihe von schwenkbaren Mantelgebläsen anstelle von herkömmlichen Propellern, was einen vertikalen Start ermöglicht, der schnell zum konventionellen Flug schwenkt. Es braucht keine Start- und Landebahn, hat aber eine untere Gewichtsgrenze (für Helikopter) von 3175 kg. Die Daten, die sie veröffentlicht haben, unter Berücksichtigung der Tatsache, dass die Batterien bei einer Batterieladung unter 10 % nicht die für die Landung benötigte Leistung liefern können, eine Reichweite von 160 km (99 Meilen) und damit deutlich weniger als ihr Ziel von 250 km (155 Meilen). (Dies ist weniger als die Gleichung für die Batteriereichweite, da die Mantellüfter weniger effizient sind als Propeller und die Schwebephase extrem energieintensiv ist, während das Lüfterdesign ein Kompromiss zwischen der Reise- und Schwebephase ist.)
Lilium erreicht eine Reichweite von 250 km durch den Einbau einer Batterie mit eB = 320 Wh/kg auf Zellebene und ohne das Gewicht der Verpackung und des Thermomanagements, mit dem Hinweis, dass „die Strukturmodule der Batteriezellen Teil der leeren Flugzeugstruktur sein werden“. Das ist eine ziemlich große Aufgabe, da sie bereits ein Leergewicht von weniger als der Hälfte des Hondajets anstreben.
Ist also alles ein Hype?
Nicht ganz. Batterien, die jetzt die Produktion aufnehmen, liefern eine brauchbare Reichweite, wenn auch nicht ganz das, was die Unternehmen erhoffen. Sie werden darauf abzielen, einen Fuß in die Tür zu bekommen und auf bessere Batterien umzusteigen, sobald sie verfügbar sind. Es sind technische Hürden zu nehmen, darunter die Gewichtsminimierung und die Zuverlässigkeit des Batteriekühlsystems. Bei der Zertifizierung sind politische Hürden zu überwinden. Vorhandene moderne Flugzeuge sind mit nur einem tödlichen Absturz pro zehn Millionen Flüge extrem sicher. Jegliche Batterieprobleme während Testflügen machen die Regulierungsbehörden äußerst vorsichtig. Darüber hinaus fordern die Entwickler auch Flexibilität bei den Anforderungen an die Kraftstoffreserven.
Oder ist es Greenwash?
Die Medien betreiben sicherlich Greenwashing wie verrückt und reden über „Dekarbonisierung des Flugverkehrs.„Elektroflugzeuge werden, wenn überhaupt, noch Jahrzehnte lang keinen sinnvollen Beitrag zur Dekarbonisierung des Flugverkehrs leisten – Jahrzehnte, in denen die Luftverkehrsemissionen stetig sinken müssen, um die Klimaziele zu erreichen. Flüge bis zu 200 km tragen weniger als 1 % zu den Luftverkehrsemissionen bei, Flüge bis zu 500 km tragen zu 5 % bei.
Die Unternehmen selbst haben etwas andere Ziele. Sie sind in der Hoffnung, beleben kommerziellen Kurzstreckenflugverkehr, der aufgrund seiner Unrentabilität und begrenzten Zeitersparnis rückläufig war. Die Idee ist, einen günstigeren, komfortableren und bequemeren Service als bestehende Regionaljets anzubieten. Billiger, weil elektrisch, komfortabler, weil leiser und neu, bequemer, weil sie mehr und kleinere Flughäfen nutzen werden. Kommt es dazu, und vor allem, wenn die Strecken zu Großflughäfen mit Anschluss an Langstreckenflüge führen, würden Elektroflugzeuge zu erhöht Emissionen insgesamt. Im Erfolgsfall würden sie auch den emissionsärmeren Landverkehr wie Züge untergraben.
Alles zusammen und es buchstabiert … Neuseeland?
Vor diesem Hintergrund macht es Sinn, dass Sounds Air aus Neuseeland als Australasiatischer Erstkunde für die ES-19. Sounds Air verfügt derzeit über sechs 9-sitzige und vier 12-sitzige Flugzeuge, die hauptsächlich kleinere Ziele wie Blenheim (28.000 Einwohner) anfliegen. Eine wichtige Startroute wäre Blenheim-Wellington, nur 75 km (47 Meilen) über die Cook Strait, eine berühmt raue Wasserfläche, die die Roaring Forties kanalisiert. Der Flug würde eine Fahrt mit der Fähre von 3 Stunden und 40 Minuten vermeiden. Eine solche Route – wenn es der Gegenwind zulässt – ist ideal und könnte zu vielen ähnlichen Insel-Hopfen auf der ganzen Welt führen.
Sounds Air könnte auch die Regulierungen einfacher finden. Neuseeland war sehr daran interessiert, städtische Luftmobilitätsunternehmen willkommen zu heißen, die seine „Flexibilität“ und haben gesagt, dass sie in Neuseeland Dinge tun können, die sie wäre nicht in der Lage in den USA zu tun.
Elektroflugzeuge befinden sich in einem spannenden Stadium und könnten durchaus eine Nische finden. Aber sie riskieren auch, sich in ein weiteres Mittel zu verwandeln Hypermobilität für die Reichen, zu einer Zeit, in der alle Verkehrsträger Emissionen, Energie und Ressourcen reduzieren müssen.
Paul Callister ist Ökonom an der Victoria University of Wellington, Neuseeland. Robert McLachlan ist Angewandter Mathematiker an der Massey University in Neuseeland. Sie schreiben über Klimathemen bei planetaryecology.org.
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