Elektrische vliegtuigen: van zonnecel tot turboelectric distributed propulsion
2015-02-08 / Arno Landewers

Dat grote vliegtuigbouwers als Airbus en Boeing belangstelling hebben voor gebruik van elektrische motoren voor hun vliegtuigen werd afgelopen jaar voor het grote publiek duidelijk. Airbus dochter VoltAir introduceerde een licht sportvliegtuig, de E-Fan, dat is uitgerust met twee door 30 kW elektromotoren aangedreven achtbladige propellers, die door een ring zijn omgeven (zogenaamde ducted fans). Met energie opgeslagen in lithium-polymeer batterijen, die in de vleugel zijn geplaatst, kan het toestelletje een uur in de lucht blijven. In december werd bekend gemaakt dat Daher-SOCATA het ontwerp, de ontwikkeling en certificatie van de E-Fan verder ter hand gaat nemen, en ook een vierpersoonsversie gaat ontwikkelen. De opslagcapaciteit van de lithium-polymeer batterij, of andere moderne accu's/batterijen, is nog steeds relatief laag. Eerder deed dit initiatieven als die van Bye Energy voor de constructie van een volledig elektrisch aangedreven Cessna 172 mislukken. Maar omdat de automobiel industrie met hetzelfde probleem worstelt, wordt veel onderzoek gedaan naar verbeteringen, en dat zal ongetwijfeld op termijn leiden tot hogere opslagcapaciteit van batterijen.

De plannen van Airbus
De oprichting van VoltAir illustreert de interesse van Airbus in elektrische voortstuwing. Momenteel worden studies gedaan voor de ontwikkeling van een hybride aangedreven regionaal verkeersvliegtuig voor 80-90 passagiers, welke rond 2030 beschikbaar zal komen. Airbus voorziet dat door toepassing van batterijen met hoge capaciteit en zeer efficiente elektromotoren een dergelijk toestel kan vliegen tegen kosten die een fractie zijn van die van de huidige generatie turboprops. De batterijen zouden op de grond of in de lucht door gasturbines, werkend op kerosine of biobrandstof, kunnen worden opgeladen. Elektrische voortstuwing zou op deze manier een belangrijke bijdrage kunnen leveren aan de EU Flightpast 2050 doelen: reductie van uitstoot van CO2 met 75%, NOx met 90% en geluid met 65% ten opzichte van 2000.

Er zijn overigens diverse vormen van hybride voortstuwing. Naast de aandrijving van elektrische motoren met propellers/fans, kan een elektrische motor ook worden gebruikt voor aandrijving van luchtstroomgeneratoren, die op bepaalde locaties op een vliegtuigromp of vleugel de stroming positief beinvloeden en wervels verminderen, zodat de weerstand afneemt. Een andere vorm van hybride voortstuwing is de directe elektrische aandrijving van de turbine van een straalmotor, zodat het vermogen van de straalmotor (dat in een conventionele motor voor een deel wordt gebruikt voor aandrijving van de turbine) efficienter kan worden gebruikt. De elektromotor wordt dan aangedreven door brandstofcellen (zogenaamde Solid Oxide Fuel Cells (SOFC)), die bij hoge temperaturen kunnen werken.

Amerikaanse studies
NASA, in samenwerking met Boeing, voert momenteel studies uit naar een meer exotische vorm van elektrische voorstuwing: de zogenaamde turboelectric distributed propulsion. Hierbij wekt een gasturbine (een straalmotor) stroom op welke wordt gebruikt voor het aandrijven van veel kleine elektromotoren, die dan weer fans/propellers aandrijven. Door het toepassen van supergeleiding (het verschijnsel waarbij de elektrische weerstand van materialen verdwijnt bij extreem lage temperatuur) worden omzetverliezen gedrukt, zodat het systeem kan concurreren met andere vormen van voortstuwing. Het voordeel van deze methode is dat, als kruising van voortstuwing en luchtstroom generatie, de door elektromotoren aangedreven fans op allerlei gunstige locaties op de vliegtuigromp of vleugels kunnen worden geplaatst, zodat luchtstromen en wervels positief kunnen worden beinvloed.

Bij distributed propulsion worden relatief kleine fans geïntegreerd in de vliegtuigconstructie. Deze kleine fans hebben op zichzelf een te lage efficientie om met een moderne turbofan te kunnen concurreren; pas in zorgvuldig vormgegeven clusters (een zogenaamde array) kan winst worden behaald. De totale luchtverplaatsing van de geclusterde fans is veel groter dan die van conventionele turbofans. Ook kunnen de elektrofans op deze manier worden gebruikt om het vliegtuig te besturen en snel te laten stijgen of dalen.

Het concept dat NASA en Boeing nu bestuderen betreft een vliegtuig dat erg afwijkt van de huidige verkeersvliegtuigen. Het is een zogenaamde "wing-body" configuratie (foto 2), waarbij de romp een flink deel van de benodigde draagkracht opwekt en waarmee optimaal gebruik kan worden gemaakt van de voordelen van de distributed propulsion. De energie voor de elektromotoren komt van twee turbofans die aan de vleugeltips zijn aangebracht en nauwelijks stuwkracht leveren. In de studie wordt uitgegaan van een systeem met 15 motoren van van 45 kW voor de voortstuwing van een verkeersvliegtuig voor 300 passagiers. NASA heeft becijferd dat de omzetverliezen in ieder geval kleiner moeten zijn dan 7%, een effectiviteit welke door de huidige generatoren die gebruik maken van supergeleiding nog niet worden gehaald. Ook zal het gewicht van de generatoren naar beneden moeten om te kunnen worden toegepast in vliegtuigen. Om dit soort innovaties mogelijk te maken, wordt nauw samengewerkt met specialistische bedrijven.

Een ander probleem, dat toepassing van turboelectric distributed propulsion voorlopig tegenhoudt, is de benodigde sterkte van de fans/propellers. Om luchtstromen en wervels effectief te kunnen beïnvloeden, moeten de elektrofans opereren in een gebied waar de stroming verstoord is. Dit betekend dat de fan bladen moeten kunnen omgaan met verstoorde stroming, welke gepaard gaat met hoge belastingen, trillingen en verlies van effectiviteit. Onderzoekers van het Amerikaanse bedrijf United Technologies hebben ontdekt dat een effectieve fan alleen goed kan werken in een turbulente stroming door zowel vorm van de inlaat zeer zorgvuldig te vormgeven, als door versterken van de fanbladen en het toepassen van geleiding door vanen in de uitlaat.


Gehoopt wordt dat turboelectric distributed propulsion door combinatie met verhoging van de vermogen/gewicht verhouding van generatoren, gewichtsreducties in de vliegtuigconstructie en verfijning van aerodynamische vormgeving een serieus alternatief wordt voor de gasturbine, en binnen enkele decennia het aanzien van de luchtvaart zal veranderen.


foto 1: het VoltAir (Airbus) E-Fan prototype, zoals dat afgelopen jaar voor het eerst getoond werd (foto: Airbus Group)
foto 2: NASA/Boeing N3-X concept: een wing-body verkeersvliegtuig met 15 elektrische fans (foto: NASA).