Kerosine vervangen door een ander type brandstof klinkt op papier misschien eenvoudig, maar is dat allesbehalve. Dat komt doordat de meest voor de hand liggende vervangers, accu's en waterstof, compleet andere eisen stellen aan de opslag ervan en daardoor enorme gevolgen hebben voor het ontwerp en de prestaties van een vliegtuig.
Gewicht
Accucellen zijn flexibel wat omvang betreft en kunnen op maat worden gemaakt, maar doordat de energiedichtheid per kubieke meter lager is dan bij kerosine, zijn er veel accucellen nodig. Zonder significante toename van de energiedichtheid per kilogram heeft dit ingrijpende gevolgen voor het gewicht van een vliegtuig. Voor een auto, vrachtwagen of bus is dat nog te overzien, maar voor een vliegtuig is het problematischer. Toch zijn er grote en zware vliegtuigen.
:strip_exif()/i/2004046142.jpeg?f=imagearticlefull)
Een Airbus A380 heeft een maximaal startgewicht van 575.000kg, 70 procent meer dan een Boeing 747 (334.400kg) en veertien keer zo zwaar als een KLM Cityhopper (Embraer 175, 40.370kg). Om voldoende lift te hebben, moet de snelheid hoog genoeg zijn. Vandaar dat grotere toestellen een langere start- en landingsbaan nodig hebben. Ook de ideale kruishoogte, waarbij het vliegtuig het snelst vliegt en de minste brandstof verbruikt, is mede afhankelijk van het gewicht en de aerodynamica. Een ijlere lucht betekent een lagere luchtweerstand. Ook betekent meer gewicht een hoger energieverbruik. Het grootste nadeel van accu's is dus het gewicht en de ruimte die de cellen in beslag nemen. Dat elektromotoren minder zwaar zijn dan reguliere motoren, compenseert dit een klein beetje, maar niet voldoende. Daar komt bij dat een vliegtuig op vloeibare brandstof lichter wordt gedurende de vlucht en op energie uit accu's niet.
Energiedichtheid
De bottleneck blijft de energiedichtheid. Kerosine bevat 43 megajoule energie per kilogram, terwijl lithium-ionaccu's die nu in productie zijn, ongeveer 1MJ/kg bevatten. Er lijkt dus nog een lange weg te gaan, maar er zijn lichtpuntjes. Een nieuw type accu dat momenteel in ontwikkeling is, betreft lithium-lucht, dat een veel hogere energiedichtheid heeft: tot 41MJ/kg. Die maximale hoeveelheid gaat waarschijnlijk in de praktijk nooit gehaald worden, maar een derde of een kwart daarvan misschien wel, wat nog steeds een enorme sprong vooruit is ten opzichte van de huidige lithium-ionaccu's. Los van de technische haalbaarheid blijft de betaalbaarheid dan ook nog een issue, want nieuwe technologie is in het begin onbetaalbaar en daardoor onbereikbaar voor bijvoorbeeld start-ups. Bovendien zijn lithium-luchtaccu's voorlopig toekomstpraat en nog lang niet rijp voor productie. De luchtvaart zal dus moeten meeliften op grootgebruikers, zoals de automotive sector.
:strip_exif()/i/2004046140.jpeg?f=imagearticlefull)
Efficiëntie
Zelfs als een nieuwe generatie accu's binnen handbereik was, zou er nog een flink gat te overbruggen zijn om in de buurt te komen van de energiedichtheid van kerosine. Maar een andere belangrijke factor is daarvoor eveneens van belang: de efficiëntie. Verbrandingsmotoren zijn niet heel efficiënt. Bij vliegtuigen gaat bijna twee derde van de energie tijdens de verbranding verloren, onder andere als warmte. Tijdens het cruisen gaat circa de helft van de energie verloren, maar tijdens het taxiën en de start- en landing is dat beduidend meer - veel energie wordt omgezet in warmte. Net als bij auto's zijn elektromotoren veel efficiënter. Tot wel 90 procent of meer, want er is geen verbrandingsproces en er komt veel minder warmte vrij. Hoewel de energiedichtheid van kerosine dus beduidend hoger is, blijft er effectief een derde tot de helft van de energie over, afhankelijk van het stadium van de vlucht. Dat komt effectief neer op 15 tot 21 van de 43MJ.
Dat betekent dat accu's een vergelijkbare hoeveelheid energie moeten leveren om op dezelfde effectieve waarde uit te komen. De huidige lithium-ionaccu's zitten daar nog een factor twintig vandaan, wat betekent dat er meer accucellen nodig zijn om dit te compenseren totdat accutechnologie met een hogere dichtheid is gerealiseerd. Tot het moment dat een nieuwe generatie accu's, zoals lithium-lucht of 3d-solidstate, concreet beschikbaar is, betekent dit dat accu's meer volume innemen en tot een hoger gewicht leiden. Vooral voor grote vliegtuigen en lange vluchten is dat problematisch.
De infrastructuur voor de elektrische aandrijving is lichter dan die van reguliere motoren. Verbrandingsmotoren, opslagtanks, leidingen en pompen nemen veel ruimte in beslag en zijn in hun totaliteit zwaarder dan de infrastructuur voor elektrische aandrijving. Dit compenseert het probleem echter slechts voor een deel. Daar komt bij dat accu's als enige energiedragers nog meer uitdagingen kennen, zoals degradatie. Een afnemende capaciteit en verlies van piekvermogen na verloop van tijd zijn vooral voor lange vluchten een uitdaging.
En de kosten? Ondanks de relatief lage prijzen voor kerosine, exclusief btw en accijns, is stroom goedkoper. Dat komt niet zozeer door een lage stroomprijs, maar vooral door het hogere rendement per kWh. Lagere kosten voor energie kunnen oplopen tot een besparing van 65 procent. Ook het onderhoud van de elektrische aandrijving, waaronder de elektromotoren, is goedkoper.
:strip_exif()/i/2006078616.jpeg?f=fpa)
:strip_exif()/i/2005927410.jpeg?f=fpa)
/i/2005773876.png?f=fpa)
/i/2004620466.png?f=fpa)
/i/2004739610.webp?f=fpa)
:strip_exif()/i/2005227792.jpeg?f=fpa)
/i/2004625602.png?f=fpa)
:strip_exif()/i/2003588876.jpeg?f=fpa)