lørdag 3. februar 2018

Elfly kommer for sent

Elfly og biodrivstoff trekkes ofte frem som teknologiske løsninger på de store klimabelastningene som luftfarten forårsaker. Problemet er stort i Norge, for nordmenns flyreiser utgjør mer enn halvparten av den totale klimabelastningen fra nordmenns reiser, og denne andelen er økende 1. Dette innlegget er om elfly. Et senere innlegg vil være om biodrivstoff til fly.

Et kort sammendrag er at hybridversjoner av elfly antagelig vil begynne å erstatte fossilfly på kort- og mellomdistanseruter en gang mellom 2030 og 2035. Fly har en levetid på typisk 25 år, så overgangen vekk fra fossilfly vil antagelig vare frem til 2060. En tilsvarende utvikling for langdistansefly ligger mye lenger frem i tid. Det vil gå mange tiår før elfly reduserer luftfartens klimabelastning, og de må derfor ikke brukes direkte eller indirekte som et argument mot å redusere dagens luftfart.

Elbiler er i ferd med å bli en moden teknologi. Men batterier er fremdeles tunge. De veier ca 50 ganger mer enn bensin med samme energimengde. Vekten av batteriene reduseres ikke når de tappes, i motsetning til vanlige drivstofftanker. Vekten er et veldig mye større problem for fly enn den er for biler. En tilsvarende utvikling med elfly som den vi nå har med elbiler, ligger derfor flere tiår frem i tid for kort- og mellomdistansefly, og mye lenger frem i tid for langdistansefly.

Jeg bruker betegnelsen elfly og elbil når energien til fremdriften bare kommer fra batterier. Jeg bruker betegnelsen hybridfly når en forbrenningsmotor eller en turbin i flyet hjelper til med å lade batteriene underveis og/eller gi strøm til elektromotoren. Batteriene lades med flyplassens strøm før avgang. Hybridflyene bruker batteriene primært når effektbehovet er stort ved avgang og stigning til marsjhøyden. Jeg bruker betegnelsen fossilfly når all energien til fremdriften kommer fra flydrivstoff.

Teknologiskiftet fra forbrenningsmotorer til elektromotorer i biler tar tid. Elbiler var vanlige for over hundre år siden, før de på 1920-tallet ble utkonkurrert av biler med forbrenningsmotor 2. Elbiler kom tilbake etter tusenårsskiftet, men fremdeles utgjør de globalt en liten del av bilparken. I 2016 var bare ca en promille av bilene elbiler, og salget av elbiler i 2016 utgjorde vesentlig mindre enn en prosent av nybilsalget 3. Tregheten i skiftet til el skyldes både infrastruktur og levetiden til dagens biler med forbrenningsmotor. Selv om utviklingen av elbiler nå går veldig fort, vil vi ha biler med forbrenningsmotorer på veiene våre i mange tiår til. En tilsvarende utvikling vil skje med el- og hybridfly. Først må teknologien komme til et nivå der det er mulig å skifte. Så vil tregheten i infrastruktur og flyenes levetid, som er lenger enn bilenes levetid, gjøre at skiftet vil ta tid. Jo flere nye fossilfly som er i drift da det blir mulig å skifte til el- og hybridfly, jo lenger tid vil skiftet ta.

Det er umulig å si sikkert når elfly har kommet like langt i utviklingen som elbiler har nå. For kort- og mellomdistansefly kan det skje omkring 2030. For langdistansefly vil ikke elfly komme i overskuelig fremtid 4.

Spesifikk energi er energimengde per kg. Hydrogen har nesten tre ganger større spesifikk energi enn bensin, og det har lenge vært snakk om at hydrogen og brenselsceller kan brukes i fly for å lage strømmen til elmotorene. Men det er problemer forbundet med både hydrogen og brenselsceller, og ingenting tyder på at vi får langdistansefly basert på hydrogen i overskuelig fremtid 5.

Fly har en økonomisk levetid på typisk 25 år. I følge Boing har det vært slik lenge, og ingenting tyder på at det vil endre seg. Boing forutser et veldig stort behov for nye fly i de neste 20 årene, hvorav bare 41 prosent av de nye flyene vil erstatte gamle fly. 59 prosent vil være for vekst 6. Selv om el- og hybridfly begynner å erstatte kort- og mellomdistanse fossilfly omkring 2030, vil vi fortsatt ha mange fossilfly i drift i 2050. Og langdistanseflyene i 2050 vil fremdeles være fossilfly.

Avinor hevder at all flytrafikk i Norge vil være elektrisk innen 2040 7. Det er ingen realisme i en slik spådom. Hybridflyene, som også har store utslipp av klimagasser fra generatorene sine, kan begynne å erstatte kort- og mellomdistanseflyene en gang på 2030 tallet. Deretter vil det ta flere tiår før de da eksisterende kort- og mellomdistanse fossilflyene er faset ut.

Antall passasjerer på norske flyplasser er omtrent jevnt fordelt mellom innenlandsk- og utenlandstrafikk 8. Avinors utsagn om 'All flytrafikk i Norge' må derfor innbefatte langdistansefly til og fra norske flyplasser. Langdistansefly vil i overskuelig fremtid være fossilfly.  Påstanden til Avinor er villedende, fordi den kan få oss til å tro at veksten innen luftfarten kan fortsette fordi teknologien snart vil fjerne utslippene. Det vil den ikke.

Det er grunn til å frykte at global oppvarming i de neste tiårene kan forårsake endringer som er selvforsterkende og derfor vanskelige å reversere. El- og hybridflyene kommer for sent til å forhindre dette, og de må derfor ikke brukes som et argument mot nødvendige reduksjoner innen luftfarten. Det eneste som kan få ned utslippene i tide er å fly mindre.

I resten av innlegget vil jeg beskrive situasjonen for el- og hybridfly slik jeg har klart å finne ut av i årsskiftet 2017-2018.

Hovedproblemet med elfly er batterivekten. Spesifikk energi til dagens beste litiumionbatterier er bare et par prosent av spesifikk energi til flydrivstoff 9. Batteriene blir stadig bedre, men det er antagelig fysiske/kjemiske grenser som gjør at de også i fremtiden vil ha mye mindre spesifikk energi enn flydrivstoff 10.

Flere produsenter jobber med små elfly med få seter som er i ferd med å komme på markedet 11. De vil være velegnet for f.eks. pilotopplæring der det bare er behov for plass til lærer og elev og kort rekkevidde. Elfly støyer lite og forurenser ikke, så de kan brukes nær bebyggelse. Elfly med få seter og kort rekkevidde kan antagelig brukes til å frakte passasjerer mellom småflyplasser om få år. Men da snakker vi primært om en trafikk som kommer i tillegg til dagens rutenett.

Airbus har laget elflyet E-Fan for testformål. Det er et toseters propellfly med marsjhastighet 160 km/t som kan fly i en time 12. Planene var å videreutvikle E-fan til et fireseters hybridfly som skulle fly i 2019, men disse planene ble skrinlagt i april 2017 til fordel for utvikling av et mellomdistanse hybridfly som de håper kan settes i drift i 2030. Det er i et samarbeid mellom Airbus, Siemens og Rolls-Royce. I første omgang vil de lage testflyet E-Fan X. Der vil de bytte ut turbinen i en av motorene i firemotors turbofanflyet BAE 146 med en 2 MW elmotor. Elmotoren får strømmen fra et to tonns batteri og fra en Rolls-Royce generator inne i selve flykroppen. Både batteriet og generatoren kan hver yte 2 MW. Energiinnholdet i batteriet er ikke bestemt. Generatoren går på flydrivstoff. De planlegger at E-Fan X skal fly første gang i 2020, og at mellomdistansefly basert på en tilsvarende hybridløsning kan settes i drift i en gang mellom 2030 og 2035. Batteriene gir ekstra energi når flyet tar av og stiger til marsjhøyden sin. Generatoren dimensjoneres for marsjfasen, og den behøver derfor ikke være så kraftig. Den kan optimaliseres for konstant ytelse, noe som gjør den effektiv 13.

Boing har kjøpt seg opp i Zunum som nå utvikler et 12-seters hybridfly. Det vil få marsjfart 550 km/t, rekkevidde 1100 km og være klart i 2022. Hybridløsningen har samme prinsipp som nettopp forklart for Airbus E-fan X med batterier som hjelper til når flyet tar av og stiger til marsjhøyden 14. Zunum planlegger å ha klart et 50-seters fly med rekkevidde 1600 km innen 2030 15.

Nederlandske eksperter hevder at spesifikk energi må tredobles før mellomdistanse hybridfly blir interessante. De tror ikke at det vil skje før 2035 16.

Hybridflyene vil bruke mindre drivstoff enn flyene som de erstatter. Airbus antyder reduksjon med et tosiffret prosenttall. I følge The Guardian antar Rolls-Royce at teknologien i E-Fan X vil gi 15 prosent besparelse i drivstoff. Nederlandske eksperter mener at 28% reduksjon i 2035 er realistisk. Reduksjonen vil være størst på korte flyturer og mindre på lange turer.

El- og hybridflyene som jeg har sett tegninger og bilder av, drives vanligvis frem av enten propell eller innebygget vifte. Den sistnevnte løsningen heter 'Ducted fan' på engelsk, og den fungerer som viften i en moderne turbofan jetmotor. Propell og vifte drives av elmotor. Ved hastigheter under halve lydens hastighet, dvs. under ca 550 km/t, er propell mer effektivt enn vifte og gir best rekkevidde. Ved høyere hastigheter er innebygget vifte mer effektivt enn propell og støyer mindre 17.

Jeg har ikke sett planer eller prosjekter for hybridløsninger for langdistansefly. Det kan skyldes at gevinsten med hybridløsning er betydelig på korte turer, men ikke på lange. Jo lenger turen er, jo mer av energien må komme fra forbrenningsmotoren eller turbinen. På lange turer kan gevinsten bli negativ fordi hybridbatteriet gjør flyet tyngre, noe som øker drivstofforbruket.

Fotnoter

1
I følge rapporten Vegen mot klimavennlig transport (TØI 1321/2014) utgjorde klimabelastningen av nordmenns flyreiser innenlands og utenlands i 2009 litt mer enn halvparten av den totale klimabelastningen fra nordmenns reiser det året. Etter 2009 har nordmenns flyreiser økt mer enn andre reiser.

2
Artikkelen Is the Electric Car Mature? gir en fin oversikt over historien til elbiler.

3
Data om elbiler er fra IEA Global EV Outlook 2017. Data om biler generelt er hentet fra Statista. Tallene som følger er globale tall.
IEA sier at det i 2016 ble solgt 0,75 millioner el- og ladbare hybridbiler. Statista sier at det i 2016 ble solgt 77,29 millioner biler, dvs mer enn hundre ganger mer en solgte el- og ladbare hybridbiler. IEA sier at det i 2016 var 1,2 millioner elbiler i bruk. Statista sier at det i 2015 var 1,282 milliarder biler i bruk, dvs mer enn tusen ganger flere enn det var elbiler i 2016.

4
Jeg har ikke funnet noen konkrete konsepter for utslippsfrie langdistansefly på nettet. Professor Carlo Aall, som er forskningsleder ved Vestlandsforsking, bidro i et innlegg i Ciceros Klima-magasin i slutten av november 2017. I den forbindelsen ble han intervjuet av Dagsavisen, der han bla. sier: Det er rett og slett ikke mulig i det tidsrommet vi har for å klare 1,5 til 2-gradersmålet, å utvikle en teknologi som tillater dagens omfang av langdistanseflyreiser. ... I prinsippet må vi kutte ut alle lange flyreiser. Skal vi tilbakelegge de samme strekningene, må vi reise på en annen måte, med båt, tog eller buss. ... elflyet, slik det i dag foreligger på tegnebrettet, er et mellomstort mellomdistansefly, som typisk har plass til om lag 50 passasjerer og kan fly 400 kilometer. Det er altså ikke noe realistisk elfly som motsvarer dagens store langdistansefly. Elflyene han snakker om er hybridfly som har betydelige utslipp.

5
Hydrogen har ca tre ganger større spesifikk energi enn bensin. I følge Bjorn Fehrm ved Leeham har det vært snakket om hydrogen som flydrivstoff i 30 år, men uten å komme nærmere en realisering. Jeg er overrasket over at de store flyprodusentene ikke ser ut til å satse på hydrogen for langdistansefly. Det kan skyldes utfordringer med å bruke hydrogen og brenselsceller i fly. Det kan også skyldes at komfort og hastighet er viktig for langdistansefly, og et propellfly med elmotorer vil fly vesentlig lavere (med muligheter for tordenvær, ising, turbulens) og langsommere enn dagens jetfly.
Wikipedia bekrefter synspunktene til Bjørn Fehrm. Hydrogenfly har vært diskutert siden 1950-tallet uten å bli realisert som kommersielle fly.
Teknisk Ukeblad har hatt flere artikler om hydrogenfly, bl.a. denne om Hy4. Men det er snakk om mindre fly med lav hastighet som flyr lavt, dvs. ikke egnet for langdistansefly.
På tross av de for hydrogen negative synspunktene så langt i denne fotnoten bør vi ikke på lang sikt avskrive hydrogen og brenselsceller for bruk i fly. For biler får vi nå i januar 2018 inntrykk av at lithiumion batteriene fullstendig dominerer over hydrogen og brenselsceller som strømkild. Men IEEE Spectrum publiserte for et drøyt år siden artikkelen Why the Automotive Future Will Be Dominated by Fuel Cells, der de gir gode grunner til at hydrogenbilen kommer. Argumentene holder for hydrogenfly også. Men det ligger nok langt frem i tid.

6
Boing publiserte rapporten Key Findings on Airplane Economic Life i 2013. I følge den har den økonomiske levetiden til deres fly holdt seg omkring 25 år lenge, og det der ingen tegn til at det vil endre seg i fremtiden. Rapporten avslutter med å skrive at luftfarten trenger 34 tusen nye fly i de neste 20 årene, og at 41% av disse er for erstatning av gamle fly og 59% er for vekst.

7
I følge NRK og Teknisk Ukeblad i januar 2018 hevder Avinor at all flytrafikk i Norge skal være elektrisk i 2040.

8
Fra Avinors statistikkside: Antall ankomster og avganger til/fra flyplasser i Norge i 2016 var ca 25 millioner innenlands og ca 20 millioner utenlands. Siden 2006 har disse tallene steget med 21 prosent for innenlands og 61 prosent for utenlands. Mye av utenlandstrafikken går med langdistansefly.

9
Litiumionbatteriet som brukes i dagens Teslaer, 18650, har spesifikk energi 0,207 kWt/kg. Teslas nye gigafabrikk skal produsere litiumionbatteriet 2170. Jeg finner ikke pålitelig informasjon om dens spesifikke energi. Dagens flydrivstoff har spesifikk energi 11,9 kWt/kg, som er 57 ganger mer enn Teslas 18650 litiumion battericelle.

10
Direktør Steffen Møller-Holst ved SINTEF Materialer og kjemi sier til Aftenposten 25. april 2017 at 'Energitettheten må være svært høy for at et større fly skal kunne fly en lang distanse. Fysikkens lover setter etter min mening sine klare begrensninger, og basert på faglig innsikt og kjennskap til materialenes egenskaper, mener jeg at vi ikke vil kunne produsere batterier som er lette nok til å kunne brukes i større fly og som gir en tilstrekkelig rekkevidde,'

11
Den slovenske flyfabrikken Pipistrel produserer øvelsesflyet Alpha Electro. Det er et lite toseters fly med rekkevidde ca 130 km, og det kan fly i ca en time. Motoren er på 50 kW. Avinor har bestilt et slikt fly for leveranse våren 2018.
IEEE spectrum skrev i august 2017 om toseters og et fireseters elfly fra amerikanske Bye Aerospace.
Det israelske firmaet Eviation håper at elflyet Alice Commuter vil fly sent 2018 og godkjennes for drift i 2020. Det kan ta 9 passasjerer, rekkeviden blir ca 1000 km, og cruisehastighet blir 440 km/t. Det kan være egnet som privatfly for firmaer.

12
Litiumionbatteriene i elflyet E-Fan bruker den samme 18650 cellen som Tesla bruker i sine biler i 2017. På cellenivå er spesifikk energi 0,207 kWt per kg, og på sammensatt batteri er den 0,174 kWt per kg.

13
Leeham og Siemens forklarer begge godt prinsippet og fordelene med et kort- og mellomdistanse hybridfly. Frank Anton fra Siemens gjør det samme i denne videoen.

14
Zunum beskriver 12 seters hybridflyet på hjemmesidene sine.

15
IEEE Spectrum skrev i november 2017 at Zunum planlegger å ha klart et 50 seters fly innen 2030.

16
TU skrev i juli 2017 at 'Mark Voskujil fra det tekniske universitet i Delft tror at elektriske fly først blir interessante når batteriers energikapasitet blir tre ganger høyere enn i dag – kanskje først omkring 2035.' I oktober 2017 publiserte Mark Voskujil m.fl. artikkelen Analysis and design of hybrid electric regional turboprop aircraft. Der studerte de ytelsen til et turbopropfly der en elmotor i hver flymotor bidrar til fremdriften sammen med turbinen (felles akse). Basert på tre gangers forbedring for både batterienes spesifikk energi og elmotorens ytelse per kg oppnår de en reduksjon i drivstofforbruk på 28%. De mener at dette er realistisk ca 2035.

17
Nettstedet aviation har en opplklarende diskusjon om propell vs innebygget vifte. Den er klar på at propell er mest effektivt ved hastigheter under mach 0,5, og at elfly sannsynligvis vil fly såpass sakte for å få akseptabel rekkevidde. I boken Commercial Aircraft Propulsion and Energy Systems Research: Reducing Global Carbon Emissions står det at propell ved lave hastigeter gir overlegen effektivitet i forhold til viften i en turbofanmotor.


Ingen kommentarer:

Legg inn en kommentar