Elflyg i praktiken – Hur realistiskt på större avstånd?

Det här gränsar kanske till fordon och transporter, men jag tänker mest på dom tekniska och fysikaliska aspekterna.

Elflyg i Norge
I Norge är avsikten att försök med eldrivna passagerarflygplan ska inledas 2023. Sträckan Stavanger–Bergen är 16 mil lång och har drygt en halv miljon passagerare årligen. Där är tanken att eldrivna passagerarplan ska börja flyga om fyra år.

https://www.energinyheter.se/20191105/21002/norsk-satsning-pa-elflyglinje

Är det realistiskt? Att teknologin för att göra detta finns och är känd är nog klart, men det brukar ta ganska lång tid att utveckla säkra passagerarflygplan från idé till att planet är i drift.

Finns det någon tillverkare av passagerarplan med i projektet? Tänker Norge börja bygga elflygplan?

Här finns några exempel på elflygplan. Se bl.a. under mellanrubrikerna "Light aircraft", "Solar Impulse circumnavigation" och "Developments".

https://en.wikipedia.org/wiki/Electric_aircraft#First_prototypes

Det som jag ser som det största tekniska problemet är att ett batteri som innehåller motsvarande energimängd som en liter flygfotogen väger flera gånger mer. Till viss del uppvägs detta av att elmotorns verkningsgrad är överlägsen jetmotorer eller andra förbränningsmotorer, men långt från helt. I flygplan är det "dyrt" att transportera vikt.
Vätgas har betydligt högre energitäthet än flygfotogen (och bensin och diesel). Om vätgasen kan hanteras säkert och på ett effektivt, även kostnadseffektivt, sätt omvandlas till el i bränsleceller så kanske elfyg också kan flytta passagerare över större avstånd?
Hur lång tid tar det innan vi har sådana bränsleceller?
Kanske är det batterier och elmotorer dom tänkt att använda i Norge?

Storlek, vikt och kostnad för batteri
Jag tar elbilen Tesla S, företagets flaggskepp, som bas för ett räkneexempel.
Batteriet är på 85 kWh, väger ca 540 kg och kostar uppskattningsvis USD 35000.
https://en.wikipedia.org/wiki/Tesla_Model_S

De Havilland Canada Dash 8-Q400
Jag tar det här flygplanet som ett exempel.
Spec:
90 passagerare
6,526 L bränsle (ca 5221 kg, motsvarande ca 52000 kWh).
Räckvidd: 2040 km
Tomvikt: 17819 kg
Max startvikt: 30481 kg
(ca 12662 kg för bränsle och last)
90 passagerare á ca 75 kg = 6750 kg.

En turbopropmotor kan förväntas förbruka 310 g per kWh.
https://aviation.stackexchange.com/questions/29588/are-turboprops-more-efficient-than-piston-engines-thrust-per-fuel-consumption

Det innebär att motorerna omvandlar ca 52000 kWh i bränslet till ca 5221 x 3 = 15663 kWh som används för att sätta fart på propellrarna.

10 Tesla S-batterier väger ca 5400 kg och ger ca 850 kWh. Räkna med att elektriska motorer har ca 90% verkningsgrad. Det ger en räckvidd på ca 100 km (=2040 x 0,9 x 850/15663).

20 Tesla S-batterier väger ca 10800 kg och ger ca 1700 kWh. Det ger en räckvidd på ca 200 km. Det är för tungt! Det blir mindre än 2000 kg som passagerarna får väga, dvs. max ca 27 passagerare.

Kanske det går att göra batterier som väger mindre än Tesla-batterierna?

I texten som länkas till nedan uppges att det går att få upp till 265 Wh/kg med Li-ion.
https://www.cei.washington.edu/education/science-of-solar/battery-technology/

Tesla S-batteriet ger 85 kWh per 540 kg, dvs. 157 Wh/kg.

Med effektiviteten 265 Wh/kg borde 5400 kg batterier kunna ge 1431 kWh och ca 170 km räckvidd. Då klarar man sträckan Stavanger–Bergen med 90 passagerare.

Motorerna i Q400, PW150A, utvecklar 5000 SHP (3677,5 kW) och väger 2 x 716,9 kg ≈ 1440 kg.

En effektiv elmotor för flygplan ger 5 kW/kg eller ca 735,5 kg för 5000 SHP. Ungefär samma vikt för elmotorn som för turbopropmotorn alltså.
https://spectrum.ieee.org/energywise/aerospace/aviation/first-passenger-electric-aircraft-to-take-off-soon

Tankar?

–

Utan räkna så ser ju vem som helst att dagens batterier inte räcker till. Du kan få 10-15 minuter hög prestanda för t.ex ett race (Red bull typ) men för passagerarflyg finns inga batterier i dag som räcker.

Väldigt intressant.

När det gäller flyg kan du dock inte bara räkna på 10km extra räckvidd som säkerhet på denna sträckan. Vart ska man landa om något går snett?

Jag misstänker att de tror att energitätheten i batterierna kommer bli större i kombination med effektivare motorer och eventuellt lättare material i flygkroppen. Dock är jag personligen skeptisk till att vi kommer byta flygbränsle på kommersiella flyg närmsta åren (evt. decenniet) .

Mvh Crookedbastard

Nej elflyg för långdistans kommer överhuvudtaget inte att bli någon grej på riktigt. Det är endast en grej i miljöpartisters huvuden.

Om inte något helt revolutionerande nytt sätt att lagra el upptäcks så sätter batteriteknikens fysikaliska begränsningar stopp för det.

Kortdistansflyg av den typen som ska testas i Norge kommer att fungera. Hur dyrt det blir och hur bra det fungerar återstår att se. Jag misstänker att det hela är mer att ses som ett politiskt jippo så att politikerna kan säga "titta vi gör faktiskt något för KLIMAAATET!".

Jag tänker att allt hänger på vilket glidtal man kan åstadkomma och vilken energidensitet batteriet har. Genom att utforma flygplanet på ett nytt sätt, och kanske flyga lite långsammare, går det nog att göra rätt stora förbättringar på glidtalet. Batteriet till en Tesla är byggt så att det klarar en sidokrock med en lyktstolpe själv, utan hjälp från bilens chassie, vilket gör lådan onödigt tung. Ett batteri till ett flygplan behöver rimligtvis inte klara en sån påfrestning. Utan man kan tänka sig att man inte har någon speciell låda för batteriet, utan pusslar in batterimoduler i utrymmet som bildas av flygplanets nödvändiga konstruktion, likt man gör idag med bränslet.

Det behövs nog en innovation på batterisidan för att kunna flyga längre avstånd på det sätt och med den bagagekapacitet som passagerare idag är vana vid.

Man har ju flygit jorden runt med solpaneler som energikälla på experimentflyg. Och med tanke på att man normalt vill flyga ovanför molnhöjden där luften är tunn, så lyser ju solen starkt. Så solpaneler skulle kunna vara en del av lösningen. Särskilt om man även gör ett genombrott med den tekniken. Ifall man skulle kunna fånga mer än 50% av solens energi, är möjligheterna stora.

Lol.

Fossil kräm är ca 50 ggr energitätare än panasonicbatterier.
Inom 4 år? Klart man kan sätta nåt plan i trafik, finns elplan redan nu men mest som en gimmick.
Norrbaggarna var pinsamma på svensk nivå när förre statsministern Stoltenberg lanserade Norges "månlandning" (ja de kallade projektet så) vilken innebar att försöka pumpa ner drivhusgasen CO2 i backen.
Det blev dyrt och misslyckades.
Sen började de sponsra elbilar så inihelvete och nu detta.

Det drabbar åtminstone ingen fattig.

Det skiljer ungefär en faktor 18 mellan vad man får ut på propelleraxeln från ett kilo flygfotogen och vad man får ut från ett kilo litiumbatteri. Inte i effekt, men i tid.

Bättre batterier?
Om batterierna blir fyra gånger så bra, jag vet inte om det är realistiskt, så skiljer det "bara" en faktor 4,5. Då kanske ett elplan med passagerare kan flyga 1000 km eller mer?

Bränsleseller
Jag läste lite här om bränsleceller.
https://en.wikipedia.org/wiki/Fuel_cell#Theoretical_maximum_efficiency

Mitt intryck är att bränslecellerna totalt sett inte är särskilt effektiva. Kanske kan man nå runt 50% verkningsgrad i farkosten, men framställning och övrig hantering är inte så effektiv.

Här finns lite om bränsleceller i farkoster.
https://en.wikipedia.org/wiki/Fuel_cell#Fuel_cell_electric_vehicles_(FCEVs)

Jag önskar våra grannar i Norge lycka till, men jag är skeptisk. Jag tror att det krävs bättre batterier än vad som finns om fyra år för att det här projektet ska lyfta (pun intended)...

–

Låt säga att man skulle göra ett elflyg som har 50% av vikten i batterierna, med ett glidtal på 20:1. Då får jag känslan att man kan räkna ut räckvidden som funktion av energidensiteten.

Effekt:
P = F * v / n
F = m * g / r_ld
P = v * m * g / (n * ld)
ld är glidtalet
n är verkningsgraden för drivsystemet.
g är gravitationskonstanten

Energilagring
E = r_b * m * ed
ed är energidensitet på batteriet
ba är andelen batterier

Flygtid:
t = E/P

Räckvidd:
s = t * v
s = v * E / P
s = v * ba * m * ed / P
s = v * ba * m * ed * n * ld / (v * m * g)
s = n * ld * ed * ba / g

Det blev ju en mycket enkel formel.
Räckvidden är alltså produkten av verkningsgraden, glidtalet, energidensiteten på batterierna, och batteriandelen, dividerat med gravitationskonstanten.

Så om vi sätter in
n = 50%
ld = 20
ed = 200Wh/kg
ba = 50%
g = 10 N / kg
s = 0,5 * 20 * 200 Wh/kg * 0.5 / (10 N/kg)
s = 0,5 * 200 Wh/N
s = 0,5 * 200 * 3600 J/N
s = 1800 * 200 m
s = 360 km

Det ser ju inte så imponerande ut. 36 mils räckvidd alltså. Man skulle med andra ord behöva förbättra flygplanet rejält för att få bra räckvidd. Öka L/D till kanske 30? Få till en propeller och drivlina med kanske 75% totalverkningsgrad? Använda batterier med 250Wh/kg?
s = 0,75 * 30 * 250 * 3600 * 0,5 / 10 m = 1000 km

Rimligtvis borde man alltså inte kunna lyckas med mer än ca 100 mils räckvidd på ett passagerarflyg med 50% andel batterier. Med dagens batterier.

Och det stämmer väl rätt bra med vad jag skrev från början. Fungerar för inrikesflyg, men en batteriinnovation behövs för längre flygningar.

Vad behöver du för drivlina?
Eller räknar du med hur effektiv propellern är på att driva luften?
Propellern kan man montera direkt på elmotorn.
Elmotor och inverter är inte orealistiskt att ha 90% verkningsgrad för huvuddriftfallet.

Som du är inne på så handlar det inte om att sätta elmotorer på nuvarande plan utan ett helt nytt flygplan.

Bränsleceller kanske inte är optimalt men kanske kan man konstruera jetmotorer som drivs av vätgas, för att flyga fossilfritt.

Verkningsgraden är alltså från batteriet till det som väl i dom här sammanhangen kallas "dragkraft". Alltså den framdrivande kraften.

Den stora "boven" är propellern. Hela kedjan från batteri till propelleraxel kan man nog få över 90% verkningsgrad på som du säger. Men att få 75% totalt inklusive propellern, det tror jag är svårt, men kan nog gå om man lyckas optimera bra. Sen kanske en propeller inte är det bästa valet heller, utan någon sorts fläkt är kanske bättre. Det valet beror nog främst på hur fort flygplanet ska flyga, och på vilken höjd, och vad ljudhastigheten är. Därför att en propeller kan inte ha högre varvtal än att periferihastigheten är under ljudhastigheten. Men det finns inte någon sån begränsning för en fläkt. Fast om målet är optimal verkningsgrad, då tror jag propeller är bäst, och så får man flyga lite långsammare.

Det är en intressant idé! Det är ca 3 gånger så mycket energi i 1 kg vätgas som i 1 kg flygfotogen.
Volymen är dock ca 4 gånger större för vätgas mot för samma energimängd flygfotogen.

Det har gjorts en del försök i den riktningen, bl.a. med TU-155 som utrustades med Kuznetsov NK-88. Den motorn kunde drivas med vätgas eller naturgas.

Här finns lite mer om detta.

Hydrogen-powered aircraft
https://en.wikipedia.org/wiki/Hydrogen-powered_aircraft

Tupolev Tu-155
https://en.wikipedia.org/wiki/Tupolev_Tu-155

NK-88 cryogenic fuel engine
http://ram-home.com/ram-old/eng_nk-88.html

–