Die Zukunft des Fluges: Wasserstoff gegen elektrische Flugzeuge

Der Mensch hat vor mehr als einem Jahrhundert die Kraft des Fliegens genutzt, um über größere Entfernungen schneller als je zuvor miteinander in Verbindung zu treten. Diese erhöhte Konnektivität ist jedoch mit Kosten verbunden. Der moderne Flug ist vollständig auf fossile Brennstoffe angewiesen schrecklich für unseren Planeten . Abgesehen von extremen Lösungen wie dem Verbot von Flugreisen insgesamt haben wir Optionen für sauberere Flugreisen. Zum einen könnten wir unseren Flug mit Wasserstoff oder Elektrizität versorgen.

Der Motorflug hat von Anfang an fossile Brennstoffe verwendet, um den gewünschten Schub zu erzielen. 1903 Wright Motor war ein Gasmotor. Dies liegt daran, dass fossile Brennstoffe relativ einfach zu ernten und voller nutzbarer Energie sind. Diese Energie, die als „spezifische Energie“ bezeichnet wird, ist ein Maß dafür, wie viel Energie in jeder Einheitsmasse Kraftstoff enthalten ist und istEiner der Hauptgründe, warum fossile Brennstoffe unsere Flugmaschinen angetrieben haben. Was würden elektrische batteriebetriebene Flugzeuge oder Wasserstoffbrennstoffzellen brauchen, um fossile Brennstoffe zu ersetzen?

Wie dicht ist Ihr Kraftstoff?

Es gibt eine Menge Mathematik und Technik, um ein Fahrzeug durch den Himmel fliegen zu lassen. Flugzeuge müssen leicht genug sein, um fliegen zu können, aber robust genug, um die von uns benötigten Funktionen wie den Transport von Personen oder Gütern sicher auszuführen.Bevor Sie ein Kraftstoffsystem entwerfen können, müssen Sie wissen, wie schwer die Fahrzeug wird sein, wie weit Sie fahren möchten und wie schnell Sie dorthin gelangen möchten.

Nachdem Sie diese Werte kennen, fügen Sie Kraftstoff hinzu: Düsentreibstoff, Batterien oder Wasserstoff. Jedes dieser Systeme erfordert unterschiedliche mechanische Komponenten mit unterschiedlichen Gewichten - ganz zu schweigen von der Kraftstoffmasse selbst. Je mehr Kraftstoff Sie dann habenhinzufügen, je schwerer das Fahrzeug ist, was bedeutet, dass Sie sogar brauchen mehr Kraftstoff. Der Trick besteht darin, einen Ausgleichspunkt zu finden.

Idealerweise benötigen Sie für ein Flugzeug der Größe 737 bis zu 1111,2 km 600 Seemeilen einen Kraftstoff mit einer bestimmten Energie von etwa 800 Wattstunden pro Kilogramm Wh / kg. Diese Energie-Gewichts-Balance könnte etwa die Hälfte aller weltweiten Flüge aufnehmen. Zum Vergleich: Düsentreibstoff hat eine spezifische Energie von etwa 12.000 Wh / kg. Wasserstoff hat eine spezifische Energie von etwa 39.500 Wh / kg.dreimal effizienter als Düsentreibstoff. Tatsächlich hat Wasserstoff die höchste spezifische Energie für jeden praktischen Kraftstoff. Die einzigen Kraftstoffe mit einem höheren Energie-Masse-Verhältnis sind radioaktive Kraftstoffe. Die besten Lithium-Ionen-Batterien, die wir heute herstellen können, haben eine spezifische Energievon 250 Wh / kg, obwohl sie in den letzten Jahren effizienter geworden sind.

Wasserstoffbrennstoffzellen und Lithium-Ionen-Batterien haben ein ähnliches Problem. Das Brennstoffsystem wird unpraktisch schwer und groß, wenn Sie Systeme vergrößern um die mehr als 200 Passagierflugzeuge mit einer Reichweite von mehr als 1600 km anzutreiben. Mit beiden Systemen werden sie durch technologische Fortschritte effizienter, wenn wir die Technologie weiterentwickeln. Wir müssen wahrscheinlich auch unsere Arbeitsweise überdenkenVerwenden Sie Flugreisen in unserem täglichen Leben, wenn wir den Treibstoff, den wir zum Fliegen verwenden, neu gestalten.

Fliegend elektrisch

Erfolge auf dem Gebiet der Elektroflugzeuge haben in den letzten Jahren mehr Schlagzeilen gemacht. Zum Beispiel Solar Impulse II umkreiste erfolgreich die Erde wird das erste elektrische Flugzeug, das dies tut. Weil der elektrische Flug immer besser erreichbar wird Dutzende von Unternehmen entwickeln sich elektrische kleine und mittlere Flugzeuge mit Plänen, sie bis zum Ende des Jahrzehnts zu testen.

MIT-Ingenieure entwickelt ein elektrischer Hybridmotor, der dazu beitragen könnte, die Stickoxidemissionen aus Flugreisen um 95 Prozent zu reduzieren, eine Technologie, die bei der Dekarbonisierung unserer Luftfahrt von großer Bedeutung sein könnte. Derzeit sind die meisten Elektroflugzeuge auf dem heutigen Markt klein, ein bis vier.Sitzplätze, die von 15 Minuten bis zu etwa zwei Stunden fliegen können und eine Reichweite von höchstens 483 km haben.

Lithium-Ionen-Flugzeuge eignen sich theoretisch sehr gut für Regionalflüge mit 30 bis 200 Passagieren und einer Reichweite von 500 km. Unter der Annahme, dass wir ausreichend leichte Batteriesysteme entwickeln können, halten einige Experten dies für dasObergrenze für die Möglichkeiten von Lithium-Ionen-Batterien. Obwohl Lithium-Ionen-Batterien eine stabile 30 Jahre alte Technologie sind, gibt es einige Bedenken, wenn diese Technologie im Zeitalter der Elektronik hochgefahren wird. Sie neigen zu Überhitzung, was zu Überhitzung führen kannEin gefährlicher Batterietyp könnte der beste Schritt nach vorne sein, und einige Experten haben Lithium-Schwefel-Batterien im Blick.

„Batterien, die die Leistung über die grundlegenden Grenzen der Lithium-Ionen-Technologie Li-Ionen hinaus erweitern, sind für den Übergang von fossilen Brennstoffen unerlässlich“, Stephen Grifford und Dr. James Robinson von der Faraday Institution. in einem Papier beschreiben. „Die Lithium-Schwefel-Technologie bietet das Potenzial, billigere und leichtere Batterien anzubieten, die auch Sicherheitsvorteile bieten.“

Zu diesen Vorteilen gehört die theoretische Energiedichte von etwa 2.700 Wh / kg einer Lithium-Schwefel-Batterie. Bereits verwendete Lithium-Schwefel-Batterien erreichen bereits eine spezifische Energie von 100 bis 265 Wh / kg. Oxis Energy behauptet, dies getan zu habenentwickelten eine Lithium-Schwefel-Batterie, die eine spezifische Energie von 450 Wh / kg erreicht, mit Plänen, bis 2025 600 Wh / kg zu erreichen.

Going Electric öffnet auch die Tür für eine Renaissance von elektrischer vertikaler Start und Landung eVTOL Fahrzeuge. Es ist einfacher, ein elektrisches Antriebssystem gleichmäßig zu verteilen als bei herkömmlichen Verbrennungsmotoren, was in der Vergangenheit ein wesentlicher Faktor war, der die eVTOL-Technologie behinderte. Die eVTOL-Technologie könnte eine Jetsons-ähnliche Zukunft für fliegende Taxis und Autos einleitenhelfen Sie einer geschäftigen Stadt, mehr in Verbindung zu bleiben. Obwohl es für diese kleinen eVTOL-Fahrzeuge bereits mehrere Prototypen gibt, wird es wahrscheinlich ein Jahrzehnt oder länger dauern, bis sich die Technologie weiter verbreitet, wenn Unternehmen die Technologie entwickeln und die behördliche Genehmigung einholen.

Elektroflugzeuge haben einen erheblichen Vorteil gegenüber anderen Flugmethoden: Elektrofahrzeuge erfordern insgesamt weniger Wartung, da sie weniger bewegliche Teile haben, Strom billig ist und leicht zu erzeugen ist. Ein Elektroflug kostet vier bis sechs Dollar pro Betriebsstunde.Während Flugzeuge, die Düsentreibstoff verbrennen, 1000 bis 2000 US-Dollar pro Betriebsstunde kosten. Elektroflugzeuge sind nicht nur viel wirtschaftlicher zu fliegen, sondern auch viel leiser als ihre Gegenstücke mit Kohlenstoffverbrennung, was sie für Passagiere und Mitarbeiter komfortabler macht.

Die Kraft von Wasserstoff

Wasserstoff ist ein großartiger Kraftstoff für Verbrennungsmotoren. Er ist farblos, geruchlos, ungiftig und voller sauberer Energie. Wasserstoff ist auf unserem Planeten reichlich vorhanden, obwohl er in Chemikalien wie Wasser und Methan gebunden ist.Viele der Eigenschaften von Wasserstoff machen die Verwendung sicherer als Benzin. nach Ansicht einiger Experten Warum fliegen wir nicht mehr Flugzeuge mit Wasserstoffantrieb? Hauptsächlich aufgrund der derzeitigen Einschränkungen unserer Infrastrukturkapazität und der Konstruktion von Flugzeugen.

Obwohl Wasserstoff die höchste spezifische Energie aller nicht radioaktiven Brennstoffe hat, flüssiger Wasserstoff hat nur ein Viertel der Energie pro Volumen als Düsentreibstoff . Damit ein Flugzeug aus Wasserstoff die gleiche Energie wie aus Düsentreibstoff gewinnen kann, benötigt es einen etwa viermal größeren Speichertank. Um Platz für den zusätzlichen Speicher zu schaffen, haben die Hersteller im Allgemeinen die Gesamtzahl der Sitze oder geopfertsie werden die Flugzeugzelle etwas größer machen.

Firmen mögen ZeroAvia hat mit dem Entwerfen begonnen extern montierte Lagertanks für kleine Flugzeuge mit 20 Personen, die 500 Meilen oder weniger befördern, wahrscheinlich die Obergrenze für die Möglichkeiten dieser Lösung. Airbus hat enthüllt drei Konzeptflugzeuge unterschiedlicher Größe, die bis 2030 in den kommerziellen Dienst gestellt werden könnten, darunter ein Kurzstrecken- und ein Langstreckenflugzeug.

Die Infrastruktur, hauptsächlich in der Art und Weise, wie wir Wasserstoff produzieren, ist eines der Hauptprobleme, die die wasserstoffbetriebene Luftfahrt behindern. Dampf-Methan-Reformierung ist eine weit verbreitete Methode Für die Wasserstoffproduktion in den USA entfallen 95 Prozent des gesamten produzierten Wasserstoffs. Diese Methode basiert auf Erdgas und mischt Kohlenwasserstoffe mit Wasser, wobei Kohlenmonoxid und Wasserstoff als Nebenprodukt entstehen. Diese Methode wird jedoch abgebautWasserstoff ist nicht kohlenstofffrei und würde die Kohlenstoffverschmutzung der Luftfahrt nur woanders hin verschieben.

Glücklicherweise kann Wasserstoff durch einen sogenannten Prozess erzeugt werden. Elektrolyse . Damit können Sie Wasserstoff aus erneuerbaren Quellen produzieren. Sie benötigen lediglich Wasser und Strom. Elektrolyseure müssen Strom aus erneuerbaren Quellen wie Sonnenenergie beziehen, um Wasserstoff auf nachhaltige Weise zu produzieren. Wenn Wasserstoff in Kohlenstoff erzeugt wird- Eine Wasserstoff-Brennstoffzelle setzt Wasser und Wärme nur dann als Nebenprodukt frei, wenn sie verbrannt wird. Da uns die Infrastruktur zur sauberen Erzeugung von Wasserstoff fehlt, ist die Herstellung derzeit ein teurer Brennstoff. Wir haben Wasserstoff in großem Maßstab für verschiedene industrielle Funktionen hergestelltJahrhundert, also wissen wir, dass es möglich ist. Jetzt muss es kohlenstofffrei erweitert werden.

Fliegen ab 2040

Die Art und Weise, wie wir reisen, wird sich im Laufe des nächsten Jahrhunderts stark verändern. Die moderne Welt wird mit fossilen Brennstoffen betrieben, aber Strom und Wasserstoff werden die Welt von morgen befeuern. Wir verändern unsere Städte, revitalisieren den öffentlichen Verkehr und expandieren hoch- Geschwindigkeitszüge, die unsere Schiffe neu konstruieren und unsere Flugzeuge neu definieren. Es ist noch zu früh zu sagen, ob Wasserstoff oder Elektrizität dominieren werden, aber eines ist wahrscheinlich sicher: Beide werden in unserer Branche eine herausragende Rolle spielen, wenn wir uns auf den Weg macheneine kohlenstofffreie Zukunft.