Het acht motorige ontwerp Elysian. Waar laat je de 20.000 kilo aan accu's? (Afbeelding: persillustratie Elysian).
Met name voor commerciële vluchten met 100 passagiers zoals Elysian voor ogen heeft, stapelen de technische en economische obstakels zich op.
Kosten en complexiteit
Een fonkelnieuw elektrisch vliegtuig ontwikkelen is een gigantische opgave. Elysian, een Nederlandse start-up, claimt met een team van slechts 5 fte een 90-zitter te kunnen ontwerpen die 800 tot 1000 kilometer kan vliegen. De totale ontwikkelingskosten worden echter geraamd op ongeveer € 7 miljard, waarvan in de eerste fase al € 50-60 miljoen nodig is voor onderzoek en ontwikkeling. Ter vergelijking: gevestigde vliegtuigbouwers als Embraer hebben duizenden medewerkers en tientallen jaren ervaring nodig om een toestel als de Embraer 190 (eveneens circa 100 stoelen) te ontwikkelen en certificeren.
De Embraer 190 is een bewezen conventioneel straalvliegtuig, met een maximaal startgewicht van 51.800 kilo en een bereik van ruim 4.500 kilometer. De ontwikkelingskosten van een dergelijk toestel liggen traditioneel in dezelfde orde van grootte als het bedrag dat Elysian noemt, maar dan met een veel grotere organisatie en infrastructuur.
Batterij als struikelblok
Energiedichtheid en massa
Het grootste struikelblok voor elektrisch vliegen is de accu. Gangbaar is te rekenen met accu’s die een energiedichtheid (Wh/kg) hebben van 260 tot 270. (Dat is de energie die er per kilo accu kan worden opgewekt). Elysian rekent echter op een batterij-energiedichtheid van 360 Wh/kg. Dat is de helft meer. Dit is een technische eis die gebaseerd is op een techniek die nog niet bestaat en waarvan ook niet bekend is of deze ooit beschikbaar komt tegen betaalbare prijzen en in de benodigde volumes. Voor een vlucht van 800 kilometer met 90 passagiers is volgens hun eigen berekeningen een accupakket nodig van ongeveer 20.000 kilo (oftewel 20 ton). Dat betekent dat bijna de helft van het maximale startgewicht van het vliegtuig bestaat uit batterijen.
Vergelijking met kerosine
Ter vergelijking: de Embraer 190 heeft een maximale brandstofcapaciteit van circa 13.000 kilo kerosine, waarmee het toestel ruim 4.500 kilometer kan vliegen. Het verschil zit in het feit dat kerosine veel meer energie per kilo bevat dan batterijen. Waar een kilo kerosine ongeveer 12 kWh aan energie levert, haalt de beste batterij die Elysian verwacht te kunnen gebruiken slechts 0,36 kWh per kilo. Dat betekent dat je voor dezelfde hoeveelheid energie tientallen keren meer gewicht aan batterijen nodig hebt.
Op basis van de huidige technologie zou het toestel voorzien moet worden met een accupakket van 71.000 kg om een afstand te kunnen overbruggen van slechts 500 km. Dit komt neer op een accu die 3,5 keer zwaarder is dat het vliegtuig zelf.
Verder vermindert het totaalgewicht van een conventioneel vliegtuig naar mate verder vliegt en dus brandstof verbrand. Een leeggetrokken accu moet echter door de resterende accucapaciteit worden vervoerd, dat maakt het rendement van de restaccu lager.
Het twee motorige conventioneel vliegtuig Embrear E190 (afbeelding: persfoto Embraer)
Laadtijd
Maar zelfs als we het gewicht zouden negeren, stuiten we op een volgend praktisch probleem: de laadtijd. Vergelijk het met de laadinfrastructuur voor elektrische auto’s. Een Tesla Supercharger, momenteel één van de snelste laders, levert maximaal 250 kilowatt. Een Tesla Model 3 met een 60 kilowattuur accu is daarmee in ongeveer 25 minuten volledig opgeladen. Stel je nu voor dat je de accu van een Elysian, goed voor 76.000 kilowattuur, met zo’n Supercharger zou willen opladen. Dan ben je ruim 300.000 minuten, oftewel 211 dagen, bezig. Zelfs als je honderd van deze laders tegelijk zou gebruiken, kost het nog steeds meer dan twee dagen om de accu voor slechts één uur vliegen op te laden. De benodigde laadinfrastructuur is dus niet alleen onbestaand, maar zou ook een enorme belasting van 10.000 kW, vormen voor het elektriciteitsnet.
Verder is het de bedoeling dat het vliegveld meerdere elektrische vliegtuigen moet faciliteren. Bij 15 vliegtuigen wordt het 15 x 10.000 kW, id 150.000 kW (150.000.000 Watt = 150 MW). Een vliegveld als Schiphol verbruikt op dit moment gemiddeld 40-50 MW. Met de komst van slechts 15 elektrische vliegtuigen op een dag zou de net capaciteit moeten verdrievoudigen. Dit vraagt € 80 tot € 200 miljoen investering van het vliegveld voor netverzwaring en er zou hiervoor 1 kerncentrale type Borsele moeten worden bijgebouwd om de energie te leveren. Kosten € 20 tot € 30 miljard voor de kerncentrale.
Kosten van de accu
De kosten van het batterij pakket zijn enorm. Uitgaande van een marktprijs van ongeveer €120 per kWh voor lithium-ion batterijen (een conservatieve schatting voor de komende jaren), kost een accupakket van 20.000 kilo (bij 360 Wh/kg is dat 7.200 kWh) ruim € 860.000 per toestel, alleen al aan batterijen. Wanneer we zouden rekenen met de werkelijk beschikbare energiedichtheid van accu’s, zou er 70.000 kilo moeten worden ingekocht, ad €120, dus meer dan € 2,1 miljoen per vliegtuig. Bovendien moeten deze batterijen volgens Elysian ongeveer twee keer per jaar vervangen worden vanwege het intensieve laad- en ontlaadregime. Gedurende de levensduur van het toestel lopen de accukosten dus in de vele miljoenen euro’s.
Inbouwen
Zelfs wanneer de toekomstige accu’s lichter worden, is het inbouwen van 20 ton aan batterijen niet alleen een gewichtsprobleem, maar ook een constructieve uitdaging. De vleugels en romp moeten volledig opnieuw ontworpen worden om deze massa veilig te dragen en te integreren. Dit vereist geavanceerde materialen, nieuwe productiemethoden en langdurige uitgebreide certificeringstrajecten, wat de ontwikkelingskosten verder opdrijft. Ook moet nagedacht worden hoe 100 passagiers en hun bagage veilig een plek kunnen krijgen in het toestel.
Operationele beperkingen
Beperkt bereik en lange oplaadtijden
Het bereik van 800 tot 1000 kilometer dekt slechts korte Europese vluchten. Opladen duurt aanzienlijk langer dan kerosine tanken, waardoor het toestel minder inzetbaar is per dag. (Wanneer het überhaupt lukt het toestel binnen 1 dag te laden.) Dit verlaagt de economische haalbaarheid, want vliegtuigen verdienen hun geld vooral door veel vlieguren te maken. Een maatschappij als Transavia moet per dag een conventioneel toestel 3 retourvluchten laten maken om enigszins rendabel te zijn.
Zelfs als alle technische uitdagingen overwonnen worden, stelt Elysian zelf dat elektrisch vliegen pas economisch haalbaar wordt als de prijs van fossiele brandstof verdubbelt.
Conclusie
- Elektrisch vliegen op commerciële schaal met 100 passagiers is technisch en economisch onhaalbaar en onbetaalbaar:
- De benodigde accupakketten zijn extreem zwaar (miniaal 20.000 kilo) en duur (meer dan €800.000 per toestel, met frequente vervanging).
- Het ontwikkelen van een nieuw vliegtuigtype kost miljarden euro’s en vereist veel meer dan een klein team van vijf mensen.
- Het bereik en de inzetbaarheid blijven ver achter bij bestaande toestellen als de Embraer 190.
- Operationele kosten van het accupakket zijn extreem hoog vanwege de benodigde net capaciteit plus het tweemaal per jaar vervangen van de accu’s.
De droom is inspirerend, maar de harde cijfers laten zien dat elektrisch vliegen voor grote commerciële vluchten niet realistisch is.