Grafik: Jonas Askergren Fakta: Johan Kristensson

Så mycket bättre batterier krävs för att elflyget ska lyfta

2020-01-23 06:00  

Intresset för elflyg växer. Men det krävs tekniska språng innan betydande delar av flygtrafiken kan elektrifieras. Utmaningen ligger i batteriernas energitäthet.

Johan Kristensson

Flygets utsläpp av växthusgaser står bara för några procent av mänsklighetens totala utsläpp. Men antalet passagerare ökar med cirka 5 procent årligen i takt med att fler får råd att flyga.

Flygbolag berättar gärna att deras utsläpp per passagerarkilometer minskar. Mellan 1960 och 2010 halverade nya plan sin bränsleförbrukning. Men utvecklingstakten har stagnerat.

Under 1980-talet var den årliga minskningen i snitt 2,3 procent. Motsvarande siffra under 00-talet var måttliga 0,2 procent, enligt ICCT. Det tycks bli allt svårare för ingenjörerna att bygga bränsleeffektivare plan.

Grafik: Jonas Askergren Fakta: Johan Kristensson

Elflygplan möjlig lösning

Precis som för många andra transportslag sätter somliga därför hoppet till batterier och elektrifiering för att minska utsläppen av växthusgaser.

De senaste åren har flera projekt presenterats. Svenska Heart Aerospace siktar på att 2025 flyga kommersiellt med ett eldrivet plan med plats för 19 passagerare. Räckvidden anges till 400 kilometer. Norge hoppas att redan 2023 trafikera den 16 mil långa sträckan Stavanger–Bergen med elflyg.

Men viktigt att påpeka är alltså att de presenterade projekten hittills handlar om små flygfarkoster. Ska tekniken kunna ersätta dagens trafikflygplan krävs stora framsteg inom batteriutvecklingen. Det konstaterar Johan Salomonsson, forskningsassistent på Väg och transportforskningsinstitutet (VTI). Han färdigställer just nu en litteratursammanställning över elflygets utsikter som Ny Teknik har använt som underlag till denna artikel.

Johan Salomonsson, forskningsassistent på VTI. Foto: VTI

Litiumjonbatteriet räcker inte till

Det Nobelprisbelönade litiumjonbatteriet må ha möjliggjort bärbara datorer, smarta telefoner och elbilar. Men för elflyg i större skala kommer tekniken inte att räcka till.

De bästa litiumjoncellerna på marknaden levererar i dag en energitäthet omkring 250 wattimmar per kilo. Den maximala teoretiska energitätheten beräknas till 658 wattimmar per kilo. I praktiken väntas den dock bara nå 400 Wh/kg.

Att elektrifiera det kommersiella flyget skulle kräva battericeller med mellan 940 och 2 500 Wh/kg energitäthet*, enligt en rapport från 2019 av forskaren Andreas Schäfer med flera i Nature Energy

För att ett flygplan med plats för cirka 190 passagerare (typ Airbus A320 eller Boeing 737) ska kunna färdas drygt 110 mil krävs ungefär 1 000 Wh/kg, enligt samma studie. Tekniken för det skulle kunna finnas tillgänglig kring mitten av detta århundrade.

För att illustrera hur stor del av de kommersiella flygrutterna som kan tänkas vara elektrifierade om 30 år använde forskarna en karta över samtidens flygnät. Endast de regionala gulmarkerade rutterna är aktuella. Räknat från Arlanda skulle det vara möjligt att flyga till Prag medan London hamnar just utanför räckvidden.

- Det krävs alltså väldigt mycket mer för att transatlantiska flygningar ska bli möjliga, säger Johan Salomonsson.

Grafik: Jonas Askergren Fakta: Johan Kristensson

Litiumluft och litiumsvavel kandidater

Nya batterikemier är på gång men tar tid att utveckla. Två kandidater är litiumsvavel och litiumluft. Båda har potential för betydligt högre energitäthet än litiumjonbatterier.

Grafik: Jonas Askergren Fakta: Johan Kristensson

För litiumsvavel beräknas den teoretiskt möjliga energitätheten till drygt 2 500 Wh/kg. Men i praktiken kommer den förmodligen snarare att landa kring 800. Orsaken till det stora glappet mellan teori och verklighet är bland annat det mycket begränsade antalet laddcykler innan kapaciteten drastiskt har försämrats.

Ett företag som utvecklar litiumsvavelbatterier är brittiska Oxis Energy. Tillverkning sker ännu så länge bara i pilotskala. Det går att köpa standardiserade påsceller men i dagsläget endast med en energitäthet på upp till 400 Wh/kg. Antalet cykler är begränsat till mellan 60 och 100 stycken (en elbil har typiskt minst 1 000 tillgängliga cykler).

Litiumluftbatteriet har ännu större potential än litiumsvavel – men befinner sig ännu längre ifrån att vara kommersiellt gångbart. Kemin dras bland annat med en låg specifik effekt. Batteriet har fått sitt namn eftersom den omgivande luftens syre är en viktig del i den kemiska processen.

Kemin kan teoretiskt sett kunna lagra nästan 3 500 Wh/kg. Det är förmodligen för tidigt att säga vad den praktiskt möjliga energitätheten kan tänkas landa. Men inte ens det teoretiska maxvärdet skulle räcka för transatlantiska flygningar med dagens flygplansdesign.

Flygplansdesign inte optimeraf för eldrift

De Airbus- och Boeingplan som vi är vana vid att se i dag är långt ifrån optimerade för batteriteknik och elmotorer. En forskargrupp på MIT undersökte därför hur olika förändringar av exempelvis flygplansdesign kan påverka räckvidden för ett elflygplan med plats för 180 passagerare. Resultaten publicerades 2018 i Progress in Aerospace Sciences.

Forskarna vidareutvecklade en programvara kallad Tasopt. Den är ursprungligen framtagen för konventionella jetflygplan men anpassades nu för eldrift. Tasopt har bland annat använts för att utveckla det futuristiska konceptplanet Aurora D8 ("The Double Bubble") som har fått omfattande utvecklingsbidrag av Nasa.

Forskarna kombinerade de tre batterikemierna med tre olika uppsättningar parametrar som kan tänkas representera olika grad av framsteg i flygplansutvecklingen, från måttlig till radikal. En av parametrarna var planets glidtal, det vill säga förhållandet mellan luftmotståndet och lyftkraften. Glidtalet sattes till 1/20, 1/25 respektive 1/30 i de olika fallen. Dagens trafikflygplan har omkring 1/15 i glidtal.

Resultatet blev ett diagram som bland annat tydligt visar hur otillräcklig dagens litiumjonteknik är – men också vad kombinerade utvecklingssprång inom batteriteknik och design skulle kunna innebära.

Grafik: Jonas Askergren Fakta: Johan Kristensson

Transportföretagen: 400 km räckvidd 2025

Branschorganisationen Transportföretagen håller med om att elflyg i första hand har potential att ersätta konventionella flygplan på kortare sträckor. Fredrik Kämpfe, branschchef för flyget, nämner räckvidden 400 kilometer som möjligt till 2025. Men då talar vi alltså fortfarande om mindre flygplan.

- Hur tekniken kommer att se ut på 25-30 års sikt är svårt att sia om. Liksom för vägtrafiken och sjöfarten kommer vägen till minskad miljö- och klimatpåverkan från flyget att kräva olika lösningar för olika trafikbehov. Elektrifiering inledningsvis för kortdistansflyg och mer tunna flyglinjer - och ökad inblandning av biobränsle för medel- och långdistansflyg, säger han och tillägger även att hybridlösningar är möjliga för längre distanser.

Fredrik Kämpfe, branschchef för flyg på Transportföretagen Foto: Transportföretagen

Med räckvidden 400 kilometer i åtanke konstaterar Fredrik Kämpfe att det finns ett flertal regional- och inrikeslinjer som kan bli aktuella för elflyg, till exempel Arlanda–Torsby–Hagfors, Umeå–Östersund och Luleå–Pajala.

- Lägre operativa kostnader kan också främja nya flyglinjer som i dag har svårt att bära sig ekonomiskt. Eventuellt nya resmönster som inte går via någon av de stora hubbarna, Bromma och Arlanda, kan också bli aktuellt, säger han.

Fotnot: I Schäfer et al:s studie anges energitätheten på batteripacksnivå med en omräkningsfaktor på 0,8 jämfört med cellnivå. Ny Teknik har räknat om värdena till cellnivå för att de ska vara jämförbara med övriga energitäthetsvärden i artikeln.

Kommentarer

Välkommen att säga din mening på Ny Teknik.

Principen för våra regler är enkel: visa respekt för de personer vi skriver om och andra läsare som kommenterar artiklarna. Alla kommentarer modereras efter publiceringen av Ny Teknik eller av oss anlitad personal.

  Kommentarer