Net als in de automobielindustrie wil ook de luchtvaartindustrie overschakelen op hernieuwbare energiebronnen. Elektrische aandrijfoplossingen zijn het meest veelbelovend. De ideale oplossing lijkt de solid-state batterij. Terwijl de eerste auto’s met solid-state batterijen naar verwachting al in 2025 zullen verschijnen, staat het onderzoek in de luchtvaartsector wat dat betreft nog in de kinderschoenen. Dit is onder meer te wijten aan de onevenredig hogere eisen inzake energiedichtheid en systeemveiligheid.
Ook interessant: Morgen Beter: Superaccu’s maken range van meer dan 1000 kilometer mogelijk
“Vliegtuigelektrificatie begon met secundaire systemen zoals ijsvrij maken of aandrijving,” legt Dr. Helmut Kühnelt, onderzoeker aan het Center for Low-Emission Transport van het AIT Austrian Institute of Technology. Hij verwijst daarbij naar de in 2011 geïntroduceerde Boeing Dreamliner 787. Daarbij waren zowel ontluchtingssystemen als pneumatische en hydraulische systemen voor het eerst geëlektrificeerd. “Maar nu hebben we het over de elektrificatie van de aandrijflijn. Daarvan staat de ontwikkeling nog redelijk aan het begin,” zegt de onderzoeker.
Hybride oplossingen
Het AIT verricht momenteel onderzoek in drie Europese elektrificatieprojecten: IMOTHEP, ORCHESTRA en SOLIFLY. De focus ligt op hybride oplossingen gericht op het regionale vliegtuigsegment voor ongeveer 50 passagiers. Zodra voor de luchtvaart geschikte batterijceltechnologieën beschikbaar zijn, zou dit het snelst op de markt kunnen worden gebracht, legt Kühnelt uit.
Hij zelf leidt het SOLIFLY-project, dat zich ook bezig houdt met de ontwikkeling van batterijen voor ruimtevaarttoepassingen. Het gaat daarbij zowel om het verminderen van het gewicht en het verhogen van de energieopslag. Hierdoor kan de algehele systeemefficiëntie van vliegtuigen worden verhoogd. Het zal waarschijnlijk niet mogelijk zijn om de aandrijflijn te bedienen met dit nieuwe type energieopslagsysteem, legt Kühnelt uit. In het elektrische vliegtuig van de toekomst zal er waarschijnlijk niet slechts één oplossing voor energieopslag zijn, maar een hybride systeem dat gebruik maakt van verschillende energiebronnen.
Structurele batterij
In het project onderzoeken de wetenschappers zowel het batterijconcept als de structurele integratie. Zij ontwikkelen twee verschillende batterijconcepten. Beide concepten zijn gebaseerd op halfvaste-batterijen, waarbij de elektrolyt bestaat uit een polymeermatrix met open poriën en een ionische vloeistof. Dit laatste is een niet-ontvlambaar zout dat veiliger is dan conventionele vloeibare elektrolyten. De elektrolyt moet geoptimaliseerd worden. Zowel voor de kathode als voor de anode worden stroomactieve materialen met hoge energiedensiteit gebruikt.
In één van de twee batterijconcepten moet actief materiaal worden gebruikt voor de coating van koolstofvezels. Als anode zouden koolstofvezels ook kunnen dienen als stroomgeleider en structuur indien zij niet gecoat zijn.
Volgens Kühnelt is dit ook de reden voor de onconventionele keuze van de semi-massieve batterij. Bij de uitvoering worden koolstofvezels gebruikt als structurele stroomgeleiders aan de anode- en kathodezijde. De coatings worden vervolgens gebruikt voor energieopslag. In het tweede batterijconcept zal het materiaal worden geformuleerd in dunne batterijcellen en vervolgens worden geïntegreerd in de structuur in de koolstofcomposiet.
Hoge belastingen
Bij de integratie van de batterijconcepten is het van belang voortijdige beschadiging te voorkomen. Concepten voor het verbinden van het constructie-element en de energieopslag worden ontwikkeld en vervolgens geoptimaliseerd met computermodellen.
“De twee batterijconcepten hebben een verschillende graad van integratie, maar kunnen ook geschikt zijn voor verschillende toepassingsgebieden,” legt Kühnelt uit. De energie-opslagcomponent wordt in de toepassing blootgesteld aan hoge statische en dynamische belastingen, waardoor de batterij beschadigd kan raken. Bovendien worden verschillende zones van het onderdeel blootgesteld aan verschillende soorten spanning. Daarom wordt onderzocht welke delen van het onderdeel het meest geschikt zijn voor integratie met energieopslagapparatuur. Er moet energie worden toegevoerd aan en afgevoerd uit de cel die in de structuur is geïntegreerd. Hiervoor zijn elektrische geleiders nodig. Dit zullen waarschijnlijk geen kabels zijn, maar elektrisch geleidende strips. Kühnelt: “Ook hier is het een uitdaging om de elektrische geleiders zo in de structuur te integreren dat er geen voortijdige beschadigingen optreden.”
Industrialisering
Ook moet worden onderzocht in welke onderdelen de batterij kan worden geïmplementeerd. De onderzoekers concentreren zich in eerste instantie op de inwendige structuur. Daardoor hoeven ze geen rekening te houden met factoren van buitenaf, zoals de inslag van vreemde voorwerpen of bliksem. De structurele batterij moet echter in elk geval dicht bij het te voeden apparaat worden geplaatst om de elektrische verbindingen tot een minimum te beperken.
Het technische onderzoeksdoel zal worden bereikt wanneer de ontwikkelde technologie kan worden geïntegreerd in een demonstratiemodel. Dat bestaat uit een verstijfd paneel dat een standaardcomponent voorstelt en een afmeting heeft van 40 bij 80 centimeter. Voorts moet worden nagegaan of de productieprocessen daadwerkelijk kunnen worden opgeschaald naar een industrieel niveau.
Aanvankelijk willen de wetenschappers zich in het project richten op semi-vaste-stofbatterijen. Na verdere technologische ontwikkelingsstappen moet het echter mogelijk zijn in de toekomst vastestofbatterijen te integreren. In tegenstelling tot conventionele lithium-ionbatterijen zijn voor de solid-state batterijtechnologie geen vloeibare elektrolyten nodig.
Ook moeten eerst krachtige batterijen worden ontwikkeld die in commerciële vliegtuigen kunnen worden ingebouwd. Waarbij de voor de aandrijflijn vereiste energiedichtheden op dit moment ook niet beschikbaar zijn. Maar het zal nog veel langer duren voordat de structurele batterij is ontwikkeld, zegt Kühnelt. Tegelijkertijd moet ook opnieuw worden nagedacht over de constructie van vliegtuigen, zoals de AIT-onderzoekers bijvoorbeeld doen in het IMOTHEP-project.
De onderzoeker hoopt dat de twee ontwikkelingspijlers tegen 2030 kunnen worden samengebracht. Dan kan de ambitieuze EU-routekaart voor schone luchtvaart worden gehaald en kunnen de eerste hybride-elektrische vliegtuigen in 2035 het luchtruim kiezen.
Ook interessant: Auto’s en vliegtuigen straks de helft lichter door massaloze energieopslag’
Als je dit artikel leuk vindt, lees dan ook:
