Wie innoveert het snelst met elektrisch vliegen?

De wegen staan vol, het spoorwegnet is overbelast en zelfs het luchtruim lijkt drukbezet. Toch richt de luchtvaart zich op de realisatie van het ultieme sciencefiction-beeld: een zelfstandig vliegend vervoermiddel. Veiligheid en actieradius zijn de grootste uitdagingen in de sterk gereguleerde luchtvaartsector, die beseft dat verduurzaming onvermijdelijk is. De uitdagers liggen op de loer: kunnen zij sneller vernieuwen? 

Het luchtruim biedt meer ruimte dan het aardoppervlak, waar ruimte voor wegen moet concurreren met andere vormen van ruimtegebruik. Het luchtruim heeft nog een ander voordeel: je hebt ook geen fysieke infrastructuur nodig. Er is wel een belangrijk nadeel: de zwaartekracht moet overwonnen worden, dus vliegen kost meer energie dan rijden. Aandrijving met niet-fossiele energiebronnen is een voorwaarde voor duurzaamheid. Waar de elektrische auto bij een lege accu tot stilstand komt, valt een vliegtuig uit de lucht. En waar de autonoom rijdende auto bij een dilemma zichzelf eventueel tot stilstand brengt, kan een luchtvaartuig maar beperkte tijd in de lucht zijn. Zie hier de twee belangrijkste uitdagingen: veiligheid en uithoudingsvermogen.

Luchtruim wordt steeds drukker

Deze twee uitdagingen maken de ontwikkeling van nieuwe luchtvaarttechnologie bijzonder complex. De luchtvaart is streng gereguleerd. Voor vliegtuigen gelden luchtwaardigheidseisen, onderdelen moeten gecertificeerd zijn, bedrijven moeten een vergunning voor zowel vliegen als onderhoud hebben en voor piloten geldt het principe van type rating: voor ieder vliegtuig is er een aparte bevoegdheid. Die wetgeving is de afgelopen decennia alleen maar verder aangescherpt en zal de komende tijd ook gaan gelden voor drones – onbemande vliegtuigen. Dat is relevant, omdat de gevestigde luchtvaartsector nadrukkelijk verder kijkt dan naar alleen het elektrificeren van het klassieke vliegtuig. Ook onbemand vliegen staat op de agenda. Daarmee wordt het aanzienlijk drukker in het luchtruim. De basis voor autonoom functionerende en zelflerende collision avoidance systemen wordt voor een belangrijk deel ‘op de weg’ ontwikkeld.

Elektrisch vliegen

De Amerikaanse luchtvaarttoezichthouder FAA – die in grote lijnen gevolgd wordt door kleinere toezichthouders zoals de EASA – heeft vermoedelijk jaren nodig om alle technologische ontwikkelingen in nieuwe regels te kunnen vervatten. Hoewel er nog geen regels zijn voor drones die passagiers vervoeren, zit de sector niet bepaald stil. Innovatie is om twee redenen interessant. De luchtvaart beseft dat ze met ruimtegebruik van uitdijende luchthavens, lawaai en uitstoot onder toenemende druk staat. De onderneming die als eerste met een substantiële schaalgrootte de luchtvaart kan veranderen, heeft een enorme voorsprong. Er zijn dan ook verschillende initiatieven voor innovatie in de luchtvaart: elektrisch vliegen staat volop in de belangstelling en autonoom vliegen is net zo interessant als verticaal opstijgen – dat laatste maakt een landingsbaan immers overbodig.

Vergezichten in de lucht

Deloitte beschouwt het als realistisch en haalbaar: rond 2020 moet de vliegende auto realiteit kunnen zijn. Een van de grootste uitdagingen is de regulering en de veiligheid. Aan mooie vergezichten ontbreekt het niet: “The AJet-100 Is Cleaner, Greener and Features a Stunning Glass Floor”.

elektrisch vliegen

Greenliner is ook de naam van een tekentafelmodel in tien weken tijd ontwikkeld door tien studenten in Aerospace Engineering van de TU Delft. Volgens de studenten is het mogelijk om in 2030 emissieloos te vliegen met een toestel dat gebruikmaakt van een combinatie van waterstof en brandstofcellen, voortgedreven door propellers rond de romp.
Maar zelfs met beide voeten op de grond is opvallend dat uiteenlopende partijen met innovaties bezig zijn: niet alleen vliegtuigfabrikanten, ook bedrijven als Google en Uber en zelfs vliegbedrijf Easyjet.
In Noorwegen worden alle korte vluchten elektrisch, zo heeft de Noorse luchthavenautoriteit Avinor bepaald. Binnen 20 jaar moeten alle vluchten die tot 1,5 uur duren volledig op duurzame stroom vliegen. Er is dus wat te winnen.

Siemens durft vijftien jaar vooruit te kijken

Frank Anton, directeur Siemens e-Aircraft, schat in dat een hybride-elektrisch vliegtuig voor 100 passagiers in 2035 beschikbaar zal zijn. Siemens werkt onder meer samen met het Duits-Franse Airbus, waarbij Siemens het elektrische deel van de aandrijving ontwikkelt. Een voorbeeld hiervan is het hybride toestel Magnus eFusion. Dat de ontwikkelingen snel gaan, blijkt uit het programma van de E-Fan, een elektrisch tweepersoons toestel. Dat programma startte Airbus in 2014, maar werd in 2017 alweer gestopt omdat het was ingehaald door nieuwe technologie van Siemens.

Ook vliegtuigbouwer Boeing is ervan overtuigd dat het elektrische vliegtuig sneller realiteit is dan we denken. Volgens CEO Dennis Muilenburg worden er in hoog tempo prototypes gebouwd. Ook Boeing gelooft in een toekomst waarin nieuwe ecosystemen van autonoom vliegende apparaten ons van A. naar B kunnen verplaatsen. Boeing heeft net als andere spelers een eigen innovatiehub opgetuigd, waaronder een venture capital tak met de naam HorizonX. Dat investeert bijvoorbeeld in bedrijven zoals Near Earth Autonomy die systemen ontwikkelen voor zelfstandige objectherkenning en -vermijding in het luchtruim. Cruciaal daarbij is kunnen bijsturen (een alternatieve route kiezen); in de lucht tot stilstand komen (als de omstandigheden dat toelaten) kost veel energie en kan er toe leiden dat je je eindbestemming niet haalt.

Urban Air Mobility

Net als Boeing zoekt ook vliegtuig- en helikopterbouwer Airbus naar alternatieven voor het klassieke vliegtuig. Zo heeft Airbus geïnvesteerd in Silicon Valley-startup A3, waar gewerkt wordt aan de Vahana, een autonoom vliegende taxi. A3 heeft zelfs al een nieuwe beeldtaal klaar voor het concept Urban Air Mobility, zodat we allemaal weten wat straks wordt bedoeld met ‘transfer from vertipad’.

elektrisch vliegen

Het concept van een vervoersysteem met autonome toestellen door de lucht spreekt meer bedrijven aan. Uber wil binnen enkele jaren een eigen ecosysteem gerealiseerd hebben (UberAIR) dat bestaat uit verticaal opstijgende onbemande taxi’s. Die moeten elkaar in snel tempo kunnen opvolgen (twee per minuut). Uber werkt op dit vlak samen met onder andere Boeing, dat hiervoor het bedrijf Aurora Flight Sciences heeft overgenomen. Uber werkt daarnaast samen met Bell Helicopter en met de recent door Boeing overgenomen Braziliaanse vliegtuigbouwer Embraer. Het ecosysteem van Uber reikt verder dan alleen ‘vliegen’. Het bedrijf is in overnamegesprekken verwikkeld met Bird en Lime, twee startups die actief elektrisch vliegenzijn op het gebied van de ‘last mile’ (zoals (elektrische) huurscooters, huurfietsen en huurstepjes). Eerder dit jaar nam Uber al e-bike aanbieder Jump voor 100 miljoen dollar over.

Kitty Hawk is het bedrijf van Google-oprichter Larry Page; het heeft in voorjaar 2018 een vliegende taxi onthuld met de naam Cora die verticaal kan opstijgen. In voorjaar 2018 maakte de Ehang 216 (een Chinese drone) zijn debuut in Nederland, autonoom vliegend via het mobiele netwerk van KPN. Ehang heeft al veel testvluchten uitgevoerd met verschillende types en is bedoeld als autonome taxi.

Experimenten

elektrisch vliegenDe Duitse ANWB, de ADAC, gaat experimenteren met elektrische helikopters om noodartsen op de plek van een calamiteit te brengen. De tweezits Volocopter met achttien kleine rotoren zal bij gebleken succes op termijn de auto kunnen vervangen waar noodartsen nu mee worden vervoerd.
Het politiekorps in Dubai wil vanaf 2020 gaan vliegen met de Hoverbike Scorpion 3, geproduceerd door het Amerikaanse Hoversurf. Volgens Dronewatch weegt het apparaat zo’n 125 kg en kan het op een paar meter hoogte met een topsnelheid van 100 km/uur vliegen. Ook hier geldt dat de vliegduur zeer beperkt is: 10 tot 25 minuten.

elektrisch vliegen

Easyjet: over tien jaar elektrisch vliegen

EasyJet wil met Wright Electric aan de slag om elektrische aandrijving voor vliegtuigen te ontwikkelen. EasyJet-ceo Carolyn McCall ziet een toekomst voor ogen zonder kerosine: een volledig elektrische korteafstandsvloot moet binnen 20 jaar haalbaar zijn en het eerste commerciële vliegtuig, geschikt voor 120 passagiers en een afstand van 540 kilometer, moet over tien jaar vliegen.

De energiedichtheid en dus het gewicht van de accu (die van het tweepersoonstoestel van Wright weegt zo’n 272 kilogram) is de grootste uitdaging – niet alleen voor de burgerluchtvaart, maar voor alles wat in de lucht moet blijven.
Joris Melkert (TU Delft) stelt dat op dit moment de energiedichtheid van kerosine al snel een factor 60 groter is dan die van accu’s. Daarom zou de prijs voor de beste innovatie in de luchtvaart moeten gaan naar iemand die de zwaartekracht weet op te heffen. Energie-neutraal dan.

Anders vliegen – innovatie in de luchtvaart

luchtvaartDe drukte op Schiphol en de belasting van Schiphol op de omgeving gaan hand in hand. De luchthaven en de luchtvaart vormen ook een onderdeel van onze vitale infrastructuur. Doorlopende groei van deze infrastructuren leidt tot steeds grotere problemen. Innovatie in de luchtvaart is noodzaak. 

De afgelopen jaren heeft de luchthaven (in handen van verschillende overheden) de bewuste keuze gemaakt om low cost carriers alle ruimte te geven. De huidige groei in passagiersstromen zijn volgens ING Economisch Bureau voor een belangrijk deel te verklaren door de toename van Europese vluchten door budgetmaatschappijen zoals Ryanair en Easyjet. Daarnaast doen ook home carriers zoals KLM (via eigen budgetdochters zoals Transavia) mee aan deze ‘race to the bottom’.

En tot slot is het een brede groep van consumenten die gretig gebruik maakt van de mogelijkheid om voor twee tot drie tientjes door Europa te vliegen. Toch wordt de maatschappelijk druk vooral bij vliegmaatschappijen en luchthavens gelegd. Vliegmaatschappijen zijn vervuilend en ze verduurzamen niet snel genoeg; luchthavens zijn platformen die alsmaar willen uitdijen in omgevingen waar de ruimte schaars is. Los van de vraag of in de huidige luchtvaart het groeiparadigma nog te handhaven is: de druk om te innoveren is groot.

luchtvaart

Laaghangend fruit: motoren en brandstof

Vliegtuigmotoren zijn in de afgelopen veertig jaar tijd al 75% stiller, 70% zuiniger en schoner geworden, aldus ICAO. Maar ander laaghangend fruit blijft lastig bereikbaar. Er wordt al jaren geëxperimenteerd met (bio)brandstof, dat de CO2-uitstoot met 80% verlaagt. Maar bij KLM is biofuel goed voor slechts 0,04 procent van het totale brandstofverbruik van KLM: het aanbod is niet groot genoeg en blijkbaar is opschalen van de productie niet interessant voor de langere termijn.

Internationale luchtvaart

Een van de meest hardnekkige problemen die relatief gemakkelijk op te lossen is, is de vorming van de Single European Sky (SES). Hierdoor kunnen vliegroutes aanzienlijk ingekort worden, kan in de luchtvaart meer gebruik worden gemaakt van glijpaden en kan de verkeersleiding aan efficiency winnen. Dat draagt allemaal bij aan minder lawaai rond luchthavens, meer kostenbesparing, een lager brandstofverbruik en tijdswinst. Over SES wordt al decennia lang gepraat, maar de vooruitgang is gering: de eigen politieke en economische belangen van Europese landen zijn te groot.

Een ander en vergelijkbaar hardnekkig probleem is de subsidies die overheden aan vliegmaatschappijen geven. In verschillende landen van Europa wordt geen accijns in rekening gebracht op brandstof en geen btw op tickets; relatief jonge en snelgroeiende maatschappijen uit het Midden-Oosten ontvangen ook overheidssubsidies. Hierdoor ontbreekt het aan een level playing field.

Transitie, net als energiesector en banken

Ondertussen blijft de druk om te besparen op kosten – een gevolg van de opkomst van nieuwe gesubsidieerde maatschappijen en van low cost carriers die ook op intercontinentale vluchten concurreren. Dat maakt het extra lastig om te investeren in innovaties, maar vanuit welbegrepen eigenbelang – de publieke opinie wordt steeds negatiever en dwingt verduurzaming van het businessmodel af – is dit onvermijdelijk. De luchtvaart is in in dit opzicht in een zelfde positie aan het komen als energiebedrijven (die nu met enige moeite weg bewegen van fossiel) en banken (die aan de slag moeten met legacy op het gebied van verdienmodellen, HR en IT). In alle drie de sectoren is sprake van een transitie, want zowel financieel als technologisch ligt er nog geen kant en klaar operating model.

Kosten besparen

Innovatie in de luchtvaart gaat over meer dan alleen motoren en brandstof. Met de opkomst van drones [link toii] neemt de kennis over onbemande luchtvaart toe, met name bij de klassieke marktleiders zoals Boeing en Airbus; IT wordt goedkoper en sneller waardoor de mogelijkheden systemen slimmer te maken ook groeien. Als opmaat naar het onbemande vliegtuig wordt nu gesproken over halvering van de bezetting in de cockpit. Afgaand op de arbeidsmarktprognose van Airbus duurt het nog een lange tijd voordat onbemande vliegtuigen werkelijkheid zijn. Het bedrijf schat in dat de komende twintig jaar de groei in passagiers sneller gaat dan de innovatie en verwacht dat er tot 2038 nog meer dan een half miljoen piloten nodig is. De vliegtuigfabrikant lanceert daarom een eigen opleidingsprogramma voor piloten.

Hoewel er ook een fikse uitstroom te verwachten is van babyboomers, is de relatief lage pensioenleeftijd bij veel maatschappijen al omhoog gegaan. Pilots met onbemande vliegtuigen worden wel opgestart bij vrachtvluchten.

Elektrisch vliegen

De Duits/Franse vliegtuigbouwer Airbus werkt aan de ontwikkeling van een deels elektrisch aangedreven passagiersvliegtuig. Daarbij wordt op een moderne manier geïnnoveerd en geëxperimenteerd: één van de vier motoren van een Avro RJ100 wordt vervangen door een elektrisch exemplaar, om zo de vliegeigenschappen te testen. In de luchtvaart is met name de capaciteit van accu’s een bottleneck. Daarom is elektrisch vliegen op dit moment vooral interessant voor drones gericht op korte afstanden, zoals de Airbus Alpha One, of drones gericht op vrachtvervoer. Ook vliegtuigbouwer Boeing investeert in de ontwikkeling van drones, maar neemt daar meteen een nieuw businessmodel voor een bezorgdienst in mee. Daarnaast werkt Boeing samen met JetBlue aan een elektrisch vliegtuig voor 12 passagiers, dat in 2022 zou moeten vliegen.

luchtvaart

Ondertussen wordt er ook hard gewerkt aan innovatie op accu-gebied. Het Noorse Instituut voor Energietechnologie heeft een manier gevonden om de capaciteit van batterijen met 300% tot 500% te verhogen, dankzij de inzet van nanotechnologie.

Private drones

Zelfsturende vliegtuigen die verticaal opstijgen en waarbij elektromotoren het werk doen: nieuwkomer in de luchtvaart Ashton Martin ontwikkelt in samenwerking met onder meer Rolls Royce (in de luchtvaart een van de grootste leveranciers van turbinemotoren) de Volante eVTOL, een high-end hybride driezitter die 320 km/h moet halen over een afstand van 400 km. Geschatte kosten: meer dan tien miljoen euro.

Rolls Royce werkt ook zelfstandig aan de ontwikkeling van een vliegende taxi voor vijf personen die tot 800 km ver moet komen. Net als bij het prototype van Ashton Martin is de aandrijving hybride: gasturbines in combinatie met accu’s en elektromotoren. Beide toestellen moeten in de loop van volgend jaar gereed zijn en over drie tot vijf jaar beschikbaar voor de markt.

Materialen

De inzet van nieuwe materialen, zoals composiet in plaats van aluminium, is volledig omarmd in de luchtvaart. Alles wat vliegt of moet gaan vliegen is gehouden aan strenge wet- en regelgeving, niet alleen op het gebied van operaties maar ook op het vlak van onderhoud. Hoewel ‘elektrificatie’ dat onderhoud enigszins zal vereenvoudigen, is er nog veel vernieuwing mogelijk op het vlak van predictive maintenance. Daarbij wordt met behulp van historische data, realtime sensor informatie en algoritmen de veilige belastbaarheid van systemen en onderdelen geoptimaliseerd. Dat reduceert de kans op onverwachte uitval en verlengt de levensduur van die onderdelen.

Omdenken in de luchtvaart

Er is daarnaast veel aandacht voor nieuwe concepten in de luchtvaart. Denk aan een bus die verandert in een vliegtuig, waarbij de romp wordt beschouwd als iets wat zowel door de lucht als over het spoor kan worden verplaatst. Vergelijkbare initiatieven in de logistieke keten van de luchtvaart zijn het apart laten reizen van bagage (wat een flinke winst kan opleveren in de turn-around time van toestellen en dus in de omzet per toestel). Luchthavens hebben al enorme sprongen gemaakt in het automatiseren van de processen aan de grond, zoals het doorvoeren van selfservice bij check-in van passagiers en bagage en het invoeren van robots die standaard bagagecontainers vullen. Door die containers pas op het laatste moment in een vliegtuig te schuiven en informatie over de inhoud vast te leggen kan er veel tijd bespaard worden als bij het boarden een passagier niet komt opdagen.

Innovatie lastig

In juni 2016 zei KLM-COO René de Groot het als volgt: “We zouden het proces rondom de passagier graag anders willen inrichten: thuis inchecken, je bagage laten afhalen, zo vanuit de hal doorlopen naar het vliegtuig, alles met automatische identificatie. De eerste KLM-medewerker die je tegenkomt, heet je welkom aan boord.” Maar het feit dat innovaties en procesveranderingen een groot aantal stakeholders raken (drie ministeries – Financiën wegens de Staat als aandeelhouder, Defensie vanwege de inzet van de marechaussee en Infrastructuur & Milieu als toezichthouder –, de slotcoördinator, de luchthaven Schiphol, omwonenden en de luchtverkeersleiding) maakt innovatie lastig. “Alleen al het koppelen van de irisscan aan je paspoort vraagt om samenwerken met heel veel instanties.”

Teleportatie of toch hyperloop

De kans bestaat dat al deze voorbeelden van (incrementele) innovatie over enige tijd de laatste stuiptrekkingen zijn van een sector die bleef geloven in het uitgangspunt van vliegen. Misschien is de hyperloop straks de meest snelle, efficiënte en veilige langeafstandsverbinding. Of is het vliegtuig straks net zo verouderd als de postduif, omdat we voor teleportatie gaan.