Eviation är Alice-prototyp. Ian Langsdon / EPA

Den brittiska regeringen planerar att förbjuda försäljning av nya konventionella bensin- och dieselbilar genom 2040. Planen är uppenbarligen att alla medborgare ska köra el- eller hybridelektriska bilar, eller - ännu bättre - att cykla. Men kan elektrifiering bidra till att minska utsläppen från den andra kolintensiva formen av persontransporter, som flyger?

Detta är en komplex fråga och där storleken är viktig. Det är möjligt för små flygplan att drivas med el. Faktum är att flera företag utvecklar redan små elektriska flygplan och de kan komma ut på marknaden inom de kommande åren.

Men för de stora flygplan som vi alla använder oftare är det osannolikt att det kommer att hända när som helst snart. Problemet är inte framdrivningstekniken utan energilagring. Jetbränsle innehåller cirka 30 gånger mer energi per kilogram än det mest avancerade litiumjonbatteriet som för närvarande finns.

Världens största passagerarplan, Airbus A380, kan flyga 600-passagerare 15,000 kilometer på en enda flygning. Men enligt min beräkning, med batterier kunde det bara flyga lite över 1,000 kilometer. Även om alla passagerare och last skulle ersättas med batterier skulle räckvidden fortfarande vara mindre än 2,000 kilometer. För att behålla sitt nuvarande räckvidd skulle planet behöva batterier som väger 30 gånger mer än det nuvarande bränsleintaget, vilket innebär att det aldrig skulle komma upp från marken.

Denna avvägning är särskilt dålig för långdistansflygningar eftersom bränslet utgör hälften av flygplanets vikt vid start. Dessutom blir ett konventionellt flygplan lättare när bränslet förbrukas, men ett elektriskt flygplan måste ha samma batterivikt under hela flygningen. Som sagt är storleken viktig.

För ett lättflygplan med fem till tio platser kommer bränsle sannolikt att utgöra 10% till 20% av flygplanets vikt. Om du bara byter bränsle för batterier kan det fortfarande minska avståndet som planet kan flyga med på ett opraktiskt sätt. Men om du byter ut två eller tre passagerare med ytterligare batterier skulle det ge 500 kilometer till 750 kilometer, jämfört med ett bränsledrivet område på över 1,000 km.

Första kommersiella modellen

Det kan dock finnas ett annat alternativ. Israeliskt företag Eviation nyligen avslöjade en prototypversion av vad den hävdar kommer att vara världens första kommersiella allelektriska passagerarflygplan. Flygplanet, som heter Alice, byter inte bara jetbränsle för batterier utan är ett helt nytt designkoncept som förbättrar hur framdrivningssystemet integreras i flygramen. Med nio passagerare med en rad 1,000km förväntas Alice komma in i 2022.

Alice kan vara ett praktiskt alternativ för små, regionala resor men inte för de flesta schemalagda passagerarflyg, även kortdistans. Så hur kan elektrifiering hjälpa här? Att förbättra batteritekniken är ett alternativ. En ny teknik känd som litium-luftbatterier kan teoretiskt uppnå samma energitäthet som jetbränsle. Men de är fortfarande på laboratoriestad. Med tanke på flygindustrins extremt säkerhetsmedvetna karaktär är det osannolikt att planera framtida flygplan på obevisad teknik.

Vad vi mer sannolikt kommer att se för kortdistansflygningar under de kommande åren 20 till 30 är hybridflygplan som kombinerar nuvarande turbofanmotorer med nya elektriska framdrivningssystem. Detta mer flexibla hybridsystem kan optimeras för att tillhandahålla den höga drivkraften som krävs för start och energitätheten som behövs för en lång kryssning.

Hybrid E-Fan X. Airbus

Detta är ett område som aktivt bedrivs i E-FanX projekt, som involverar Airbus, Rolls-Royce och Siemens samarbetar för att utveckla en hybrid-elektrisk framdrivningsflygningsdemonstrator. Med hjälp av ett BAe 146-flygplan, som vanligtvis transporterar 100-passagerare, planerar de att ersätta en av flygplanets fyra Honeywell turbofanmotorer med en drivande fläkt som drivs av en två megawatt elektrisk motor.

I projektets inledande faser kommer elen faktiskt att levereras av en Rolls-Royce AE2100 gasturbin inrymd i flygplanets flygkropp (huvuddel). Men E-FanX kommer fortfarande att vara ett viktigt steg i utvecklingen av hybridelektronik. Airbus säger den vill göra denna teknik tillgänglig för 100-sittplan av 2030.

Det är också möjligt att utrusta ett plan med flera små elektriska framdrivare i ett så kallad distribuerat framdrivningssystem som är mer effektivt än traditionella konstruktioner som använder två stora turbofaner. Denna idé kan tas vidare genom att kombinera den separata flygkroppen och vingarna till en enda "blended-wing-kropp”, Mer effektivt integrerar drivorganen med flygramen i en mer aerodynamisk design. Detta kan minska mängden energi som flygplanet skulle behöva med 20%.

Men ingen av världens två största flygplanstillverkare, Boeing och Airbus, bedriver aktivt blandad vinge-teknik. En sådan stor designskift har för många tekniska utmaningar för att göra det kommersiellt hållbart just nu. Till exempel skulle de flesta flygplatser inte kunna rymma ett blandat flygplan.

Inget alternativ

Tyvärr, för den typ av flyg de flesta av oss gör finns det för närvarande inget praktiskt alternativ till jetdrivna turbofans. Av denna anledning investerar de viktigaste flygmotortillverkarna kraftigt i att förbättra sin nuvarande motorteknologi. International Air Transport Association uppskattar att varje ny generation av flygplan är i genomsnitt 20% mer bränsleeffektiv än den modell som den ersätter, och att flygbolagen kommer att investera US $ 1.3 biljoner i nya flygplan under det kommande decenniet.

Till exempel Rolls-Royces senaste motor, Trent XWB som driver det nya airbus A350, marknadsförs som "världens mest effektiva stora flygmotor". Airbus hävdar att motorn kommer att hjälpa A350 att uppnå "25 % lägre driftskostnader, bränsleförbränning och CO? utsläpp jämfört med tidigare generationers flygplan”.

Nästa generation Rolls-Royce-motor, UltraFanTM, kommer att erbjuda ytterligare 20 % till 25 % minskning av bränsleförbrukning och CO? utsläpp och ska tas i bruk 2025.

Men det är värt att komma ihåg att flyget för närvarande bara bidrar med 2% till 3% av den globala CO? utsläpp. Detta kan jämföras med cirka 30 % till 35 % för hela transportsektorn och ytterligare 30 % till 35 % för elproduktion.

Antalet flygpassagerare är förväntas fördubblas under de kommande två decennierna, men det är också de totala utsläppen så det är osannolikt att luftfarten blir en större del av problemet. Att minska luftfartsutsläppen med 20% per generation flygplan kanske förmodligen inte en hållbar förbättring. Men om hybridflygplan blir verklighet skulle flygning verkligen bli ännu mindre bidragande till de totala utsläppen än det är idag.

Om författaren

Duncan Walker, universitetslektor i tillämpad aerodynamik, Loughborough University

Denna artikel publiceras från Avlyssningen under en Creative Commons licens. Läs ursprungliga artikeln.