Technologische ontwikkelingen en radicale vernieuwingen

Uitdagingen

In de afgelopen vijftig jaar is het brandstofverbruik per gevlogen passagierskilometer behoorlijk afgenomen. Dat maakt vliegen een zeer efficiënte manier van reizen. Ook het geproduceerde geluid per vliegtuig is enorm gedaald. Vanwege het groot aantal vluchten wereldwijd is er toch behoefte aan een verdere reductie van de klimaatimpact. Dat dit een lastige opgave is, blijkt uit de volgende uitdagingen:

  • De energiebehoefte van een vliegtuig is enorm groot. Met name een intercontinentaal-toestel – zoals een A380 – heeft voor het opstijgen erg veel vermogen nodig.
  • Kerosine heeft een hoge energiedichtheid om dat gewenste vermogen te kunnen leveren. Op dit moment is er geen duurzaam alternatief beschikbaar om dezelfde hoeveelheid energie te leveren:
    • Bio- of synthetische kerosine leveren veel minder CO2-uitstoot op, maar er is nog te weinig van deze duurzame kerosine beschikbaar. Daarnaast moet de hele keten – inclusief productie en transport – bijdragen aan minder belasting op het milieu.
    • Accu’s zijn relatief zwaar, nemen veel ruimte in beslag en behouden hun gewicht gedurende de gehele vlucht. NLR voorziet daarom ook in de toekomst – zelfs met de meest ambitieuze voorspellingen – geen accu’s die een groot vliegtuig over een lange afstand in de lucht kunnen houden.
    • Waterstof als energiebron levert geen CO2-uitstoot maar de opslag in het vliegtuig is een technische uitdaging: waterstof in vloeibare vorm vraagt om een erg lage temperatuur en in het geval van gas moet de tank bestand zijn tegen een zeer hoge druk.

Niet één oplossing

Met bovenstaande uitdagingen in het achterhoofd is er niet een heilige graal die de klimaatimpact –  veroorzaakt door de huidige generatie vliegtuigen – oplost. Onderstaande grafiek toont een optelsom van alle vertrekkende commerciële vluchten van Schiphol in 2018.

Cumulatief aantal vluchten en CO2-uitstoot versus afstand

Voor verschillende vliegafstanden zijn – met de kennis van nu – de bovenstaande toekomstige configuraties de meest geschikte duurzame alternatieven.

Als we daarbij de CO2-uitstoot onder de loep nemen, zien we dat 75% van alle vluchten onder de 2000 km blijven. Die vluchten samen zijn verantwoordelijk voor 16% van alle CO2-uitstoot. Dat betekent dat de resterende lange afstandsvluchten (de minderheid: 25% vliegt verder dan die 2000 km) verantwoordelijk is voor de overige 84% van die emissie.

Het is dus vooral de uitdaging om een alternatief te vinden voor verre vluchten. Zware accu’s bieden in ieder geval geen oplossing. Om het hele spectrum op een efficiënte en effectieve wijze aan te pakken, moeten we daarom inzetten op verschillende oplossingen, afhankelijk van de te overbruggen afstand.

De volgende aspecten spelen daarbij een belangrijke rol:

Energiebronnen

Ter vervanging van fossiele brandstof bieden accu’s, waterstof en duurzame kerosine oplossingen voor in de toekomst. Denk hierbij aan de volgende configuraties die eventueel ook gecombineerd kunnen worden (hybride-vorm):

  • Voor vluchten tot 500 km, met maximaal 19 passagiers aan boord zijn elektrisch aangedreven propellervliegtuigen het meest geschikt. Voor deze relatief kleine toestellen kan een accu in de nabije toekomst de benodigde energie leveren.
  • Vliegtuigen voor afstanden tot ca. 2000 km kunnen worden voorzien van elektrisch aangedreven propellers waarbij waterstof als energiebron dient. Een brandstofcel zet daarbij chemische energie om in elektrische energie.
  • Voor langere vliegafstanden tot 4000 km blijven straalmotoren nog altijd het meest efficiënt, echter met waterstof als energiebron die in de motoren verbrandt.
  • Voor nog langere afstanden – verder dan 4000 km – levert het gebruik van duurzame kerosine (Sustainable Aviation fuel, oftewel: SAF) de meeste voordelen op. Het rendement van andere energiedragers is te laag. De huidige generatie vliegtuigen kan zonder aanpassingen hiervan gebruik maken.

Radicale vernieuwingen

Naast alternatieve energiebronnen zijn er nog meer oplossingen die eraan bijdragen om de luchtvaart duurzamer te maken. Zoals:

  • gebruik maken van meer lichtere constructieonderdelen – bijvoorbeeld vervaardigd uit composiet – waardoor minder brandstof nodig is.
  • door vliegtuigen aerodynamischer te maken zodat de luchtweerstand afneemt. Denk daarbij ook aan toepassingen zoals laminaire en ultraslanke vleugels.
  • voortstuwing die efficiënter is dan die van de huidige generatie vliegtuigen, door het toepassen van motoren met nog grote omloopverhoudingen, grenslaaginname en gedistribueerde voortstuwing.
  • elektrisch taxiën op het vliegveld waardoor de uitstoot op het vliegveld reduceert.
  • Nieuwe vliegtuigconfiguraties: door andere voortstuwingstechnieken hoeft een vliegtuig niet meer te bestaan uit een aparte romp en vleugels.

Niet alleen het vliegtuig

Het aanpakken van de energiebron of het introduceren van constructieve vernieuwingen hebben betrekking op het vliegtuig. Maar er zijn ook andere meer indirecte maatregelen te bedenken. Door hierbij de juiste balans te zoeken zullen ook deze een positief effect hebben op de klimaatimpact:

  • Het project Single European Sky streeft naar een gemeenschappelijk Europees luchtruim dat momenteel een ‘lappendeken’ is waardoor vluchten onnodig lang zijn.
  • Glijvluchtnaderingen (Continuous Descent Approach) zorgen ervoor dat tijdens de landing minder brandstof nodig is en het vliegtuig minder geluid produceert.
  • Tijdens de kruisvlucht kunnen klimaatgevoelige gebieden worden vermeden.
  • Vliegtuigen kunnen langzamer en/of lager vliegen dat minder impact heeft op het klimaat.
  • Door het introduceren van meer tussenstops voor lange afstandsvluchten hoeft er minder brandstof mee. Dit maakt een vliegtuig lichter en zorgt voor minder CO2-uitstoot.
  • NLR onderzoekt hoe de duurzaamheid van een vlucht kan worden gekwantificeerd met behulp van zgn. milieuscores: ‘vervuilend vliegen’ met een ‘schoon’ vliegtuig of ‘heel schoon vliegen’ met een ouder vliegtuig. Wat is beter en hoe kun je daarop sturen?
  • Circulaire luchtvaart – inclusief circulaire luchthavens – waarbij de hele keten in beschouwing wordt genomen. Tijdens het ontwerp middels een Life Cycle Analysis wordt nagedacht hoe onderdelen na het einde van hun levensduur opnieuw kunnen worden ingezet.