Mod et sikrere design? – At bygge elektriske svævefly

80 % af alle nyproducerede svævefly er motoriserede. Turbo eller selvstart giver aktionsradius og autonomi – men bare hvis mekanikken fungerer som tænkt og piloten gør præcis som manualen befaler. Elektriske drivsystemer er enklere at anvende men præsenterer helt andre problematikker. NORDIC GLIDING har fulgt udviklingen af det elektriske turbosystem på ASG 32 EL. Åh, den komplicerede teknik!

Tekst Jens Trabolt

I perioden 2005 til 2012 er der i Tyskland i kategorien ”motoriserede svævefly” indrapporteret 103 alvorlige havarier med 36 døde piloter og 15 alvorlige skadede. Den tyske havarikommission BFU, Bundestelle für Flugunfalluntersuchung konkluderer, at i mindst 30 % af tilfældene skyldes havarierne ikke-fungerende motorsystemer eller pilotfejl i anvendelsen af systemerne.

Men der findes folk som arbejder på at ændre på denne negative trend: Professor Rainer Klein fra det tekniske universitet i Baden-Württemberg er en af verdens førende forskere i elektrificering af svæveflyvningen og en klar fortaler for elektriske systemer i svævefly.

Professor Rainer Klein fra det tekniske universitet i Baden-Württemberg har deltaget i udviklingen af ASG 32 EL-drivsystemet. (Foto: Jens Trabolt)

Teamet bag ASG 32 EL-prototypen – fra venstre Professor Rainer Klein, Schleicher-ingeniørerne Paul Anklam og Joschka Schmeisl. Yderst til højre den slovenske motorfabrikant Roman Susnik, grundlægger af Emrax (tidl. Enstroj) (foto: Jens Trabolt)

Gennem de senere år har Klein arbejdet på teknisk udvikling af elektrosystemet i ASG 32 EL sammen med Schleicher og det tekniske Universitet i Kassel. Rainer Klein er dog ikke bare teoretiker, men også praktisk svæveflyver og er oftest at finde i luften med sin Discus bT. Her har han gjort sine egne erfaringer med turbokonceptets plusser og minusser.

”Hvert år har jeg problemer med turboen”, konkluderer Klein. ”Alt kan fejle. Sidste år var det værste og dyreste, da spindlen til ind/udfældningsmekanismen svigtede mens propellen kørte for fuldt kraft. Da blev det fuselagen som fungerede som en meget dyr propelbremse”, siger Klein og henviser til video fra den aktuelle flyvning, hvor et Gopro-videokamera monteret i finnen dokumenterer propellen og motorsystemet som desintegrerer ved kontakten med fuselagen!

”Turbo eller selvstartssystemer til svævefly er temmelig komplekse mekaniske systemer”, siger Klein og producerer en nærmest endeløs liste af komponenter som kan svigte:

”Vi har propellen, propelbremse, transmissions-bælte, selve motoren med alle dens mekaniske komponenter, udstødningssystem (exhaust), kølesystem, tændingssystem med tændrør, kabler, magneter, fuelsystemet med pumper, filtre og slanger, propeltårn med spindler og aktuator, den elektriske generator og kontroller, starter og batteri og sidst, men ikke mindst, menneske-maskine-interfacet i form af motorkontrol-instrumenter.”

Svigter bare et af disse komponenter har man en inoperativ motor.
”Piloten kan glemme at åbne for fuel. Transmissions-bælter kan svigte, og man bliver konstant overrasket (förvånad, red.) over hvilke konsekvenser motorens høje vibrationsniveau kan have for enkelt-komponenter, som ganske enkelt ikke klarer påvirkningerne over tid.”, siger Rainer Klein.

”Tilsvarende er et elektrisk drivsystem betydeligt mindre mekanisk komplekst, i stedet ligger kompleksiteten i software og elektronikken. Men software og elektronik kan designes til høj pålidelighed”, siger Klein og påpeger endnu en bonus ved elektriske drivsystemer: Nemlig fraværet af vibrationer og betydeligt højere energieffektivitet; 2-takts-benzinmotorer er ca 30 % energieffektive (højt estimat).

Det betyder, at ca 70 % af den udviklede varme fra benzinen ledes bort gennem udstødningsgasserne og gennem kølesystemet og derfor ikke anvendes til at producere effekt i motoren. Noget af energien tabes også på friktion, støj og på at operere motor-add-ons som generatorer og vandpumper.

Den slovenske Emrax 228-motor i ASG 32 EL, 25 kW / 34 hk. Motoren er rated til en Peak-power på op til 80 kW. Vægten er bare 9,1 kg.

ASG 32 EL

Rainer Klein har dokumenteret en totalenergieffektivitet på over 90 % på ASG 32 EL – hvilket inkluderer batteri, motor, power electronics og propellen, som i øvrigt er et andet design end ASG 32 Mi-propellen. EL-versionen har en ny propeltype som kører med lavere rpm.

”Der er i øvrigt blevet stillet store og konfliktende krav til batteripakken på ASG 32 EL”, siger Klein.

”Man vil have en lille og let batteripakke, den skal være billig, cellerne skal have høj energidensitet, og den skal være pålidelig over tid. Men det er selvfølgelig et kompromis mellem de nævnte egenskaber”.

Efter mange forsøg har man konstrueret en batteri-boks i glasfiber med totalt ca 1200 cylindriske celler på totalt 60 kg. Kulfiber er fravalgt p.g.a. materialets elektrisk ledende egenskaber.

Batteriet er ca 8 kWh, hvilket rækker til ca 100 km savtaks-flyvning med turboen. Det forventes at have en levetid på mellem 2-3000 opladninger.
Forskerne har testet batteripakkens termiske egenskaber under fuld power, og på intet tidspunkt kommer pakkens temperatur over 54 grader, hvilket er acceptabelt med tanke på glasfiberen.

Dette betyder også, at der ikke er krav til køling af batteriet. Cellerne er såkaldte 18650-celler, som også er et velkendt format i fx Tesla-biler.

”Disse celler har to fordele – sikkerhed og tilgængelighed”, siger Klein. ”Sikkerhedsmæssigt er det en stor fordel, at hver celle har en integreret sikring og at der bare er en lille mængde energi indkapslet i en metalcylinder.”

ASG 32: 1200 laptop-celler pakket ind i glasfiber giver 8 totalt kWh. Batteriet kan anvendes mellem – 30 – + 60 C. Men under test bliver batteriet ikke varmere end max 54 C.

Batteriinstallationen i ASG 32 EL.

Når man flyver i en flyvemaskine højt oppe i luften interesserer man sig selvfølgelig også for cellernes integritet og såkaldt Thermal Runaway, hvor en kortslutning af en enkelt celle resulterer i en kædereaktion og en total energiudløsning af hele batteriets energimængde med gasser og ild.

”Vi har prøvet at fremprovokere et scenarie – fx under et havari, hvor man tænker sig at batteriet penetreres af fx et metalobjekt. I tests har vi gennemboret en enkel celle med et søm for at kontrollere, at de andre celler ikke påvirkes til en thermal runaway – og i øvrigt er det helt urealistisk scenarie, for batteripakken er placeret på det absolut strukturelt stærkeste sted midt i flyet – selv efter voldsomme ulykker er midten af fuselagen som regel intakt. Der er også en firewall mellem cockpit og motorsektion, så selv om en celle skulle blive kompromitteret er der ingen virkelig risiko. Batteriboksen er i øvrigt ikke tætnet, så eventuelle gasser kan ventileres bort og kan derfor ikke bygge overtryk op”, konkluderer Klein.

”Nageltest” – test af batteripakkens robusthed ved at penetrere en enkelt celle med et metalsøm. Temperaturen kommer op på ca 500 C i den beskadige celle, men reaktionen spreder sig ikke til andre batterier. (foto: Rainer Klein),

Nageltest – her penetrerer man cellen med et søm for at provokere en reaktion.

En anden fordel er tilgængelighed af cellerne. Der findes mange forskellige producenter – fx LG og Panasonic, og det er et industrielt højvolumen-produkt, som falder i pris kontinuerligt. Prisen er nu ca. 220 USD/kWh. I 2010 var prisen ca. 1000 USD/kWh! Det er ca 80 % reduktion på mindre end 10 år! Men det stopper ikke her – priserne forventes at falde endnu mere – helt ned til ca 100 USD/kWh inden 2030.

Men ironisk nok spiller indkøbsprisen på cellerne ikke den store, afgørende rolle for den elektriske flyvning – i eksemplet med ASG 32 EL er den rene celle-pris nok under 2000 euro for 8 kWh (NG estimat). Den virkelige omkostning ligger i det tidskrævende arbejde med at montere batteriet ved at forbinde det store antal celler mekanisk og elektrisk.

Men kunne man løse dette på et større industrielt niveau er det ikke urealistisk at forestille sig batteripakker som kan byttes ud flere gange om dagen – til fx skoleflyvning eller flybugsering.

Men kommer vi til at se en fordobling i energien i batterierne i en nær fremtid? Sikkert ikke, men Rainer Klein ser dog lovende tegn i horisonten:
”I dataverdenen taler man om Moores Lov – opkaldt efter computergiganten Intels grundlægger Gordon Moore. Ud fra Moores Lov vil transistorer – den fundamentale byggeklods i mikroprocessoren falde i pris og stige i ydeevne med en eksponentiel rate, altså en fordobling i andet år. Energitætheden i batterier øges med ca 5-8 % om året, så vi taler ikke om Moores lov her, men det er en eksponentiel udvikling så selv encifrede forbedringer kan blive effektfulde over kort tid.”, siger Klein.

Ser man fx i bilverdenen som ud over mobiltelefon-industrien er blandt de førende i batteriteknologi, så lancerede BMW deres elektriske i3 i juni 2014 med et 22 kWh Li-on batteri. Fra modelåret 2017 leveres samme bil med et 33 kWh-batteri (50 % øgning) uden at øge batteriets fysiske dimensioner. Det samme er muligt for den elektriske flyvning.

Udviklingen i batteriteknologi drives også af mobil – og bilsektoren. Elbilen BMW i3 blev lanceret i 2014 med et 22 kWh-batteri, nu sælges samme bil med et 33 kWh-batteri med samme fysiske dimensioner.

Hos Schleicher i Poppenhausen, som i år fejrer 90 års jubilæum, skal man også bygge et nyt mind-set omkring den elektriske flyvning, og en lang liste med problematikker præsenterer sig selv; Hvordan håndterer man teknologien, hvordan certificerer man et elektrisk fly, hvordan markedsfører man en ny flytype i et konservativt marked, og hvem er kunderne egentlig?

I modsætning til Schempp-Hirth som har adopteret en eksisterende teknologi (FES) har Schleicher søgt en skræddersyet løsning til et stort to-sædet fly som ASG 32. Fordelen ved en klassisk turbo-placering er et mere rent design når turboen er indfældet samt en højere energieffektivitet fordi propellen ikke skaber turbulens over flyets fuselage. I tilfældet FES opereres systemet mest energieffektivt ved lavere powersettings p.g.a. propellens næseplacering.

Ingeniør og projektansvarlig hos Schleicher er Paul Anklam. Han forklarer til NORDIC GLIDING, at turbosystemet næsten er færdigcertificeret.

Hvem kunderne skal være, har han et bud på:

Den nye ASG 32 EL er en meget sikker flytype til klubber. Elektroturboen er exceptionelt enkel og sikker at anvende”, siger han.
Nutidens biler er fyldt med elektroniske hjælpemidler som gør dem sikrere at anvende. Hvorfor skal vi ikke have samme udvikling i svæveflyvningen? Men vi må også fastholde, at flyvesikkerheden starter med piloten selv. Folk vælger selv et niveau for flyvesikkerhed, men det er klart, at turbosystemer som er enkle at anvende i en stresssituation selvfølgelig er en positiv sikkerhedsfaktor.”, slutter han.

Borås er første klub med elektro-2-seater

Denne artikel er baseret på præsentation på Aero Friedrichshafen og Dr. Kleins præsentation