Svæveflyvning: Midt i den elektriske revolution

Der er isoleret set ingen fornuftig grund til at skrotte Pawneen. Den er kraftig, pålidelig, baseret på 70 år gammel teknologi som de fleste flyveklubber kender og forstår. Den bugserer alle vores grønne svævefly i luften med få problemer. ”Opladning” er kendt teknologi: Det er bare at fylde tanken med benzin, så er den 10 minutter senere klar til tjeneste. Hvad er så problemet?

De sidste 30-40 år, og særligt de sidste 15 år, har diskussionen på alle niveauer i samfundet ændret sig. Der er nu en generel videnskabelig accept af det faktum, at emissioner fra fossile brændstoffer ikke bare giftige lokalt set, men at den globale ophobning af kuldioxid i atmosfæren også skaber en isolerende effekt, som gør, at planetens temperatur øges med potentielt meget alvorlige konsekvenser.

Men CO2-niveauet har jo varieret historisk, så et midlertidigt peak som nu kan vel være helt ok, eller hvad? Ikke rigtigt. Data fra iskerneboringer som går næsten 1 mio. år tilbage (og fra 1958 data fra observatoriet på Mauna Loa, Hawaii), viser et historisk CO2-niveau (fra 800.000 BC til ca. 1900) som varierer mellem 180 og 300 ppm (parts per million).

Atmosfærens C02-niveau fra 800.000 år siden til nutiden: Variation mellem 170-300 ppm.

Atmosfærens C02-niveau: Markant stigning fra 1950 til nutiden. Januar 2019 er koncentrationen 409 ppm.

Men i starten af det 20 århundrede ændrer dette sig med en markant øgning fra ca. 1950 op til nutiden hvor niveauet ligger på cirka 410 ppm. Ser man på et kurve-diagram over industrialiseringen er denne ekstreme acceleration i C02-emission tydelig som en naturlig funktion af det kraftigt øgende energiforbrug verden over (vi brænder globalt ca. 90 mio tønder råolie af PER DAG…) og som også skyldes den ufattelige befolkningstilvækst.

Historisk diagram over det globale energiforbrug dominret af fossile brændsler, som bidrager til den kraftige øgning af CO2.

Det tog cirka 200.000 år at vokse til 1 mia. mennesker (cirka år 1800), og over de næste 200 år er befolkningen vokset med yderligere 6 mia(!) Holdbart?

Vores reserver af fuel (olie, gas) til Pawnee og co. rækker mellem 100-300 år, men er ekstremt vanskelige at vurdere præcist, for nye produktionsmetoder kan forlænge ventetiden. Men en ting er sikker. Fossile brændsler er en begrænset ressource – som vi kan se enden på, for vi forbruger dem langt hurtigere end planeten kan producere dem.

Straks mere sikker er vores ven i verdensrummet: Solen, som jo også er ansvarlig for at have produceret de fossile brændsler for længe, længe siden. Efter alle estimater har vi en stabil sol de næste 5 mia. år. Det burde række! Derefter er det lidt mere so-so! Solen er – helt forsimplet – en gigantisk hydrogen-fusionsreaktor med et forbrug på 600.000.000 (600 mio.) tons hydrogen i sekundet.

Den globale indstråling er ca. 1050 watt/m2 (peak), hvoraf vi kan udnytte ca. 200 watt/m2 med den eksisterende teknologi af solceller. Men det er helt ufattelige mængder energi. 1 times sollys kan i princippet dække hele planetens energibehov et helt år. Så hvad betyder dette for os? Jo, kunne vi elektrificere vores sport fuldstændigt ville en ubetydelig mængde solceller være mere end rigeligt til håndtere alle starter og aktivitet på flyvepladsen.

Elektro-pionér: Lange Antares 20/23E (2003)
Det første rigtige elektriske selvstartende certificerede svævefly med Loek Boermanns-vingeprofiler, mange smarte finesser og gennemtænkt ergonomi.
20/23M flappet åbenklasse SLG
Ca 60 produceret (inklusiv benzinturbo)
42 kW motor (Batteri 11,6 kWh/77 kg monteret på skinner i vingerne)
Climb performance +4,0 m/s / + 3000 meter højdevinding
Samme elektrodrivlinje blev også anvendt i Schempp-Hirths Arcus E.
En opdatering af Antares er tænkt lanceret senere i 2019 som Antares 21E med en forlænget ydervinge med nyt profil som øger spændvidden fra 20 til 21,5 meter.

Ser man på elektriske drivlinjer versus forbrændingsmotorer er der en række helt unikke forhold som gør sig gældende. Elektromotor er støjsvage, har mindre vibrationer, er mindre komplicerede mekanisk og det lugter ikke af olie eller benzin i cockpittet. Elektrodrivlinjer har også den fordel, at de er massivt mere energieffektive end forbrændingsmotorer, som mest af alt genererer massive mængder varme. Benzinmotorer konverterer max 20 % af den kemiske energi til mekanisk energi (bevægelser), hvor elektriske motorer ligger på ca. 90 % energieffektivitet.

Elektriske motorer er desuden vældigt pilotvenlige, og præsenterer bestemt en fordel, specielt i turbo-regi. Her er der ingen grund til stress-fremkaldende ”Stuka-dyk” for at mølle motorer i gang i lav højde (der er ingen piloter som fyrer op for turboen i 600 meters højde, selv om det nok var det sikreste). Her er ingen stor kavalkade af fejlmuligheder som dekompressions-håndtag, fuel-selector, tænding osv osv.

Nu findes der naturligvis turbofly med selvstartere som minimerer højdetabet markant, men den ældre generation af turbo-fly vil være i klubberne i mange, mange år, og stort set hvert eneste år er der alvorlige havarier med turbo-fly på trods af, at vi kender teknologien, fejlmulighederne og diskuterer dem i miljøet.

Anvender man grøn strøm (som har en fortsat lille, men øgende andel af den globale energiproduktion, ca 21 % i 2017, alternativt kernekraft), er elektriske motorsystemer som udgangspunkt CO2-neutrale i en direkte operation.

Ultralet 2-sædet SLG
Pipistrel Taurus Electro (2007)
PIpistrel i Slovenien er en af verdens største fabrikanter af ultralette fly. Den selvstartende Taurus M med Rotax-motor og en 15 m flappet vinge havde præmiere i 2002.
I 2007 kom batterivarianten Taurus Electro med 7,4 kWh batterier og en 40 kW motor.
NORDIC GLIDING testede den til decembernummeret i 2015 på flyvepladsen i Ajdovscina, ca 120 km øst for Venedig. Med 35 graders lufttemperatur var climb performance 2,2 m/s og vi fik 1300 meters højdevinding.
Pipistrel er også aktuelle med det ultrallette skolefly Pipistrel Alpha Electro.

Batterierne kan udvikles mere
Men nutidens batterier har fortsat et stort udviklingspotentiale. De er tunge, relativt dyre, tåler ikke mishandling og har relativt begrænset energiindhold (som dog kompenseres for med stor energieffektivitet). Men energidensiteten forøges dog med 5-7 % hvert år; En FES-monteret Discus har 4,2 kWh i batterierne, men vælger man en klassisk turbo-Discus har de 13 liter benzin i tanken en energi svarende til 125 kWh – den lave energieffektivitet i forbrændingsmotoren kaster dog størstedelen af energien, ca 80 %, bort på varme.

Benzinturboen har en publiceret 0-vind-rækkevidde på maksimalt 400 km (Discus 2ct 18 m), hvor FES’en kan mønstre mellem 80-90 km. Det vil sige, at benzinturboen har næsten 30 gange så meget energi på ”batteriet”, men klarer bare 4-5 gange distancen.

Opladningsteknologien er fortsat i stor udvikling – ikke mindst p.g.a. automobilindustrien, hvor ladningshastighederne er mangedoblet de seneste 10 år. Teslas supercharger-ladestationer leverer fx op til 135 kW, og der er planer om endnu kraftigere 2. generationssystemer. Den tjekkiske TMG Onix lader på batterierne med ca 13 kW – det er samme effekt som den kræver for at holde level flight, så 1 flyveminut svarer stort set til 1 minut i laderen. FES-batterierne leveres som standard med 2 x 600 watt ladere, så her er det mindst 3-4 timer for en fuld opladning. Der findes også 1200 og 2000 watts FES-ladere.

Elektrofly til ”folket”
Front electric sustainer, FES (2009)
Med jomfruflyvningen i 2009 har det slovenske FES-koncept kickstartet elektrificering af turbosystemer for svævefly. Over 150 fly af typen Discus, Ventus 2/3, Hph Shark og LAK 17 er monteret med systemet, som består af 2 x 15 kg batterier med totalt 4,2 kWh. Motoren er på 22 kW og er luftkølet. En 1 meter foldbar propel i næsen erstatter den traditionelle komplekse pylonmekanisme på bekostning af 1-2 point på glidetallet, men giver som udgangspunkt en langt lavere stresspåvirkning af piloten. Der er indikationer fra tyske klubber som har købt fx Discus med FES, at elektroturboen booster strækflyvning for specielt uerfarne piloter.
Systemet er forbedret fra 15 (første generation) til 22 kW max motoreffekt takket være en lavere modstand i cellerne. Rækkevidde er ca 80-90 km. Typerne Alisport Silent Electro og MiniLAK FES (foto) er selvstartende med motorsystemet.

Experimentalfly
Stuttgart University eGenius (2011)
Dette imponerende rekord- og eksperimentalfly er bygget af studenter fra Institut für Flugzeugbau på Stuttgart Universitet. Flyet er specielt, fordi det har et meget kraftigt batteri på 56 kWh og en 80 kW Sineton-motor monteret på finnen for maksimal energieffektivitet.
Flyet kan holde level flight på bare 10 kW og 120 km/t, og præsterer stighastigheder på over 6 m/s.
eGenius har sat en del rekorder bl.a. første elektrofly til at flyve fra Tyskland til Italien samt første 400 km non-stop-flyvning i 2013 og 7 øvrige verdensrekorder i elektrofklassen fløjet af Klaus Ohlman, bl.a en 100 km out and return distance: 178,1 km/t og ”airspeed in a straight line of 15 km” 229,7 km/t.
Instituttet tester i øjeblikket en range extender med wankel engine ophængt i en pod under vingen.

Ultra-langdistance på solens energi
Solar impulse 2 (2013)
Solar Impulse 2 er et eksperimentalfly designet til at flyve rundt om jorden på solens energi
Flyet har 64 meter spændvidde og en samlet batterikapacitet på 164 kwh som driver de 4 elektriske motorer på hver 13 kW.
Batterier lades om dagen med 66 kWp (kwpeak) solceller.
Flyet satte mange verdensrekorder, ikke bare for elektrofly, men for flyvning generelt, bl.a. den længste soloflyvning i verden: Japan – Hawaii (distance 7,212 km) med en flyvetid på 117 timer og 52 min. Det er næsten 5 døgns non-stop-flyvning.
Hele Solar Impulse-projektet kostede 170 mio USD, men så fik man også 2 flyvemaskiner for pengene!

Ser man omfanget af en fremtidig elektrificering af transportsektoren (alt fra lastbiler, skibe, biler, busser og fly), er der basis for et enormt marked, som naturligt vil indeholde mekanismer som sænker prisen og højner performance på teknologien.

Globale investeringer i batteri-teknolgi-forskning er også kraftigt på vej op. Ifølge en amerikansk opgørelse er der i 2018 investeret 1,5 mia. USD i de første 6 måneder i nye virksomheder (såkaldte ”start-ups”) som forsker i batteriteknologi. Den samlede investering for hele 2017 var 750 mio. USD, hvilket demonstrerer accelerationen i markedet.

Pris, rækkevidde og opladningshastighed vil fortsat være et konkurrenceparameter. De første mobiltelefoner kostede næsten 10.000 USD i 1984. Nu 35 år senere og mindst 30 designgenerationer senere koster den billigste telefon ca 15 USD. 1 Li-ion batteri kilowatt-time (kWh) kostede 1000 USD for mindre end 10 år siden. Nu opererer Tesla med en kostpris på cirka 190 USD for 1 kWh batterikapacitet, og denne pris forventes at falde med en yderligere udbygning af den globale produktionskapacitet.

Konventionelle industrigiganter som Siemens, Audi, VW, Mercedes, Porsche, Hyundai og Kia har også annonceret deres ankomst på det elektriske marked, hvilket også vil accelerere udviklingen og sænke omkostningerne markant i de kommende år. Det giver lovende udsigter for den elektriske flyvning. I øvrigt: Hvis vi i fremtiden gerne vil flyve elektrisk med tunge passagerfly, er det fint at starte med at elektrificere de super-energieffektive svævefly. Så vores sport er privilegeret fordi vi får lov til at være spydspidsen af en global udvikling i elektrisk flyvning.

Det er i øvrigt enklere nu at certificere elektriske drivlinjer til lette fly, for bare 10-15 år siden var dette næsten umuligt, for hvordan skulle luftfartsmyndighederne formulere certificeringsbestemmelser for motorsystemer, som de ikke havde nogen erfaring med?

Men i øvrigt: forestil dig lige den omvendte situation: Skulle man certificere forbrændingsmotorer nu efter at have fløjet elektrisk i 100 år, ville det nok næste være umuligt; Brændende benzin, piskende remme, kogende olie, kulmonooxid, vibrationer og flere single point-of-failure-komponenter …

2-sædet elektroturbo
Schleicher ASG 32 EL (2016)
ASG 32 EL er ikke den første elektroturbo på 2-sædede fly. DG eksperimenterede for ca 15 år siden med en elektrisk turbo på DG 1001 TE, men fuldførte aldrig projektet til serieproduktion. ASG 32 EL er derimod resultatet af et joint-venture mellem delstaten Hessen, Schleicher og de tekniske universiteter i Kassel og Baden Württemberg Mosbach og til dato er flere eksemplarer produceret.
20 meter-flyet er monteret med et 7 kWh batteri og en 25 kW-motor i en klassisk pylonkonstruktion. Totalvægt på motor -og batterisystemet er 89 kg.
Dette giver det relativt tunge fly en stigperformance på 1,3 m/s og en rækkevidde på 100 km, hvilket NG kunne verificere i testflyvning i oktober 2016.

Så hvad er mulighederne nu?
Klubber og private som ønsker at flyve elektrisk svæveflyvning kan i praksis enten vælge mellem FES-konceptet (enten som turbo i fx Discus, Ventus 3, Shark eller som SLG i MiniLAK FES) eller Lange Antares.

Der findes i øjeblikket ingen elektrisk selvstartende 2-sædede normalklassede svævefly, siden Schempp-Hirth har nedlagt Arcus E, som var resultatet af et joint-venture med Lange Aviation. Det nærmest man aktuelt kommer er Schleichers ASG 32 i 20-meterklassen som kan bestilles med velfungerende elektroturbo.

Men både LAK og GP Gliders arbejder seriøst på selvstartende singleseaters, så det sidste ord er ikke sagt i denne sag. Schleichers kommende AS 33 (præmiere senere i år) vil med stor sandsynlighed også leveres med en elektro-option, når teknologien er moden.

Reiner Stemme, RS Aero, forventer desuden de første testflyvninger i marts/april 2019 med prototypen på den selvstartende Elfin 20.E. Det er et 20 meter fly med det klassiske Stemme side-by-side-cockpit, dog med en række ergonomiske forbedring, bl.a. at siderne på cockpittet er betydeligt lavere, så det ikke længere kræver en cirkus-akrobat at tage sig ind og ud af cockpittet. Et 100 kg tungt 21 kWh batteri monteret bag piloterne klarer selvstart plus 1 times flyvning. Motoren er en Siemens SP45D på 70 kW som er integreret i næsen af flyet. Propellen kan rotere, når ”næseconen” åbnes. Når flyet flyves som ”clean glider” er der ingen modstand fra propel.