Ist es möglich, ein vollelektrisches Verkehrsflugzeug zu haben?

Nun, um dieselbe Flugzeugzelle zu verwenden, müssten Sie im Grunde einen Weg finden, das Kraftstoffvolumen in den Flügeln durch Batterievolumen zu ersetzen, und Batterien machen etwa 15 bis 20% der Leistungsdichte von Kraftstoff aus, wie die Antworten darin sind ASE-Post-Layout ziemlich gut.

Wenn Sie also einen elektrischen Lüfter hätten, der den erforderlichen Schub erzeugt, und irgendwie herausgefunden hätten, wie man alle Kraftstofftanks durch Batterien ersetzt, hätten Sie wahrscheinlich etwas, aber nur mit einer Ausdauer von etwa einer Stunde, was nicht einmal das ausmachen würde IFR-Reservebereichsanforderungen die meiste Zeit. Sie müssten viele Passagiere durch Batterien ersetzen, um auch nur ein paar Stunden durchzuhalten, was den Geschäftsfall irgendwie zunichte machen würde.

Diese Art von Konzept ist also so ziemlich eine Sackgasse, bis sich die Batterieleistungsdichte dem Niveau von Kerosin annähert, vielleicht in 20 oder 30 Jahren, es sei denn, es kommt eine massive neue Entwicklung.

John Ks Antwort gilt für Lithiumbatterien. Sie sind in vielerlei Hinsicht recht praktisch, aber sie funktionieren eindeutig nicht für diese Anwendung.

Brennstoffzellen hingegen sind vernünftiger. Eine Brennstoffzelle erzeugt aus Brennstoff wie Wasserstoff oder Ethanol Strom. Als solches hat es nicht die Gewichtsnachteile von Batterien. Außerdem löst dies meistens das von jwenting erwähnte Problem. Der Treibstoff ist immer noch oxidiert und daher verliert das Flugzeug im Flug an Gewicht.

Ich weiß, dass dies eine alte Frage ist, aber ich finde dieses Thema interessant und dachte, ich würde einen Beitrag leisten.

Warum kein Elektroflugzeug? Der YouTube-Kanal Real Engineering beantwortet diese Frage hier:

Es ist über 10 Minuten lang, aber sie geben in den ersten 2 Minuten eine gute Zusammenfassung des Problems. Um es noch kürzer zu machen, es ist die Energiedichte der Batterien, die wir heute haben.

Warum nicht Brennstoffzellen statt Batterien? Brennstoffzellen werden heiß und müssen gekühlt werden. Die Luft muss mit einer ausreichenden Geschwindigkeit einströmen, um den erforderlichen Sauerstoff zu liefern. Der Auspuff muss ebenfalls frei in die Luft strömen. Sie haben also eine sehr heiße Brennstoffzelle, einen sehr heißen Auspuff, einen großen Lüfter, um die Brennstoffzelle zu kühlen, Luft einzupumpen und vermutlich das Fahrzeug anzutreiben. Um das Ein- und Ausströmen der Luft im Stillstand zu unterstützen, kann eine Turbine am Auslass platziert werden, um einen Einlasslüfter anzutreiben. Frage, wozu brauchen wir die Brennstoffzelle? Richtig, um den großen Lüfter vorne anzutreiben. Das bringt mehr Masse in das Flugzeug mit Motor und dann Probleme mit den Treibstoffen, auf die ich später noch komme.

Die Fähigkeit, sozusagen „den Mittelsmann auszuschalten“, wurde bei der Entwicklung von Kolbenmotoren während des Zweiten Weltkriegs entdeckt. Alle Seiten dieses Konflikts stellten fest, dass mit zunehmendem Wachstum der Kolbenmotoren der Beitrag der Motorabgase zum Schub zunahm. Da ein Turbolader erforderlich ist, um die meiste Leistung zu erzielen, insbesondere in größeren Höhen, half der Kolbenmotor in der Mitte nicht viel. Indem man einfach Treibstoff in eine Brennkammer schüttet, eine Turbine am Auspuff anbringt und damit einen Lüfter antreibt, um die Flammen des brennenden Treibstoffs zu speisen, könnte der Auspuff allein ein Flugzeug auf hohe Geschwindigkeiten und ziemlich effizient antreiben. Diese Effizienz gegenüber einem Propeller verbesserte sich mit größeren Geschwindigkeiten und Höhen. Später wurden Bypass-Lüfter und von der Turbine angetriebene Propeller hinzugefügt, wenn die Geschwindigkeiten Unterschall blieben.

Was ist das Ziel beim Einsatz eines Elektroflugzeugs? Warum sich die Mühe machen, wenn Düsentriebwerke so gut funktionieren? Ach ja, um den CO2-Ausstoß zu senken. Dafür können wir einen Biokraftstoff verwenden. Aber es gibt ein Problem mit Biokraftstoff, da dies derzeit ein energienegativer Prozess ist. Wir können diesen Prozess verbessern, aber das bringt andere Probleme mit sich. Auch hier erklärt Real Engineering:

Wenn Mais-Ethanol ebenso wie Sojaöl aus ist, was ist dann mit Wasserstoff-Kraftstoff? Real Engineering hat auch ein Video dazu:

Während es sich auf Autos konzentriert, ergeben sich viele der angesprochenen Probleme bei der Herstellung und Lagerung des Kraftstoffs. Ein Problem, auf das hingewiesen wird, ist, dass die Erzeugung von Wasserstoff ein energienegativer Prozess ist. Dies ist kein Deal-Killer, da es einen Vorteil bietet, Energie aus Wind, Sonne, Kernspaltung oder Wärme innerhalb des Planeten in einen flüssigen Brennstoff umzuwandeln. Dies bedeutet, dass Biokraftstoffe auch nicht dadurch getötet werden, dass sie energienegativ sind, sondern durch den Bedarf an Land, Frischwasser und Arbeitskräften, die besser für den Anbau von Nahrungs- und Bekleidungsfasern verwendet würden.

Es kommt darauf an, dass das Düsentriebwerk in Ordnung ist, es ist der Treibstoff, der geändert werden muss. Der wahrscheinlichste Kandidat sind synthetisierte Kohlenwasserstoffe. Diese sind ein Drop-in-Ersatz für vorhandene Erdölbrennstoffe und können auf eine Weise hergestellt werden, die netto CO2-neutral ist. Das Verbrennen des Kraftstoffs setzt zwar CO2 in die Luft frei, aber wir wissen, wie wir diesen Kohlenstoff zurückgewinnen und mehr Kohlenwasserstoffketten mit kohlenstoffneutraler Energie aufbauen können.

Als Antwort auf @MSalters Kommentar zur Brennstoffzellenwärme werde ich einige weitere Beobachtungen zur Praktikabilität eines Brennstoffzellenflugzeugs machen.

Ich behaupte nicht, dass das Abführen der Wärme aus einer Brennstoffzelle ein Problem ist, sondern nur, dass es getan werden muss. Wie MSalters betont, haben wir in den letzten 100 Jahren viel darüber gelernt, wie man effiziente und hochfliegende Flugzeuge baut. Der Meredith-Effekt sagt uns, wie man nützlichen Schub von Wärmequellen in Flugzeugen bekommt. Wir wissen aus der Verwendung von Kolbenmotoren in großen Höhen, dass ein Turbolader eine hervorragende Möglichkeit ist, in großen Höhen die gleiche Leistung wie auf Meereshöhe zu erzielen.

Kombinieren Sie den Meredith-Effekt mit einem Turbolader und die Brennstoffzelle ist nur eine Brennkammer für ein Düsentriebwerk. Wenn jemand mehrere Iterationen zur Optimierung des Schubs durch den Meredith-Effekt und die Brennstoffzelle, die einen Lüfter oder Propeller antreibt, durchlaufen müsste, könnten wir dann sehen, wie die Brennstoffzelle optimiert wird? Meine Vermutung ist, dass genau das passieren würde.

Will jemand argumentieren, dass Brennstoffzellen besser sind als ein Düsentriebwerk? Ein Düsentriebwerk kann einen Wirkungsgrad von etwa 40 % erreichen. Wir können das gleiche aus einer Brennstoffzelle bekommen... auf Meereshöhe. Was passiert in dünnerer Luft? Die Brennstoffzelle braucht etwas, um die Luft hineinzupumpen, und etwas, um die Wärme abzuführen. Auch hier ist ein Turbolader gut. Dieser Turbolader wird einen Teil dieser Energie von der Brennstoffzelle nehmen. Wenn wir die Brennstoffzelle heiß laufen lassen, wird der Turbolader effizienter. Verringern höhere Temperaturen die Effizienz der Brennstoffzelle? Vielleicht, aber es könnte durch einen effizienteren Turbolader kompensiert werden, der der Brennstoffzelle Luft zuführt.

Was wäre, wenn wir die Effizienz der Brennstoffzelle weiter opfern würden, um mehr aus dem Meredith-Effekt und eine bessere Leistung des Turboladers herauszuholen? Machen Sie das noch ein paar Mal und die Brennstoffzelle ist nicht mehr im Bild.

Ein Grund, warum Menschen eine Brennstoffzelle mögen, ist, dass sie mit „grünem Wasserstoff“ betrieben werden kann, Wasserstoff aus kohlenstofffreier Energie. Nun, ein Düsentriebwerk kann auch mit Wasserstoff betrieben werden. Wenn der Treibstoff „blauer Wasserstoff“ ist, Wasserstoff aus fossilen Brennstoffen, dann ist er nicht „grüner“ als ein Düsentriebwerk, das Kerosin verbrennt. Wir wissen, wie man einen Verbrennungsmotor mit Wasserstoff betreibt. Wenn wir also mit der Brennstoffzelle keine signifikanten Effizienzgewinne erzielen können, was zweifelhaft ist, bringt die Brennstoffzelle keinen Nutzen.

Es mag möglich sein, ein vollelektrisches Flugzeug zu bauen, aber es ist wahrscheinlich nicht günstiger in Bezug auf Kosten oder CO2-Emissionen als ein Jet, der mit irgendeiner Art von "grünen" synthetisierten Kraftstoffen betrieben wird.