Akkukäyttöisten henkilökuljetukseen soveltuvien sähköilma-alusten tekniikan nykytilanne

Abstract

Ilmastonmuutos vaatii uusia ratkaisuja ja suuria muutoksia esimerkiksi liikenteessä. Kaupallinen lentoliikenne tuottaa paljon päästöjä, ja ennen koronapandemiaa päästöjen odotettiin kasvavan tulevaisuudessa kiihtyvällä tahdilla. Yksi ratkaisu lentoliikenteen päästöjen vähentämisessä vähentämättä lentämistä on fossiilisista polttoaineista luopuminen. Tässä työssä keskitytään akkukäyttöisiin sähköilma-aluksiin. Muita ratkaisuja voi olla esimerkiksi vedyn käyttö energiavarastona joko polttoaineena moottoreille tai polttokennoille.

Työn tavoitteena on selvittää akkukäyttöisten sähköilma-alusten voimalinjan tekniikan nykytilanne, esimerkiksi akkujen ja moottorien osalta. Työssä tutkitaan ja vertaillaan eri tekniikoita sekä eri valmistajien kehityksessä olevia akkukäyttöisiä sähkölentolaitteita sekä konsepteja. Työssä luodaan katsaus myös teknologioiden tulevaisuuden kehitykseen.

Tuloksena nähdään, että tällä hetkellä on mahdollista toteuttaa pieniä, muutamien matkustajien sähkölentokoneita sekä eVTOL-aluksia (electric Vertical Take-Off and Landing). Kestomagneettitahtikoneita kehitellään tällä hetkellä paljon sähköilma-aluksiin. Niillä on saavutettu jopa 9 kW/kg ominaisteho. Litiumioniakuilla on tällä hetkellä paras ominaisenergia, noin 250 Wh/kg, mutta sähkölentokoneet vaativat akuilta tähän verrattuna moninkertaista ominaisenergiaa. Akkuteknologia on suurin tekijä, mikä rajoittaa sähköilma-alusten kantamaa sekä hidastaa suurempien matkustajakoneiden kehitystä. Tällä hetkellä ainoastaan yksi akkukäyttöinen pienkone on saanut tyyppihyväksynnän Euroopan unionin lentoturvallisuusvirastolta, ja seuraavan kolmen vuoden sisällä on odotettavissa ainakin kahden eVTOL-aluksen saavuttavan tyyppihyväksynnän, joko Euroopassa tai Yhdysvalloissa.

Climate change has led to coming up with new solutions and big changes for example in transportation. Commercial air transportation produces lot of emissions, and before the pandemic, emissions were expected to increase in the coming years. One solution for reducing the emissions of air transportation without reducing flying is to stop using fossil fuels. This thesis is focusing on battery-powered electric aircrafts. Other solutions could be use of hydrogen in fuel cells or directly for combustion in jet engines.

The aim of this thesis is to investigate the state of the art of technologies used in the power train of a battery-powered aircraft, for example motors and batteries. Different technologies used in components and differences between manufacturers are compared. Also, a comparison between already available electric aircrafts and prototypes that are in development is conducted. Finally, a short overview of future technologies and concepts is provided.

Small airplanes and eVTOL (electric Vertical Take-Off and Landing) aircrafts that can carry few passengers are possible to implement with the technology available today. The state of the art of electric motors for aviation are permanent magnet synchronous machines. They can reach a specific power of up to 9 kW/kg. The state-of-the-art batteries are lithium-ion batteries. They have the highest specific energy of all available battery types, around 250 Wh/kg. Bigger electric planes though require up to five times higher specific energy than 250 Wh/kg. Battery technology is the single most decisive factor constraining the range of electric aircrafts and restraining the development of large passenger airplanes. At the moment, only one battery-powered airplane has received a type certification from the European Union Aviation Safety Agency. In the next three years, at least two eVTOL aircrafts are expected to receive type certification either in United States or in Europe.