Stora klimatfördelar med elflygplan
Forskare vid Chalmers tekniska högskola har genomfört världens första livscykelanalys av ett befintligt, tvåsitsigt elflygplan och gjort en direkt jämförelse med samma flygplanstyp med förbränningsmotor. Enligt studien blir elflygplanets klimatpåverkan lägre redan efter en fjärdedel av den förväntade livslängden, givet att det drivs med grön el. Baksidan är användningen av sällsynta ämnen i elflygplanets batterier.
Flygandet har ökat kraftigt de senaste decennierna och står för ungefär två procent av världens koldioxidutsläpp och omkring fyra procent av all klimatpåverkan årligen. Elektrifiering kan vara en väg för att minska denna klimatpåverkan och andra miljöproblem från flyget. De första elektriska flygplanen finns redan i drift i form av små plan som används för pilotutbildning och korta flygningar i närområdet. Det är ett sådant flygplan som undersökts i forskarnas livscykelanalys.
– I den närmaste framtiden kommer batteridrivet elflyg sannolikt mest att användas för kortare sträckor, exempelvis det man i Norge kallar för ”fjord-hopping”, alltså kortare flygresor mellan djupa fjordar. I ett större perspektiv visar studien att batteridrivna elflygplan har potential att minska flygets miljöpåverkan rejält, säger forskaren Rickard Arvidsson, huvudförfattare av studien från Chalmers.
Studien: Samma flygplanstyp – stora skillnader
Forskarna undersökte ett kommersiellt tillgängligt batteridrivet elflygplan för två personer, Pipistrel Alpha Electro. Samma flygplan finns också i en ordinarie bränsledriven modell och därför har forskarna kunnat göra en direkt jämförelse. De undersökte hela påverkan från respektive flygplan från ”vagga till grav” – alltså från utvinning av råvaror till slutanvändning – med en funktionell enhet på en timmes flygtid. Information och uppgifter från flygplanstillverkaren utgjorde en stor del av dataunderlaget till studien.
Ett flertal olika typer av påverkan beaktades, med fokus på global uppvärmning från utsläpp av växthusgaser som koldioxid, mineralresursknapphet från användning av sällsynta mineraler som litium i batterierna, partikelbildning från utsläpp av luftburna partiklar, försurning från sura utsläpp som kväveoxider, samt marknära ozonbildning från utsläpp av kväveoxider och kolväten.
– Huvudresultatet från studien är att små elflygplan kan ha betydligt lägre klimatpåverkan, uppemot 60 procent mindre, liksom lägre annan typ av miljöpåverkan jämfört med motsvarande fossilbränsledrivna flygplan. Det finns dock en baksida vad gäller mineralresursknapphet, som är 50 procent högre även i det mest gynnsamma scenariot, framförallt på grund av sällsynta metaller i elflygplanets batterier, säger Rickard Arvidsson.
Precis som med elbilar är elflygplanet jämförelsevis sämre ur klimatsynpunkt när planet är helt nytt eftersom tillverkningen av batteriet kräver mycket energi och resurser. Med tiden minskar sedan den relativa påverkan när elflygplanet används och nyttan förverkligas i form av utsläppsfri, elektrisk framdrivning. Ju längre det elektriska planet används desto bättre blir det för miljön, och så småningom nås en brytpunkt, ”break even”.
Efter ungefär 1 000 flygtimmar går det elektriska planet om det fossildrivna i fråga om mindre klimatpåverkan, och därefter är elflygplanet bättre. Detta mäts i kilogram koldioxidekvivalenter per flygtimme och gäller under optimala förhållanden där grön energi används. All användning därefter blir följaktligen en ”klimatfördel” jämfört med det konventionella flygplanet. Den beräknade livslängden för flygplanet är minst 4 000 timmar, eller fyra gånger så lång som brytpunkten.
– Litiumjonbatteriernas livslängd skulle däremot behöva bli ungefär dubbelt så lång för att mineralresursknappheten skulle bli ungefär lika stor för elflygplanet och det fossildrivna flygplanet. Alternativt skulle de behöva ha en dubbelt så hög energilagringskapacitet, så att bara ett av de två batteripacken behövs ombord för samma flygtid, säger forskaren Anders Nordelöf som är medförfattare till studien.
Nya och bättre batterier för en grönare framtid
I studien diskuterar forskarna den fortsatta batteriutvecklingen som ett viktigt steg mot minskad livscykelpåverkan från elflygplan. Redan idag – men efter att studien genomfördes – har den aktuella flygplanstillverkaren tredubblat livslängden för batterierna. Nya batteriteknologier skulle ytterligare kunna minska både klimatpåverkan och mineralresursknapphet.
– Det sker en ständig utveckling av litiumjonbatterier som kan förbättra miljöprestandan för elflygplan och göra dem relativt sett ännu bättre än de fossilbränsledrivna. Det finns också alternativa batteriteknologier som skulle kunna utvecklas och användas i elflygplan i ett längre tidsperspektiv, såsom litium-svavelbatterier, men dessa är än så länge i en tidig fas av teknikutveckling, säger Rickard Arvidsson.
Mer om forskningen
Studien presenteras i den vetenskapliga artikeln “Life cycle assessment of a two-seater all-electric aircraft” publicerad i The International Journal of Life Cycle Assessment.
Forskarna som medverkat i studien är Rickard Arvidsson, Anders Nordelöf och Selma Brynolf, verksamma vid Chalmers tekniska högskola i Göteborg.
Forskningen har genomförts med open access-finansiering från Chalmers.
https://doi.org/10.1007/s11367-023-02244-z
Om flygplanet
Elflygplanet som studerats i undersökningen är en Pipistrel Alpha Electro tillverkad i Slovenien. Flygplanets vingspann är drygt 10 meter och planet väger fullastat 550 kg. Maximal flygtid är ungefär en timme, plus reserv. Batteriet är ett litiumjonbatteri av typen NMC (nickel-mangan-kobolt) på 21 kilowattimmar och motorn ger en effekt på 60 kilowatt. Alpha Electro var en förseriemodell och har nu ersatts av en vidareutvecklad serietillverkad modell.
Det fossilbränsledrivna planet som jämförs i studien har samma grunduppbyggnad som elflygplanet. Skillnaderna utgörs framförallt av en flygbensinmotor och bränsletank, istället för en elmotor och batterier.
För mer information, kontakta:
Rickard Arvidsson, docent, avdelningen för miljösystemanalys, institutionen för teknikens ekonomi och organisation, Chalmers tekniska högskola, rickard.arvidsson@chalmers.se, 031-772 21 61
Anders Nordelöf, senior forskare, avdelningen för miljösystemanalys, institutionen för teknikens ekonomi och organisation, Chalmers tekniska högskola, anders.nordelof@chalmers.se, 031-772 86 11
Selma Brynolf, forskare, avdelningen för maritima studier, institutionen för mekanik och maritima vetenskaper, Chalmers tekniska högskola, selma.brynolf@chalmers.se, 031-772 22 37