An airports role in the transition to sustainable aviation with the implementation of electric planes

Abstract

Luftfart er en viktig del av verdens kort- og langdistandemobilitet i dag og skaper store sosiale fordeler for verdens befolkning. Pågående elektrifisering av kommersiell luftfart har mål om å redusere de negative klimapåvirkningene fra industrien. Elektrifiseringen fører til stor økning i energibehov over hele verden og utfordrer kapasiteten i strømnettet. Green Flyway er et unikt nordisk samarbeid mellom Norge og Sverige og er en testarena for elektriske fly og andre luftfartøy. Prosjektet har fokus på å utvikle bærekraftig infrastruktur på flyplasser og å legge til rette for forskning.

Bacheloroppgaven tar for seg introdusering av ladestasjoner for elektriske fly i dagens flyplassinfrastruktur og har fokus på forsyningssikkerhet. Hovedmålet er å utvikle et bærekraftig energi- og ladesystem på Åre Östersund flyplass. Systemet skal simuleres over et tidsperspektiv på 20 år i MATLAB og PSS DE Siemens. Simuleringen analyserer tre steg i elektrifiseringen av kommersiell luftfart. Det første steget er en testarena der små elektriske fly testes. I neste steg blir elektriske fly introdusert til det offentlige transportsystemet i buss-drift. Siste steg er buss-drift i kombinasjon med større elektriske fly med lengre rekkevidde.

Simuleringene i MATLAB og PSS DE Siemens gir tilnærmet like resultater. Energilagring er nødvendig da høyeste last på flyplassen er større enn antatt abonnement på strømnettet. Introdusering av batteri som energilagring gir forsyningssikkerhet til systemet. Kapasiteten som trengs fra batteriene er svært avhengig av strømnettavtale og behovet øker jo mindre abonnement man har. Gjennom en solcelleinstallasjon får energisystemet selvforsyning av energi som dekker 4.8 % av energiforbruket gjennom prosjektets levetid. Solcellene bidrar til å redusere strømkostnader og er også en tilleggsinntekt ved at overskuddsenergien blir solgt til strømnettet. Utenom dette er energisystemet ikke avhengig av produksjonen fra solcellene for å fungere optimalt. Det er en risiko for at en solcelleinstallasjon på flyplassen ikke vil bli godkjent av myndigheter og det er derfor utført simuleringer både med og uten solceller.

For å forsikre at energisystemet kan tåle uforutsett last ble det utført lastøkningstester. Den høyeste lastøkningen systemet tålte var 24 % i steg 3. SoH var høy gjennom hele simuleringen. Dette forsikrer at batteriene har lang levetid, også etter at prosjektet er ferdig. Mengden energilagring som trengs i systemet kan reduseres dersom tilgjengelig kapasitet fra lokalnettet øker. Lønnsomheten til prosjektet er avhengig av ladeinntekt. Nåverdien til prosjektet varierer mellom positiv og negativ verdi avhengig av hvilke antagelser som gjøres om inntekt. Finansiell støtte fra myndigheter og andre aktører er ekskludert i økonomiske beregninger, men kan ha stor innflytelse på hvor avhengig prosjektet vil være av ladeinntekt.

Videre arbeid bør ta for seg noen av antakelsene som ble gjort i oppgaven. Forskning og utvikling i luftfartsindustrien er under stadig utvikling. Fremtidige teknologier kan påvirke premissene som ligger til grunn for denne oppgaven.

Med dagens strømnettavtale er ikke Åre Östersund flyplass klar for den store energietterspørselen som kommer når kommersielle elektriske fly skal testes på testarenaen. Det vil derimot være høyst realistisk å ha et bærekraftig energisystem på flyplassen ved å inkludere energilagring. Dette er et viktig steg i utviklingen mot utslippsfri luftfart.

Aviation is crucial in both short- and long-distance mobility in the world today and provides important social benefits. An ongoing electrification and commercialization of aircrafts aims to reduce the large negative climate impacts. The electrification causes a large increase in power demand and challenges in grid capacity world wide. Green Flyway is a unique Nordic partnership between Norway and Sweden, and works as a test arena for electric aircrafts with a focus on developing sustainable infrastructure and promoting research. It is expected that the first commercial all-electric airplane, ES-19, will depart from the airport by 2026.

This bachelor thesis addresses the implementation of charging stations for electric airplanes in existing airport infrastructure while maintaining security of supply. The main objective is securing a sustainable energy- and charging system at Åre Östersund airport. The energy system was simulated in MATLAB and PSS DE Siemens over a 20 year timeline. The simulation analyses three steps in the commercialization of the electrical aviation field. The first step is a test arena with small electric planes. Then electric planes as part of the public transport system as shuttle traffic. Lastly shuttle traffic in combination with the thought largest electric planes with longer range.

Results from MATLAB and PSS DE Siemens provides similar findings. Highest loads are higher than assumed available power from grid, making energy storage essential. An implementation of BESS deliverers the safety needed to ensure security of supply. BESS capacity needed is highly dependent on grid subscription, and decreases with an increased grid. Implementation of PV is a source of self sufficiency and covers 4.8 % of the energy consumption over project timeline. PV contributes to reducing electricity costs, as well as providing income when sold to the grid, but is otherwise not necessary for a functioning energy system. Due to safety considerations at the airport, a simulation without PV was also executed.

Load increases were studied to ensure a flexible energy system without blackouts. Highest load increase without blackouts was 24 % in step 3. Energy storage batteries had a high state of health throughout the simulation. This ensures a long lifetime, also past simulation timeline. As the local grid is upgraded, the amount of energy storage can be reduced. The profitability of the project is highly dependant of income from charging, as the net present value ranges from positive to negative based on income assumptions. Financial support from government and sponsors is not included in the economic evaluations, but can decrease the dependency on income.

Further work should be performed to address the limitations set in this thesis. The research and development in this field has recently gained momentum and is continuously changing and improving. New technologies might change the premises this thesis is based on.

With the current grid capacity, Åre Östersund airport is not prepared for the duties of a test arena with the increase in power demand from commercial electric airplanes. However, with implementation of energy storage a sustainable energy system at Åre Östersund airport is fully realizable and an important step toward emission free aviation.