Powertrain Sizing of an All-Electric Commuter Aircraft for the Norwegian Short-Haul Network

Abstract

Mens utslippene knyttet til luftfart øker, er overgangen fra fossilt drivstoff til mer bærekraftige energikilder nødvendig. Denne overgangen inkluderer innfasing av elektriske fremdriftssystemer, og flere selskap har lansert planene for helelektriske batteridrevne fly. En utfordring er den lave spesifikke energien i batterier og den høye vektøkningen forbundet med det elektriske fremdriftssystemet. Vektutfordringene fører til at elektrifiseringen vil begynne på kortdistanseflygninger, og det norske kortbanenettet er pekt ut som et av de mest lovende markedene. Hovedmålet med denne oppgaven er å teste muligheten for elektriske flyvninger på det norske kortbanenettet og identifisere hovedutfordringene for en storstilt elektrifisering av flynæringen.

Oppgaven gjennomfører en omfattende analyse av norske kortdistanseflygninger. Blant annet, inkluderer den en detaljert flyprofil for 1500 gjennomførte flygninger. Denne dataen er prosessert for å frembringe en standardprofil for flyets fremdriftskraft med hensyn på tid. Resultatene er brukt i en vektestimeringsalgoritme med de beste elektriske komponentene for luftfart. Et 9- og 19-passasjerers fly har blitt brukt som referanse for algoritmen og en rekke scenarier, med ulike tekniske og lovmessige utfordringer, har blitt testet.

Scenariene viser at vekt er en stor utfordring for elektrifiseringen. Vektøkningen ved det elektriske fremdriftssystemet fører til at den maksimale vekten på flyene overgår den de er designet for. Denne vektøkningen forverres betydelig når regler for redundans og energireserver legges til. Det fører til at utsikten for implementasjon av elektriske fly er usikker, spesielt grunnet den høye vekten assosiert med batteriet.

Avslutningsvis understreker scenariene påvirkningen små endringer har på den totale vekten av flyet. Dette er blant annet vist ved å inkludere et gir mellom motor og propell. Dette gir en stor vektreduksjon av motoren, og fører også til at flyets vekt minsker. Scenariene viser også at høye spenninger vil føre til lavere vekt på grunn av en signifikant reduksjon i størrelsen på kablene om bord. Nødvendigheten av å inkludere batteritap er vist ved at det øker størrelsen og dermed effektkravene for kjølesystemet.

As the emissions caused by the aviation sector are growing, the need to transition from fossil fuels to more sustainable energy sources is vital. This transition includes the implementation of electric drivetrains, and multiple companies have announced the launch of all-electric battery-driven aircraft. However, the specific energy of batteries is low, and the weight attributed to the electric propulsion system is high. The weight issue will initially enable short-distance aviation, and the Norwegian short-haul network is identified as one of the most promising markets. The main goal of this thesis is to test the viability of electric flight on the Norwegian short-haul network and identify the main obstacles to scaling up the electrification of aviation.

This thesis conducts a comprehensive analysis of the Norwegian commuter network. It includes detailed-level mission profile data of 1500 real-world flights. These data are further processed to obtain an overall standard profile for the propulsion power with respect to time.

The results are incorporated into a weight-sizing algorithm using state-of-the-art (SotA) electrical components. Two handpicked cases, a 9- and 19-passenger aircraft, have been investigated further. A myriad of scenarios has been considered, including technological and regulatory constraints.

The scenarios show that weight is a significant challenge for aircraft electrification. Even for short routes, the weight addition of the electric powertrain surpasses the maximum takeoff weight (MTOW) for the selected aircraft. Moreover, redundancy and reserve energy requirements are the most pressing issues as they add significant weight gains. With these requirements attached, the prospects for electrification are bleak, mainly due to the high weight addition of the battery.

Finally, the scenarios underline the system-level aspects affecting the aircraft's weight. The propulsion system achieves significant weight savings by implementing an indirect geared drive due to weight reductions in the motor. Additionally, high-voltage distribution results in weight savings due to reduced cabling size. The necessity to consider battery losses is also shown as it increases the size of the thermal management system (TMS), which also lifts the power requirements for handling the losses.