Über zukünftige Transportsysteme

Wie Sie wissen, gibt es heute vier Transportmittel: Personenkraftwagen, Eisenbahn, Flugzeug und Schiff. In Elon Musks Idee des Hyperloop-Systems könnte es ein mögliches fünftes Transportmittel geben. Elektrifizierung und Autonomie sind die beiden großen Revolutionen, die derzeit stattfinden. In diesem Artikel wird versucht zu erklären, warum in Zukunft alle Fortbewegungsmittel vollelektrisch sein werden. Außerdem wird versucht, Sie von der bevorstehenden Ankunft eines elektrischen Überschall-Langstreckenflugzeugs zu überzeugen.

Autos

Fast 90 Prozent aller im Jahr 2021 weltweit verkauften Neuwagen wurden mit fossilen Brennstoffen (Benzin, Diesel, komprimiertes Erdgas) betrieben (ca. 10 Prozent waren Elektroautos). Fossile Brennstoffe haben die Industrialisierung wirklich vorangetrieben und die Menschheit in ein neues Zeitalter des Wohlstands geführt. Hier ist eine Gedankenübung. Wenn Sie die Versorgung eines Landes mit Kohle, Benzin, Diesel und Gas auch nur für eine Woche unterbrechen, wird dieses Land zusammenbrechen. Dort, wo die Temperaturen unter Null liegen, wird es keine Heizung geben, das gesamte Transportsystem kommt zum Erliegen, sodass keine Nahrungsmittel und Medikamente in die Städte gelangen und es keinen Strom für Krankenhäuser gibt. Fossile Brennstoffe treiben derzeit unsere Welt absolut an und wir müssen sie auf absehbare Zeit weiterführen.

Was unsere Vorfahren vielleicht nicht bemerkten, war, dass wir Kohlenstoff, der sich Millionen von Jahren unter der Erde befand, herausholten und ihn innerhalb weniger Jahrzehnte in die Atmosphäre schleusten. Der Kohlenstoff in der Atmosphäre erzeugt einen Treibhauseffekt. Allein in den letzten 30 Jahren ist die globale Durchschnittstemperatur dadurch um etwa 2 Grad Celsius gestiegen.

Welttemperatur im Laufe der Jahre (Quelle: NASA GISS Oberflächentemperaturanalyse)

Die Fortsetzung dieses Weges wird schwerwiegende Folgen haben, beginnend mit der Überschwemmung aller Küstenstädte und Inseln aufgrund des Abschmelzens der Polkappen.

Aber was noch wichtiger ist: Fossile Brennstoffe sind eine endliche Ressource und das Spiel wird eines Tages enden. Die meisten von uns denken nie wirklich darüber nach.

Ein Grund dafür ist, dass es eine inhärente Subventionierung für Produkte aus fossilen Brennstoffen gibt. Wir zahlen nicht für die Kosten der Auswirkungen, die der Einsatz fossiler Brennstoffe auf die Umwelt hat. Mit anderen Worten: Es handelt sich um eine versteckte Subvention, die nicht berücksichtigt wird. Diese Subvention ist der Grund dafür, dass sich die Marktdynamik seit mehreren Jahrzehnten irrational verhält und die Elektrifizierung der Verkehrssysteme verzögert. Aus diesem Grund hat Elon Musk die Regierungen zu Recht aufgefordert, eine CO2-Steuer einzuführen. Produkte aus fossilen Brennstoffen werden stark subventioniert, und die Kosten der Subventionen werden von unseren künftigen Generationen getragen. Die Marktdynamik wird sich drastisch zugunsten von Elektrofahrzeugen ändern, wenn entweder die fossilen Brennstoffe zur Neige gehen und die Benzinpreise in die Höhe schießen, oder wenn es in den Küstenstädten zu Überschwemmungen kommt (je nachdem, was zuerst eintritt).

Wenn Sie den obigen Absatz verstehen, werden Sie verstehen, welchen Einfluss Tesla Motors auf die Welt hatte. Ohne Tesla wären andere globale Automobilunternehmen möglicherweise nicht diesem Beispiel gefolgt, und die Elektrifizierung von Autos hätte mindestens zehn oder zwanzig Jahre später begonnen, entweder durch schnell steigende Kraftstoffpreise oder durch einen drastischen Klimawandel, je nachdem, was zuerst eintritt.

Tesla ist nun auf dem Weg, sein Missionsziel zu erreichen, nämlich den weltweiten Übergang zu nachhaltiger Energie zu beschleunigen. Ein großer Teil des Grundes dafür ist Chinas Antwort auf den aufstrebenden Markt für Elektrofahrzeuge, den Tesla ins Leben gerufen hat. Im Jahr 2021 produzierte China mehr Elektrofahrzeuge als der Rest der Welt zusammen .

10 Jahre weltweiter Verkauf von Elektrofahrzeugen (Quelle: IEA, Argonne National Laboratory)

Die aktuelle Akzeptanzrate von Elektrofahrzeugen ist exponentiell. Das bedeutet, dass bis 2030 wahrscheinlich die Hälfte aller neu hergestellten Autos Elektroautos sein werden und dieser Anteil bis 2035 auf 80 % steigen könnte.

Es ist sehr wichtig zu verstehen, dass Elektrofahrzeuge die Zukunft gewesen wären, auch wenn es Tesla nicht gegeben hätte. Elektrofahrzeuge wären einfach als Antwort auf die sich schnell ändernde Marktdynamik irgendwann in unserer Zukunft entstanden (verursacht durch explodierende Benzinpreise oder drastische Klimaveränderungen). Was Tesla erreicht hat, ist die Beschleunigung dieses Übergangs um mindestens ein Jahrzehnt und es der Welt so ermöglicht, einen drastischen und sehr schmerzhaften Übergang zu vermeiden.

Eisenbahnen

Die Eisenbahnsysteme der meisten Länder sind bereits vollelektrisch. Die Elektrifizierung von Eisenbahnsystemen ist ein gelöstes Problem.

Schiffe

Frachtschiffe machen 90 Prozent des weltweiten Handelsvolumens aus. Sie machen 3 % der weltweiten Treibhausgasemissionen aus. Die Physik eines elektrischen Frachtschiffs legt nahe, dass dies derzeit nicht möglich ist, aber in naher Zukunft wird es möglich sein.

Französische Reederei CMA CGM

Physik.

Ein typisches Frachtschiff verwendet Schweröl. Schweröl enthält etwa 37 Megajoule (MJ)/Liter. Nehmen wir an, dass bei einem Wirkungsgrad des Verbrennungsmotors von ca. 50 % tatsächlich etwa ca. 20 MJ/Liter Energie aus dem Kraftstoff verbraucht werden. Ein High-End-Lithium-Ionen-Akku speichert 2 MJ/Liter (dieser Wert berücksichtigt die Batterien der nächsten Generation vom Start-up ONE .ai, ein typischer Tesla Model S-Akku hat weniger als die Hälfte dieses Wertes), und das bei laufendem Elektromotor Bei einem Wirkungsgrad von 97 bis 99 Prozent hat die Batterie pro Volumeneinheit immer noch etwa zehnmal weniger Energie als schweres Heizöl.

Als eines der größten Containerschiffe befördert die Benjamin Franklin auf ihrer Reise bis zu 17 Millionen Liter Heizöl. Bei einem Wirkungsgrad des Dieselmotors von ~50 % werden tatsächlich 8,5 Millionen Liter dieses Heizöls verbraucht. Für ein gleichwertiges elektrisches Frachtschiff würden wir (zehnmal mehr) 85 Millionen Liter Lithium-Ionen-Batterien benötigen, vorausgesetzt, es würden ~100 % effiziente Elektromotoren verwendet. Dies bedeutet, dass der gesamte Teil unter dem Hauptdeck (im Grunde das gesamte Schiff) nur aus Batterien bestehen muss und sonst nichts. Unterhalb des Hauptdecks gibt es keinen Platz für Fracht, sondern nur über dem Hauptdeck Platz für Fracht. Wir haben die Masse der Batterien noch nicht berücksichtigt, und das führt zu noch mehr verblüffenden Zahlen.

Wirtschaft.

Die Herstellung eines typischen TESLA-Akkus kostet etwa 130 US-Dollar pro kWh. Die 85 Millionen Liter Lithium-Ionen-Batterien, die das Frachtschiff benötigt, entsprechen 3,4 Millionen Kilowattstunden (KWhr) Batterieenergie, was dann etwa 450 Millionen US-Dollar an Batterieherstellungskosten entspricht. Und wenn man davon ausgeht, dass die Batterie aus den aktuellen Tesla-Batteriepaketen hergestellt wird, belaufen sich die Kosten auf etwas über 1 Milliarde US-Dollar (allein für Batterien).

Der Bau des Frachtschiffs kostet tatsächlich nur etwa 60 bis 100 Millionen US-Dollar. Sie sehen das Problem: Die Batterie kostet das Fünf- bis Zehnfache der Kosten für den Bau eines typischen Frachtschiffs.

Glücklicherweise hat sich die Energiedichte der Batterie jedes Jahr um durchschnittlich 5 bis 8 Prozent verbessert. Dies bedeutet, dass sich die Energiedichte der Batterie jedes Jahrzehnt verdoppelt . Noch wichtiger ist, dass die Kosten für Batterien exponentiell gesunken sind. Die im Jahr 2021 hergestellte Batterie kostet nur 17 % der Kosten, die für die Herstellung derselben Batterie im Jahr 2013 anfallen.

Batteriekosten im Laufe der Jahre (Quelle: BloombergNEF)

Dies lässt den Schluss zu, dass die Elektrifizierung von Containerschiffen zumindest bis zum Ende dieses Jahrzehnts beginnen wird.

Flugzeuge

Im Gegensatz zu Schiffen, bei denen es auf das Volumen ankommt, ist bei einem Flugzeug die Masse wichtig. Die für ein Flugzeug interessante Maßeinheit ist daher die Batterieenergiedichte pro Kilogramm.

Tesla-Akkus haben etwa 260 Wattstunden/Kilogramm. Wenn es in ein Flugzeug mit Elektromotorantrieb eingebaut wird, bitte ich Sie, ohne viel auf die Physik einzugehen, mir zu glauben, dass dies höchstens einen regionalen Lufttransport (Reichweite von 400 km) ermöglicht, beispielsweise von einem europäischen Land zu seinem Nachbarn. Es gibt ein schwedisches Start-up, das versucht, dies zu erreichen (https://heartaerospace.com/). Dies ist eine großartige Lösung für Kurzstrecken- und kostengünstige Transporte. Auch wenn das Elektroflugzeug des Start-ups langsam ist, dürfte es erfolgreich sein, da die Betriebskosten des Flugzeugs halbiert oder sogar noch höher ausfallen. Strom ist billig, Treibstoff für Flugzeugtriebwerke jedoch nicht. Außerdem sind Elektromotoren viel einfacher zu warten als Düsentriebwerke.

Die Dinge beginnen sehr interessant zu werden, wenn Batterien beginnen, 400–450 Wattstunden/kg zu erreichen, eine Zahl, die innerhalb der nächsten drei bis vier Jahre erreichbar sein wird. Bei diesem Wert besteht eine starke Möglichkeit für ein transkontinentales (z. B. von der Ostküste zur Westküste der USA) elektrisches Überschallflugzeug. Ein Überschallflugzeug bewegt sich mit einer Geschwindigkeit, die über der Schallgeschwindigkeit liegt. Die Concorde war das letzte kommerzielle Überschallflugzeug, das mit Mach 2,4 oder der 2,4-fachen Schallgeschwindigkeit flog. Ein typisches Boeing/Airbus-Flugzeug fliegt mit Mach 0,75–0,85. Die Concorde wurde später wegen steigender Verluste am Boden bleiben.

Ich werde im Folgenden versuchen, die Physik eines elektrischen Überschallflugzeugs zu erklären, aber der entscheidende Punkt ist dieser: Bei 400 Wattstunden/kg und einem Flugzeug mit Batterien, die etwa 70 Prozent des Gesamtgewichts des Flugzeugs ausmachen, ist ein transkontinentaler Flug (2000 km) möglich.

Das erste, was man verstehen muss, ist, dass die modernen Strahltriebwerke eine Energieeffizienz von etwa ~50 % erreichen.

Zeitlicher Trend des thermodynamischen Wirkungsgrads von Turbofan-Motoren für Verkehrsflugzeuge im Reiseflug. (Quelle: AH Epstein, 2014, Aeropropulsion for Commercial Aviation in the Twenty-First Century and Research Directions Needed, AIAA Journal 52(5):901–911, doi:10.2514/1.J052713)

Im Gegensatz dazu erreicht ein moderner Elektromotor eine Energieeffizienz von 99 % oder mehr. Zweitens haben Elektromotoren im Vergleich zu modernen Düsentriebwerken ein beeindruckendes Leistungsgewicht (etwa drei- bis viermal höher). Drittens benötigt ein Strahltriebwerk Luftsauerstoff zur Verbrennung des Treibstoffs. Von Elektromotoren angetriebene Propeller benötigen keinen Sauerstoff. Daher gibt es für einen Elektromotor keine tatsächliche Höhenbegrenzung, wohingegen Flugzeuge mit Strahltriebwerk in einer bestimmten Höhe am besten fliegen und ihre Leistung schnell abnimmt, je höher man fliegt. Das bedeutet auch, dass ein Elektroflugzeug auf dem Planeten Mars arbeiten kann.

Ein weiterer wichtiger Punkt ist, dass die Luftdichte in der Atmosphäre exponentiell abnimmtmit Höhe. Nun ist der Luftwiderstand (Luftwiderstand) eines Flugzeugs direkt proportional zur Luftdichte. Dies bedeutet, dass viel weniger Energie erforderlich ist, um das Flugzeug in sehr großen Höhen durch die Luft zu bewegen, und in ausreichend großer Höhe kann das Flugzeug tatsächlich mit der richtigen aerodynamischen Form und mit sehr geringer Vortriebskraft Überschall fliegen. Der entscheidende Punkt ist, dass es in großen Höhen unglaublich schwierig ist, Düsentriebwerke zu betreiben, bei Elektromotoren besteht dieses Problem jedoch nicht. Verkehrsflugzeuge fliegen in einer Höhe von 35.000 Fuß. Die Concorde flog auf 60.000 Fuß mit 2 Mach, aber ineffizient. Meiner Meinung nach wird ein elektrisches Überschall-Verkehrsflugzeug zwischen 60.000 und 85.000 Fuß mit 2,5 Mach und extrem hoher Energieeffizienz fliegen.

Daher muss es sich bei dem Flugzeug um einen elektrischen Überschalljet mit vertikalem Start und Landung (VTOL) handeln. Das Flugzeug steigt zunächst vertikal wie eine Drohne auf eine extrem große Höhe von etwa 75.000 Fuß, wo es einen vernachlässigbaren Luftwiderstand gibt (fast wie Vakuum), und fliegt dann mit Überschallgeschwindigkeit unter Verwendung derselben Kombination aus elektrischen Propellermotoren (Schubvektorsteuerung).

Hier ist eine Schätzung der Reichweite, die mit einem solchen Flugzeug erreichbar ist. Der Einfachheit halber gehen wir davon aus, dass das Flugzeug das gleiche Gewicht wie die Concorde hat, nämlich 185 Tonnen. Wir gehen von einer Flughöhe von 75.000 Fuß aus. Die Fähigkeit zum vertikalen Starten und Landen wird vorausgesetzt. Die Reisegeschwindigkeit des Flugzeugs wird mit 2,5 Mach angenommen. Es wird davon ausgegangen, dass das Flugzeug zu 70 % aus Batterien besteht und ein extrem hoher Anteil an leichten Verbundwerkstoffen zum Einsatz kommt. Meine groben Energieberechnungen für ein solches elektrisches Überschallflugzeug (gravitative potentielle Energie plus Leistungsbedarf für Elektromotoren während der Reisephase) zeigen, dass es eine bescheidene Reichweite von 2000 bis 2500 km erreichen kann, eine Reise von der Ostküste zur Westküste der USA. Dies wird möglich sein, wenn die Batterieenergiedichte in den nächsten drei bis vier Jahren 400 Wattstunden pro kg erreicht. Danach,

Vielleicht ist es jetzt an der Zeit, mit der Arbeit an einem elektrischen Überschallflugzeug zu beginnen .

Nachhaltige Energieerzeugung

Nachhaltige Transportmittel sind nicht sinnvoll, wenn die Energie aus Kohlekraftwerken gewonnen wird. Bald wird dies nicht mehr der Fall sein. Die zukünftige Energieerzeugung wird hauptsächlich aus Solarenergie erfolgen, gefolgt von Windenergieressourcen. Ein kleiner Teil davon wird aus Gezeiten-, Wasserkraft-, Geothermie- und Kernenergieressourcen stammen.

Aber es wird hauptsächlich Solarenergie sein. Hier ist der Grund dafür: Die Sonne strahlt ständig riesige Energiemengen auf unseren Planeten, und wir nutzen sie kaum. In Zahlen ausgedrückt beträgt die Sonnenenergie, die die Erde erreicht, etwa 1 Gigawatt pro Quadratkilometer. Bei einem aktuellen Solarpanel-Wirkungsgrad von etwa 20 Prozent beträgt die Nettoleistung etwa 20 MW pro Quadratkilometer.

Das ist gewaltig. Wenn es uns gelingt, die Batterieproduktion zu steigern, könnten wir die ganze Welt mit Strom versorgen, indem wir nur einen winzigen Teil der Sahara mit Sonnenkollektoren ausstatten. Ich möchte nicht vorschlagen, dass wir das tun, aber es zeigt Ihnen, wie viel Sonnenenergie von der Sonne auf die Erde gelangt. Allein das größte rote Quadrat im Bild unten (Karte von Afrika) reicht aus, um die ganze Welt mit Strom zu versorgen, wenn es vollständig mit Sonnenkollektoren gefüllt ist. Wir haben genug Sonnenenergie, um die Welt zehnmal mit Strom zu versorgen. Zweitens ist diese Energie grundsätzlich kostenlos. Drittens wird die Sonne mindestens eine ganze Milliarde Jahre hier sein. Ich bin mir nicht sicher, wie lange fossile Brennstoffe noch halten werden, vielleicht ein Jahrzehnt, vielleicht ein Jahrhundert.

Erforderliche Fläche, um die WELT mit Strom zu versorgen (Quelle: World of Engineering)

Wann wir eine nachhaltige Energieerzeugung erreichen, wird von der Geschwindigkeit der Batterieproduktion abhängen. Die Einschränkung besteht derzeit tatsächlich darin, dass wir die Batterieproduktion noch nicht ausgeweitet haben. Aber es wird passieren.

Ich habe keinerlei Zweifel daran, dass alle zukünftigen Transportsysteme elektrisch sein werden (mit Ausnahme von Raketen) und mit erneuerbaren Ressourcen (hauptsächlich Solarenergie) betrieben werden. Die wichtige Frage ist, wie wir schneller dorthin gelangen können, und es lohnt sich, hart für eine Zukunft zu arbeiten, in der wir dieses Ziel eher früher als später erreichen können.