Lähtökiihdytys käynnissä

Finavian toimitusjohtaja Kimmo Mäki. Kuva: Suvi Elo
Finavian toimitusjohtaja Kimmo Mäki.

Sähköinen lentäminen voi vähentää lyhyiden lentojen ilmastovaikutuksia. Edetäkseen hurjasta hypestä osaksi liikennejärjestelmää sen on ensin läpäistävä useita seuloja.

Kuuntele artikkeli

Mikäli lentämisen suosio jatkuu ennustetun kaltaisena, sen osuus maailman hiilidioksidipäästöistä voi nousta yli viidennekseen tulevien vuosikymmenten aikana. Nykyisin lentämisen aiheuttamien kasvihuonekaasupäästöjen osuus on pari prosenttia, ja noin 40 prosenttia lentomatkustamisen päästöistä aiheutuu alle kolmen tunnin lennoista.

Päästöjen vähentämiseksi lentoala etsii uusia, tehokkaita ja vähäpäästöisiä ratkaisuja korvaamaan fossiilipohjaisia polttoaineita.

Liikenteen ja viestinnän lupa-, rekisteri- ja valvontaviranomainen Traficom julkaisi kesäkuussa Destia oy:n tekemän 2022 Sähköinen lentäminen Suomessa -selvityksen. Sen mukaan sähköiset lentokoneet ovat jaettavissa kolmeen eri tyyppiin niiden energiaratkaisujen mukaan: akkusähköön perustuviin, polttokennosähköön perustuviin ja hybrideihin. Sähkön varastointiin voidaan käyttää joko akkuja tai vetyä.

SÄHKÖMOOTTORIN SUURIN etu potkuriturbiini- ja suihkumoottoreihin verrattuna on sen korkea hyötysuhde. Sähkömoottori pystyy siirtämään noin 90 prosenttia potentiaalisesta energiasta voimansiirron akselille. Sen sijaan potkuriturbiini- ja suihkumoottoreissa valtaosa polttoaineen energiasta muuntuu hukkalämmöksi. On myös muistettava, että sähkömoottoreiden tehokkuus säilyy hyvänä riippumatta moottorin koosta tai lentokorkeudesta.  

Sähkölentokoneen energiakustannusten arvioidaan olevan 50–70 prosenttia ja huoltokustannusten jopa 90 prosenttia pienemmät kuin suihkumoottorikoneen vastaavat.

SÄHKÖLENTOKONEET VOIDAAN jakaa kahteen pääryhmään: kiinteäsiipisiin loivasti nouseviin ja laskeutuviin sekä pystysuoraan nouseviin ja laskeviin (eVTOL).   

Sähköiseen lentämiseen on jo olemassa tai suunnitteilla useita ilma-alustyyppiä. Pienimpiin kuuluvat alle viisipaikkaiset ilma-alukset, eVTOL-lentotaksit sekä myös tavaroiden kuljetuksiin soveltuvat pienet sähköiset helikopterit ja droonit.

Jo nyt tarjolla on ultrakevyitä sähkölentokoneita. Voimakkainta kehitys on eVTOL-koneissa, joiden liikennöintiin riittää helikopterikentän kokoinen alue.

Alueelliset lentokoneet ja liikelentokoneet ovat pääosin 9–19-paikkaisia kiinteäsiipisiä sähkölentokoneita, jotka sopivat pienille lentoasemille ja lyhyille kiitoteille.

Pitkille lentomatkoille suunnitellaan suuria vetyä hyödyntäviä lentokoneita.

Vaikka teknologia vielä rajoittaa sähköisen lentämisen kantamaa ja kapasiteettia, sitä kehitellään kuumeisesti ympäri maailmaa. Mukaan mahtuu huimaa hypetystä, hurjia houkutuksia ja monia mahdollisuuksia.

Moottorinvalmistaja Rolls-Royce ja tutkimusyritys Roland Berger arvioivat taannoin, että vuonna 2050 erilaisia sähkökoneita olisi käytössä peräti 160 000 kappaletta – siis jopa nelin- tai viisinkertaisesti kaikkien nykyisin liikennöivien koneiden määrä.

Alan yritykset lupailevat säännöllisiä sähkölentoreittejä jo 2020-luvun lopussa eri puolilla maailmaa. Laajempaan kaupalliseen liikennöintiin päästäneen 2030-luvulla. Norja tavoittelee vuoteen 2040 mennessä kaikkien maa sisäisten lentojen operoimista sähköisillä lentokoneilla.

”Edetäkseen ideasta osaksi liikennejärjestelmää sähköisen lentämisen on kuitenkin läpäistävä useita seuloja. Sellaisia ovat muun muassa teknologian kyvykkyys, lentoliikenteen tiukka turvallisuutta korostava säätely, markkinat ja taloudellinen kannattavuus”, muistuttaa Destian ryhmäpäällikkö Riku Huhta.

SUURIN ESTE siiville nousuun tänä päivänä on akkuteknologian kehittymättömyys. Suuren matkustajamäärän kuljettaminen isolla koneella vaatii niin suuren energiamäärän varastoimista akkuihin, että nykytekniikalla akuista tulisi liian raskaita ja tilaa vieviä.

”Akku ei kevene matkan aikana ja varsinaisen reittilennon lisäksi sen energiaa tarvitaan muun muassa rullausta, reittivaraa ja varalentopaikalle lentämistä varten. Sähkölentokoneenkin pitää pystyä lentämään vähintään 45 minuuttia varsinaisen lennon keston lisäksi”, Huhta selittää.

Monien arvioiden mukaan sähkölentokoneiden koot ja niiden kantama kasvavat 2030-luvulla. Silloin akkujen energiatiheyttä on saatu suurennettua ja polttokennoissa pystytään tuottamaan vedystä sähköenergiaa.

Pipistrel Alpha Electro on Suomen ensimmäinen sähkölentokone. Kuva: Suvi Elo
Pipistrel Alpha Electro on Suomen ensimmäinen sähkölentokone.

Vuoteen 2040 mennessä arvioidaan akkusähkön soveltuvan parhaiten alle 500 kilometrin ja polttokennosähkön alle 1 000 kilometrin matkoille.

Ratkottavaa riittää myös akkujen käyttöiässä. Kannattavuuden vuoksi sähköistenkin lentokoneiden tulisi olla ilmassa mahdollisimman paljon, mikä tarkoittaa runsaasti lentokilometrejä. Se puolestaan kuluttaa nykyisen kaltaisia kalliita akkuja turhan tiuhaan tahtiin.

”Vuoteen 2040 mennessä arvioidaan akkusähkön soveltuvan parhaiten alle 500 kilometrin ja polttokennosähkön alle 1 000 kilometrin matkoille.

Haasteeseen voi vastata niin sanottu solid state -akku, jonka lataussyklien määrä saattaa nousta jopa kymmenkertaisesti litiumakkuihin verrattuna. Litiumakkua kevyempi solid state -akku valmistetaan ilman kobolttia eikä se myöskään syty tai pala kuten litiumakku. 

Yksi keskeinen kysymys koskee akkujen ympäristövaikutuksia. Kuinka päästöttömästi akut ja niiden käyttämä sähkö on tuotettu?

VALTAOSA SÄHKÖLENTOKONEIDEN kehityshankkeista keskittyy ensivaiheessa kuljettamaan pienen määrän matkustajia esimerkiksi ruuhkaisen suurkaupungin keskustan yli.

Pohjoismaissa kiinnostus keskittyy ennen kaikkea seutuliikenteen ratkaisuihin. Sähkölentokoneilla saatettaisiin korvata nykyisiä lyhyitä reittilentoja sekä bussi- ja henkilöautoliikennettä ja niitä käytettäisiin myös pienien volyymien tavarakuljetuksissa.

Suomen olosuhteet tarjoavat sähköiselle lentämiselle hyvän lähtökohdan. Onhan pinta-alaltaan suuressa – mutta väestöltään pienessä – maassamme kaikkialla asutusta, elinkeinoelämää ja matkailua.

Sähköinen lentäminen Suomessa -selvityksen mukaan sähkölentokoneet ovat meillä kilpailukykyisiä jo 2030-luvulla sellaisilla yli 200 kilometrin matkoilla, joilla ei ole junaliikennettä ja joilla ylitetään suuren vesialueen kaltainen maantieteellinen este.

Destian Riku Huhta arvioi, että sähköinen lentäminen sopisi ensin esimerkiksi lennoille Maarianhaminaan, Viroon tai Merenkurkun yli Ruotsiin sekä Pohjois- ja Itä-Suomessa matkailukohteiden välille.

”Ylipäätään potentiaalia reittejä kannattaisi kartoittaa ja kalustoa pilotoida hyvissä ajoin. Mukaan kehitystyöhön tarvittaisiin myös hyvää suomalaista akku- ja latausinfraosaamista.” 

Myöhemmillä sähkökonemalleilla voisi parikymmentä matkustajaa lentää 400–500 kilometrin matkan. Tämä tarkoittaisi lentoja Helsinkiin Vaasa–Kuopio–Joensuu-linjan eteläpuolelta.

SUOMI VOI OLLA yksi ensimmäisistä maista, joissa sähköinen lentäminen yleistyy, uskoo yliopistonlehtori Stefan Baumeister Jyväskylän yliopistosta.

”Väkiluvuiltaan pienessä ja harvaan asutussa maassamme sähköisen lentokoneen rajattu kantokapasiteetti ei muodostuisi samanlaiseksi tulpaksi kuin vaikkapa Keski-Euroopassa”, hän sanoo.

”Nyt Suomessa monilla reiteillä liian isot koneet lennättävät liian harvoja matkustajia. Valtion tukema toiminta tulee turhan kalliiksi ja ympäristöä kuormittavaksi.”

Baumeister muistuttaa myös, että sähkölentokoneet pystyvät toimimaan huomattavasti lyhyemmiltä kiitoteiltä kuin nykyinen kalusto.

”Helsinki-Vantaan lentoasemalle liikennöivään verkostoon voitaisiin liittää lukuisia uusia pieniä lentokenttiä. Se avaisi uusia mahdollisuuksia sekä näivettyneeseen syöttö- ja poikittaisliikenteeseen että maakuntakaupunkien väliseen liikenteeseen.”  

Eri puolille maata hajaantuva lentoasemien ja -kenttien verkosto toimii hyvänä alustana sähköiselle ilmailulle. Suomessa on eri 20 Finavian ylläpitämää lentoasemaa, 4 kunnan, yhtiön tai säätiön omistamaa maakunnallista lentoasemaa sekä noin 60 pienlentokonekenttää.  

Finavia oyj:n johtaja Henri Hansson uskoo alkuvaiheen akkusähköratkaisujen keskittyvän kapasiteetiltaan pienehköihin lentokoneisiin ja harrasteilmailuun. Suuria matkustajakoneita varten kehitellään erilaisia hybriditoteutuksia ja kestävän polttoaineen hyödyntämistä.

”Näemme tulevaisuudessa hyvin monenlaista ilmailua. Sähköinen lentäminen edellyttää joka tapauksessa sähkölatauksen infrastruktuuria, myöhemmin mahdollisesti myös vedyn jakeluinfrastruktuuria.”

”Autoliikenteen tapaan lentoliikenteenkin sähköistymisessä keskeiseen roolin nousee sähköverkko, sillä se asettaa rajat käytössä olevalle latausteholle.”

Kannattavuuden vuoksi sähköisten lentokoneiden tulisi olla ilmassa mahdollisimman paljon. Se kuluttaa nykyisen kaltaisia kalliita akkuja turhan tiuhaan tahtiin.

OPERATIIVISEN TOIMINNAN tavoitteet määrittelevät sähkölentokoneiden lataustehotarpeet. Hidasteholatausta voitaisiin hyödyntää yöaikaan, kun sähkö on halpaa ja koneet ovat maassa. Mitä lyhyempää lentokoneen kääntöaika lentoasemalla tavoitellaan, sitä nopeampaa latausta tarvitaan. Vähiten latausta koskevia rajoitteita on sähköisessä lentotaksiliikenteessä.

Hanssonin mukaan Finavian lentoasemien sähköinfrastruktuuri ei ole pullonkaula kehittymiselle.

”Nyrkkisääntönä voidaan pitää, että isommilla lentoasemilla isot sähkölentokoneet tarvitsisivat useiden megawattien lataustehoa, pienemmille lentoasemille ja koneille riittää puolen megawatin latausteho.”  

Sähkölatauksen toteuttamisessa voitaisiin hyödyntää Finavian lentoasemien nykyistä infraa. Esimerkiksi sähkökaivot olisi mahdollista muokata siten, että niihin saataisiin asennettua sähkölatauspiste maavirran lisäksi.

Hansson kuitenkin arvioi, että lentoasemille tulevaisuudessa rakennetaan niin latauskenttiä kuin kiinteitä ja siirrettäviä sähkövarastoja. Niiden tarpeeseen vaikuttaa suuresti se, kuinka monta konetta pitäisi pystyä lataamaan samanaikaisesti.

LENTÄMISEN SÄHKÖISTYMISEN arvellaan lisäävän lentoliikennettä, mikä puolestaan edellyttää sitä koskevien koulutusten ja säännösten läpikäyntiä.

Ylipäätään uusien tekniikoiden hyväksyminen ilmailussa käyttöön vaatii aina perusteelliset turvallisuusselvitykset. Ennen sähköisen lentoliikenteen yleistä lähtölupaa täytyy miettiä muun muassa lentämistä eri korkeuksilla ja korkeiden rakennusten ottamista huomioon suurkaupungeissa.  

Sähkölentokoneyhdistyksen puheenjohtaja Janne Vasama. Kuva: Suvi Elo
Helsingin sähkölentokoneyhdistyksen perustajajäsen Janne Vasama kertoo, että taivaalla kiinteäsiipisen sähkölentokoneen lentäminen ei paljon eroa perinteisestä polttomoottorilentokoneesta.

Toisaalta taas sähköisyys helpottaa lentäjien käytännön toimia lentoon lähtiessä.

”Moottoria ei tarvitse lämmittää eikä esimerkiksi sytytysvirtapiirejä testata eikä polttoaineseosta säätää. Kun neljä nappia on oikeassa asennossa ja tehovivusta kääntää, täysi vääntö on heti päällä”, kuvailee Janne Vasama, joka on yksi Helsingin sähkölentokoneyhdistyksen perustajajäsenistä.

”Taivaalla kiinteäsiipisen sähkölentokoneen lentäminen ei silti paljon eroa perinteisestä polttomoottorilentokoneesta.”

Tavallisen lentokoneen moottoreita täytyy sekä huoltaa että tankata usein. Sähkölentokoneen moottori sen sijaan lähtökohtaisesti kestää koneen koko eliniän – ja hyödyntää edullista sähköenergiaa.

Sähkölentokoneet soveltuvatkin tulevaisuudessa erinomaisesti esimerkiksi koulutuskäyttöön.

”Yhden norjalaisen lentokoulun laskelmissa sähkölentokoneen lentotunti maksaa noin 20 euroa, mikä sisältää myös varauksen akun vaihtamista varten. Perinteisellä koulutuskalustolla lentotunnin hinta nousee 130–150 euroon”, Vasama kertoo.

”Sähkölentokoneet soveltuvat tulevaisuudessa erinomaisesti esimerkiksi koulutuskäyttöön.

Vasama muistuttaa myös turbiini- ja sähkömoottoreiden hintaeroista jo valmistusvaiheessa.

”Ruotsalaisen Heart Aerospacen mukaan heille suunniteltu lentokoneen sähkömoottori maksaa runsaat 25 000 euroa ja sen huolto vuosittain noin 1000 euroa. Tavallinen turbiinimoottori maksaa noin 300 000 euroa, mihin pitää vielä lisätä 150 000 euron vuotuiset huoltokustannukset.”


Lentämisen uudet käyttövoimat ja energiaratkaisut

Akkusähkö:
Sähköakkua ladataan suoraan sähköverkosta tai vaikka lentokoneeseen asennettujen aurinkopaneelien avulla. Akkuun varastoidun energian avulla pyöritetään sähkömoottoria. Ei päästöjä lennon aikana.

Rinnakkaishybridi:
Sähkömoottori ja polttomoottori voivat joko yhdessä tai erikseen pyörittää potkureita.

Sarjahybridi:
Yksi tai useampi sähkömoottori pyörittää potkureita. Sähkömoottori saavat energiansa akuista tai polttokennoista ja turbiinimoottoriin kytketystä generaattorista.

Vety:
Vetykäyttöinen lentokone hyödyntää nestemäistä vetyä joko polttokennossa tai -moottorissa. Vety valmistetaan elektrolyysillä sähkön ja veden avulla. Polttokennossa vety reagoi hapen kanssa tuottaen sähköä ja vettä. Sähköllä ladataan pienikapasiteettista akkua, joka pyörittää sähkömoottoria.

Vetyä voidaan myös hyödyntää suoraan polttomoottorissa, jolloin palamistuotteena syntyy vain vesihöyryä. Tällöin kyse ei kuitenkaan ole sähköisestä lentämisestä.

Sähkölentopolttoaineet:
Sähköpolttoaineet valmistetaan sähkön, veden ja hiilidioksidin avulla.

Vety valmistetaan prosessissa elektrolyysin avulla. Vety yhdistetään esimerkiksi sellu- tai sementtitehtaan tuotannosta syntyvään hiilidioksidiin, lopputuotteena saadaan nestemäisessä muodossa olevaa hiilivetyä.

Sähköpolttoaineet voivat soveltua lentopetroliin sekoitettuna nykyisiin potkuriturbiini- ja suihkumoottoreihin.

Kestävät biopohjaiset lentopolttoaineet:
Valmistetaan erilaisin menetelmin biopohjaisista raaka-aineista.

Lähde: Traficomin tutkimuksia ja selvityksiä 16/2022


eVTOL-kehityshankkeet etenevät

Erityisesti 4–5 henkilöä kuljettavien eVTOL-koneiden kehitystyö on pitkällä.  

Esimerkiksi Volkswagen on Kiinassa kehittänyt Lentävä tiikeri -nimisen sähkölentokoneen. Koneessa on kymmenen potkuria, joista jokaista pyörittää oma sähkömoottori. Kahdeksan moottoria nostaa konetta pystysuoraan, loput kuljettavat eteenpäin.

Hyundai puolestaan on kehitellyt neljän roottorin droonia. Valmistajan vision mukaan se hyödyntäisi tulevaisuudessa tekoälyverkostoa ja olisi aikanaan myös itseohjautuva.

Yhdysvalloissa useat tahot suunnittelevat eVTOL-koneiden käyttöä suurkaupunkien lentoasemien syöttöliikenteessä.


Pyhtäälle digitaalista lentokenttätoimintaa

”Väkiluvuiltaan pienessä ja harvaan asutussa Suomessa sähköisen lentokoneen rajattu kantokapasiteetti ei muodostu samanlaiseksi tulpaksi kuin vaikkapa Keski-Euroopassa”, arvioi yliopistonlehtori Stefan Baumeister Jyväskylän yliopistosta. Kuva: Maria Heinola.

Vaikka monet pienemmistä lentoasemista ja -kentistä ovat nykyään varsin vähän liikennöityjä, sähkölentokoneet voisivat aktivoida niiden toimintaa.

Redstone AERO oy omistaa Pyhtäällä sijaitsevan Helsinki East Aerodromen, jonne kehitetään parhaillaan digitaalisen lentoaseman konseptia. Konsepti sisältää muun muassa etälennonjohdon, satelliittipohjaiset lähestymismenetelmät sekä etäohjautuvia kunnossapidon ratkaisuja.

Yh­teinen etä­lennon­joh­to­kes­kus­ mahdollistaisi pien­ten len­to­kent­tien au­ki­o­lon huo­mat­ta­vas­ti ny­kyis­tä jousta­vam­min. Etälennonjohdon hyödyntäminen voisi olla kustannustehokas ratkaisu myös kaikille avoimien taksilentojen operointiin muuten valvomattomilta lentopaikoilta.

Vesa Ville Mattila, teksti
Suvi Elo, kuvat


U-space tähtää autonomiseen ilmailuun

Drone_Jan-Lindberg_kuva_Mikko_Arvinen
Skydatan Jan Lindbergin mukaan kuvan drone osaa hakeutua automaattisesti alla olevalle latausalustalle akun tyhjentyessä. Kuva: Mikko Arvinen.

EU:n U-space -hanke tähtää miehittämättömien ilma-alusten lentoalueiden määrittämiseen ja itsenäisesti toimivien dronejen lennonvarmistusjärjestelmän kehittämiseen. Vielä toistaiseksi dronejen autonominen lennättäminen on Suomessa ehdottomasti kiellettyä, sillä tällä hetkellä käytettävissä olevan tekniikan ei katsota mahdollistavan dronejen sijainti- ja lentoreittitietojen niin luotettavaa jakamista, että yhteentörmäyksiltä voitaisiin varmasti välttyä.

Dronejen kanssa pian 15 vuoden ajan operoineen Skydata oy:n toimitusjohtaja Jan Lindbergin mukaan joko 2,4 tai 5,8 gigahertsin radiotaajuudella ohjattavien dronejen käyttösäde on tällä hetkellä reilut viisi kilometriä.

”Droneja voidaan ohjata myös matkapuhelinverkon kautta, jolloin päästään niin pitkälle kuin akkua riittää”, Lindberg kertoo.

Mikko Arvinen, teksti

Juttu ilmestyy Sähkömaailma Extran numerossa 3/2024.

Verkkokursseja voi suorittaa koska tahansa!