Impact of hybrid-electric aircraft operations

While aircraft manufacturers have achieved the required capabilities to design and build electric aircraft, little attention has been addressed to date to the impact that the adoption of these new aircraft types will have on airport operations. Compared to the automotive case, it seems that aviation is lagging in this regard. This work investigates the airport infrastructural needs in support of a hybrid- electric fleet. In particular, attention is focused on the battery-charging related requirements. The recharging facility sizing problem concerns the identification of the number and type of charging points and their related electrical consumption in terms of energy and power, as well as the number of spare batteries needed to guarantee smooth operations. Two alternative charging strategies were identified and compared: plug-in recharge and battery swapping. In the first case, aircraft are connected to the grid directly from the apron; in the second case, depleted batteries are exchanged with fully-charged ones provided by a dedicated facility. The sizing is driven by the fleet flight schedule and by the technological properties of aircraft, batteries and chargers. The aim is to design an infrastructure that can satisfy the charging requests, minimizing the investment and operational costs of the recharging facility through an optimization. The developed algorithm includes the selection of the charging strategy that best suits the case under analysis, which is strongly affected by battery capacity and charging power. For the battery swapping strategy, the optimizer finds the battery charging schedule, the number of spare batteries, and the minimum number of aircraft needed for the planned missions. This method was applied on the “Aero Club Milano” fleet, consisting in 20 general aviation aircraft based in Bresso city airport (Milano, Italy), and to the Athens airport. To perform the sizing, the actual movements occurred during 2017 have been considered. The results were used to carry out a cost analysis. The fleet renewal with hybrid-electric aircraft was compared with the purchase of new conventional aircraft. This forecast shows initial higher costs due to infrastructural enhancement expenses and higher aircraft costs, compensated in the long term by lower fuel consumption. Furthermore, the environmental benefits of such a hybrid fleet at airport level were estimated, under the hypothesis of pure-electric propulsion for take-off and landing.

Sebbene i costruttori di aerei hanno acquisito le capacità necessarie a progettare e costruire aerei elettrici, a oggi è stata posta scarsa attenzione all’impatto che l’adozione di suddetti nuovi aerei avrà sulle operazioni aeroportuali. Confrontata col settore automobilistico, sembra che l’aviazione sia in ritardo riguardo a ciò. Questo tesi studia le necessità infrastrutturali di un aeroporto in supporto a una flotta ibrido-elettrica. In particolare, si focalizza sulla carica delle batterie e i requisiti a essa legati. Dimensionare il servizio di ricarica delle batterie significa identificare il numero e il tipo dei punti di ricarica e il loro consumo elettrico in termini di energia e potenza, così come il numero di batterie richieste per garantire regolarmente le operazioni. Sono identificate due strategie di ricarica: ricarica plug-in, nella quale l’aereo è collegato alla rete elettrica direttamente dal piazzale, e swap (scambio) di batterie, dove le batterie esaurite vengono scambiate con altre cariche fornite da una struttura dedicata. Il dimensionamento è governato dal programma di utilizzo della flotta e dalle proprietà tecnologiche di aerei, batterie e caricatori. Lo scopo è quello di progettare un’infrastruttura che soddisfi le richieste di ricarica, minimizzando l’investimento e i costi operativi del servizio di ricarica attraverso un’ottimizzazione. L’algoritmo sviluppato comprende la selezione della strategia di ricarica che meglio soddisfa il caso in esame, fortemente dipendente dalla capacità delle batterie e dalla potenza di carica. Per la strategia swap, l’ottimizzatore fornisce il programma di ricarica, il numero di batterie di scorta e il numero di aerei necessari per le missioni pianificate. Questo metodo è stato applicato alla flotta dell’Aero Club Milano, composta da 20 aerei di aviazione generale, basata all’aeroporto di Bresso (Milano), e all’aeroporto di Atene. Per eseguire il dimensionamento, sono stati considerati i movimenti avvenuti nel 2017. I risultati ottenuti sono stati utilizzati per realizzare un’analisi dei costi. Il rinnovo della flotta mediante aerei ibridi-elettrici è stato confrontato con l’acquisto di aerei convenzionali. La previsione mostra costi iniziali maggiori, dovuti alle spese infrastrutturali e al maggior costo dei velivoli, compensati nel lungo periodo da un minor consumo di carburante. Inoltre, sono stati stimati i benefici ambientali a livello aeroportuale di una tale flotta ibrido-elettrica, sotto l’ipotesi di propulsione puramente elettrica per decollo e atterraggio.