Forschungskolleg ACCESS!
Transformationspfade zu einer nachhaltigen Mobilität
Gefördert vom
Modulare Lufttransportsystembewertung für Urban Air Mobility
Title

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Ansgar Kirste, M.Sc. (RWTH)
Institut für Luft- und Raumfahrtsysteme

[english version below]

Motivation

Ausgehend von den aktuellen technischen Fortschritten elektrisch angetriebener Kleinflugzeuge entsteht ein Marktpotential für nachhaltigen Luftverkehr auf kurzen Distanzen. Dies umfasst sowohl Urban Air Mobility (UAM) als auch regionalen Passagiertransport und kann allgemein unter dem Begriff Advanced Air Mobility (AAM) zusammengefasst werden. Grundlage für dieses Marktpotential in Metropolregionen ist die Zeitersparnis, welche jedoch nur mit Luftverkehrsstandorten (Skyports) nahe bodengebundener Infrastruktur und effizientem Flottenbetrieb des Betreibers umgesetzt werden kann. Dies stellt entsprechend Anforderungen an das Gesamtsystem, einschließlich optimaler Vehikelkonzepte, strategischer Standort- und Netzwerkplanung, Lärmschutz, Preissetzung und auf Nutzerpräferenzen angepassten Betrieb.

Während verschiedene Vehikel und Marktpotentiale zunehmend wissenschaftlich analysiert wurden, so bedarf es der weiteren Analyse von UAM Betriebskonzepten und deren Optimierung hinsichtlich eines kosteneffizienten und nachhaltigen Gesamtmobilitätssystems. Dabei bedarf es besonders der gesamtheitlichen Analyse strategischer und operativer Entscheidungen aus Sicht eines Flottenbetreibers und der Gegenüberstellung zu gesellschaftlichem Nutzen und ökologischen Aspekten. In der bisherigen Literatur sind weiterhin Technologieentwicklung, regulatorische Maßnahmen und szenario-spezifische Faktoren unberücksichtigt. Die Modellierung und Analyse multidisziplinärer Perspektiven zur ganzheitliche Bewertung des Transformationspfads UAM ist folglich entscheidend.

Zielsetzung

Das Ziel der Arbeit ist die gesamtheitliche Modellierung und Analyse des UAM Systems unter Berücksichtigung der Zielsetzung sämtlicher Stakeholder. Entsprechend werden Betreiberperspektive, Umweltperspektive und Nutzerperspektive in Simulationen und Modellen so abgebildet, dass einerseits Bewertungen verschiedener UAM Entwicklungsszenarien ermöglicht werden und andererseits Rückschlüsse auf den Entwurf relevanter Kleinflugzeugkonzepte gegeben sind. Letzteres ist vor allem dadurch relevant, dass aktuell viele verschiedene Kleinflugzeugkonzepte (Multikopter, Kippflügel- und Kipprotorkonzepte, Lift+Cruise Konzepte oder Konzepte mit ummantelten Antrieben) entwickelt und getestet werden, allerdings eine Optimierung nur auf Vehikel-Level mit gegebenen Referenzflügen durchgeführt werden kann. Die Vehikeloptimierung soll durch die UAM Gesamtsystembewertung entscheidend vorangetrieben werden. Zusätzlich soll der Übertrag des Ansatzes zur Gesamtsystembewertung von AAM und konventionellen Lufttransportsystemen berücksichtigt werden.

Methodik

Zur Durchführung der Gesamtsystembewertung UAM wird ein modularer Ansatz entwickelt, bei dem das Lufttransportsystem entsprechend der Spezifikationen von UAM ausgestaltet wird (siehe Abbildung 1). Dies umfasst zuerst die Integration der Schnittstellen von Flugzeugentwurfsebene (Meso-Level) zur UAM Ebene (Makro-Level). Weiterhin wird auf UAM Ebene die Schnittstelle zu weiteren Verkehrsmitteln innerhalb eines Szenarios spezifiziert. Einen Schwerpunkt stellt hier die Modellierung von Nutzerpräferenzen dar. Als Schnittpunkt zur Ausrichtung des Forschungskollegs ACCESS! erfolgt dieser Schritt unter Berücksichtigung interdisziplinärer Arbeiten.

Im ersten Modul der Gesamtsystembewertung werden Nachfragedaten und Mobilitätsparameter der jeweiligen Verkehrsmittel auf Flottenlevel simuliert. Besonders relevant ist dabei die Modellierung von Batterie- und Energieverbrauchsparametern um einen realistischen UAM Flottenbetrieb abzubilden. Da umfangreiche agentenbasierte Transportsimulationen als Grundlage dienen und sehr rechenintensiv sind wird ebenfalls ein Ersatzmodell des UAM Flottenbetriebs auf Basis aktueller Machine Learning Ansätze hinzugefügt.

Die simulierten Flugdaten und Flottenmodelle werden schließlich im zweiten Modul mit weiteren Optimierungsmodellen ausgewertet. In diesem Postprocessing-Schritt können somit Preissetzungsstrategien, Gesamtkostenauswertungen und Nachhaltigkeitsaspekte analysiert werden. Die Gesamtbewertung umfasst somit eben die in der Forschungslücke hervorgehobenen Perspektiven (Flottenbetreiber, Kunden und Umwelt) und lässt sich multidimensional auf den Vehikelentwurf anwenden.

Der modulare Ansatz wird insbesondere in der zukünftigen Verwertungsperspektive relevant. Während die Hauptstudien auf die Metropolregion Rhein-Ruhr bezogen sind, so können weiterhin verschiedene andere europäische und weltweite UAM Szenarien analysiert werden. Dabei sind die Teilmodule im Postprocessing-Schritt mit verschiedenen optionalen Detailgraden versehen und können je nach Datenverfügbarkeit entsprechend eingesetzt werden. Neben der szenario-spezifischen Erweiterung ist ebenfalls eine systemspezifische Erweiterung hin zu AAM, konventionellen Passagierflugzeugen und Cargo-Drohnen möglich.

Vorläufige Ergebnisse

Die vorläufigen Ergebnisse beziehen sich zum aktuellen Forschungsstand auf die Bereiche Netzwerk und Flottenbetrieb, Kosteneffizienz, Nachhaltigkeit und Vehikelentwurf.

  • Netzwerk und Flottenbetrieb: Für die Metropolregion Rhein-Ruhr zeigt sich ein optimales Flugnetzwerk mit einer geringen (30) bis mittleren Anzahl (70) an Skyports abhängig von der jeweiligen Vehikelkonfiguration. Besonders relevant ist hierbei die Berücksichtigung von Lärmemissionen. Durch Modellierung der Lärmkosten mittels hedonic pricing kann ein kritischer Grenzwert für kosteneffizienten und umsetzbaren Flottenbetrieb von 75 dB in 100 m Abstand zu startenden Vehikeln berechnet werden. Dieser Grenzwert liegt unterhalb aktueller regulatorischer Rahmen und stellt somit einen kritischen Aspekt für zukünftige Entwicklungsszenarien in der Metropolregion dar (Kirste et al., 2022; Kirste et al., 2023a).
  • Kosteneffizienz: Für kosteneffizienten Flottenbetrieb bedarf es Durchschnittspreise von 1,20 – 1,70 € pro PAX-km. Durch Optimierung von Batteriegewicht, Reisefluggeschwindigkeit und Vehikelkonfiguration sind diese Preise zum aktuellen Forschungsstand als umsetzbar zu bewerten. Es bedarf jedoch eines automatisierten Flottenbetriebs um diese geringen Betriebskosten zu ermöglichen. Höhere Preise würden zu einer wesentlich reduzierten Nachfrage führen, was wiederum die Gesamtkosten pro PAX-km erhöhen würde (Kirste et al., 2023a; Kirste et al., 2023b).
  • Nachhaltigkeit: Während Lärm die Umsetzung des Flottenbetriebs im Gesamtnetzwerk entscheidend beeinflussen kann, so gilt dies ebenfalls für die Emissionen des Strommix, welcher bis zum Jahr 2050 auf Basis des aktuellen Entwicklungspfads modelliert wird. Die kontinuierliche Erhöhung des CO2 Preises könnte einer Umsetzung von UAM Flottenbetrieben zwischen den Jahren 2030 und 2040 entgegenstehen (Kirste et al., 2023a).
  • Vehikelentwurf: Die Analyse von verschiedenen Vehikelkonzepten zeigt, dass für die Metropolregion Rhein-Ruhr Multikopter Konfigurationen mit höheren Kosten einhergehen. Dies kann durch die Nachfrage des Referenzszenarios und der Infrastruktur konkurrierender Mobilitätsangebote begründet werden. Dennoch stehen Multikopter-Konfigurationen näher an einer Zulassung und sind für weitere Studien und insbesondere im Hinblick auf weitere Entwicklungen der Batterietechnologie relevant (Kirste et al., 2022; Babetto et al., 2023; Kirste et al., 2023a).

Eine weitere Ausarbeitung der Detailgrade der Teilmodule von Simulation und Postprocessing wird kontinuierlich in aktuellen und zukünftigen Arbeiten veröffentlicht.

Bisherige Veröffentlichungen

  • Kirste, A., and Stumpf, E. (2023b). Developments of Urban Air Mobility Analyses using Multi-Agent Transport Simulation. MATSim User Meeting 2023. https://ethz.ch/content/dam/ethz/special-interest/baug/ivt/ivt-dam/events/2023/09/05/presentations/Kirste_Stumpf_MUM_2023.pdf accessed 2023-12-10.
  • Kirste, A., Husemann, M., Stumpf, E. (2023a). Analysis of Sustainability Specifications of Urban Air Mobility Fleet Operations using Agent-based Transportation Simulation. In AIAA Aviation 2023 Forum. https://doi.org/10.2514/6.2023-3264.
  • Husemann, M., Kirste, A., and Stumpf, E. (2023). Analysis of Cost-Efficient Urban Air Mobility Sys-tems: Optimization of Operational and Configurational Fleet Decisions. In: European Journal of Operational Research. https://doi.org/10.1016/j.ejor.2023.04.040.
  • Lotz, V., Kirste, A., Lidynia, C., Stumpf, E., and Ziefle, M. (2023). User acceptance of urban air mobility (uam) for passenger transport: A choice-based conjoint study. In 2023 25th International Conference on Human-Computer Interaction. HCI International. https://doi.org/10.1007/978-3-031-35678-0_20.
  • Babetto, L., Kirste, A., Deng, J., Husemann, M., and Stumpf, E. (2023). Adoption of the Urban Air Mobility System: Analysis of technical, legal and social aspects from a European perspective. Journal of the Air Transport Research Society, Vol. 1, No. 1, pp. 152–174. https://doi.org/10.59521/C97BE694514DD2FE.
  • Kirste, A., Husemann, M., and Stumpf, E. (2022). Analysis and Evaluation of Urban Air Mobility Fleet Operations using Agent-based Transportation Simulation [Paper presentation]. Deutscher Luft- und Raumfahrtkongress 2022.

 

 

Modular Air Transportation System Evaluation for Urban Air Mobility

Motivation

Based on the current technical progress of electrically powered small aircraft, a market potential for sustainable air transportation over short distances is emerging. This includes both Urban Air Mobility (UAM) and regional passenger transport and can generally be summarized under the term Advanced Air Mobility (AAM). The basis for this market potential in metropolitan regions are mainly travel time savings, which can only be realized with so-called skyports close to ground-based infrastructure and efficient fleet operation by the operator. This creates corresponding challenges for the overall system, including optimal vehicle concepts, strategic location and network planning, noise reduction, pricing and operations adapted with regard to user preferences.

While various vehicles and market potentials have been analyzed academically, there is a need for further analysis of UAM operating concepts and their optimization regarding a cost-efficient and sustainable overall mobility system. In particular, this requires a holistic analysis of strategic and operational decisions from the perspective of a fleet operator and a comparison with social benefits and ecological aspects. In the literature to date, technology development, regulatory changes and scenario-specific factors have not been taken into account comprehensively. The modeling and analysis of multidisciplinary perspectives for a holistic assessment of the UAM transformation path is therefore critical.

Objective

The aim of the work is the holistic modeling and analysis of the UAM system, taking into account the objectives of all stakeholders. Accordingly, the operator perspective, environmental perspective and user perspective are mapped in simulations and models in such a way that, on the one hand, evaluations of different UAM development scenarios are made possible and, on the other hand, conclusions are drawn for the design of relevant small aircraft concepts. The latter is particularly relevant as many different small aircraft concepts (multicopters, tilt-wing and tilt-rotor concepts, lift and cruise concepts or concepts with ducted fans) are currently being developed and tested, but optimization can only be carried out at vehicle level with given reference flight missions. Vehicle optimization is to be decisively advanced by the UAM overall system evaluation. In addition, the transfer of the approach to the overall system evaluation of AAM and conventional air transportation systems is to be taken into account.

Methodology

A modular approach is being developed to carry out the overall UAM system evaluation, in which the air transportation system is designed in accordance with the UAM specifications (see Figure 1). This first includes the integration of the interfaces from the aircraft design level (meso level) to the UAM level (macro level). Furthermore, the interface to other modes of transportation within a scenario is specified at UAM level. One focus here is the modeling of user preferences. As an overlap with the focus of the ACCESS! Research College, interdisciplinary work is considered.

In the first module of the overall system evaluation, demand data and mobility parameters of the respective modes of transportation are simulated at fleet level. Particularly relevant here is the modeling of battery and energy consumption parameters in order to depict realistic UAM fleet operation. Since extensive agent-based transport simulations are a basis with high computational resources, a substitute model of UAM fleet operation based on current machine learning approaches is also added.

The simulated flight data and fleet models are finally evaluated in the second module with further optimization models. In this post-processing step, pricing strategies, total cost evaluations and sustainability aspects can be analyzed. The overall evaluation thus includes the perspectives highlighted in the research gap (fleet operators, customers and the environment) and can be applied multidimensionally to the vehicle design.

The modular approach is particularly relevant in the future utilization perspective. While the main studies are based on the metropolitan region Rhine-Ruhr, various other European and global UAM scenarios can also be analyzed. The sub-modules are provided with various optional levels of detail in the post-processing step and can be used accordingly depending on data availability. In addition to the scenario-specific extension, a system-specific extension to AAM, conventional passenger aircraft and cargo drones is also possible.

Preliminary results

The preliminary results relate to the current state of research in the areas of network and fleet operation, cost efficiency, sustainability and vehicle design.

  • Network and fleet operation: For the metropolitan region Rhine-Ruhr, an optimal flight network with a low (30) to medium (70) number of skyports is shown, depending on the respective vehicle configuration. The consideration of noise emissions is particularly relevant here. By modeling the noise costs using hedonic pricing, a critical limit value for cost-efficient and feasible fleet operation of 75 dB at a distance of 100 m from vehicles taking-off can be calculated. This limit value is below current regulatory frameworks and thus represents a critical aspect for future development scenarios in the metropolitan region (Kirste et al., 2022; Kirste et al., 2023a).
  • Cost-efficiency: Cost-efficient fleet operation requires average prices of €1.20 - €1.70 per PAX-km. By optimizing battery weight, cruising speed and vehicle configuration, these prices can be considered feasible at the current state of research. However, automated fleet operation is required to enable these low operating costs. Higher prices would lead to a significant reduction in demand, which in turn would increase the total cost per PAX-km (Kirste et al., 2023a; Kirste et al., 2023b).
  • Sustainability: While noise emissions can significantly influence the implementation of fleet operations in the overall network, this also goes for the emissions of the electricity mix, which is modeled until 2050 based on the current roadmap. The continuous increase in the CO2 price could prevent the implementation of UAM fleet operations between 2030 and 2040 (Kirste et al., 2023a).
  • Vehicle design: The analysis of different vehicle concepts shows that multicopter configurations are linked to higher costs for the metropolitan region Rhine-Ruhr. This can be explained by the demand characteristics within the reference scenario and the infrastructure of competing modes of transportation. Nevertheless, multicopter configurations are closer to certification and are relevant for further studies, especially with regard to further developments in battery technology (Kirste et al., 2022; Babetto et al., 2023; Kirste et al., 2023a).

Further elaboration of the level of detail of the simulation and post-processing sub-modules will be continuously published in current and future work.

Publications to date

  • Kirste, A., and Stumpf, E. (2023b). Developments of Urban Air Mobility Analyses using Multi-Agent Transport Simulation. MATSim User Meeting 2023. https://ethz.ch/content/dam/ethz/special-interest/baug/ivt/ivt-dam/events/2023/09/05/presentations/Kirste_Stumpf_MUM_2023.pdf accessed 2023-12-10.
  • Kirste, A., Husemann, M., Stumpf, E. (2023a). Analysis of Sustainability Specifications of Urban Air Mobility Fleet Operations using Agent-based Transportation Simulation. In AIAA Aviation 2023 Forum. https://doi.org/10.2514/6.2023-3264.
  • Husemann, M., Kirste, A., and Stumpf, E. (2023). Analysis of Cost-Efficient Urban Air Mobility Systems: Optimization of Operational and Configurational Fleet Decisions. In: European Journal of Operational Research. https://doi.org/10.1016/j.ejor.2023.04.040.
  • Lotz, V., Kirste, A., Lidynia, C., Stumpf, E., and Ziefle, M. (2023). User acceptance of urban air mobility (uam) for passenger transport: A choice-based conjoint study. In 2023 25th International Conference on Human-Computer Interaction. HCI International. https://doi.org/10.1007/978-3-031-35678-0_20.
  • Babetto, L., Kirste, A., Deng, J., Husemann, M., and Stumpf, E. (2023). Adoption of the Urban Air Mobility System: Analysis of technical, legal and social aspects from a European perspective. Journal of the Air Transport Research Society, Vol. 1, No. 1, pp. 152–174. https://doi.org/10.59521/C97BE694514DD2FE.
  • Kirste, A., Husemann, M., and Stumpf, E. (2022). Analysis and Evaluation of Urban Air Mobility Fleet Operations using Agent-based Transportation Simulation [Paper presentation]. Deutscher Luft- und Raumfahrtkongress 2022.