Digit world - в мире технологий

Digit World - В Мире Технологий
4 февраля 2021

Проблемы развития: почему аккумуляторы все еще не заменили керосин в авиаотрасли?

Последние 20 лет технологии аккумуляции электроэнергии развиваются очень медленными темпами. И это сильно тормозит развитие солнечной энергетики, инновационных транспортных средств и других инновационных отраслей, пишет издание Medium.

Для того, чтобы индустрия городских аэромобильных средств (прежде всего, аэротакси) смогла перейти на электрическую энергию, технологии создания батарей должны продвинуться далеко вперед. И почему же компании типа Tesla и Faraday Future все же смогли вывести свою продукцию на рынок, несмотря на бестолковость аккумуляторных технологий?

Текущее состояние развития аккумуляторных технологий

Чтобы понять, почему индустрия городских аэромобильных средств еще минимум 10 лет не сможет перейти на электрическое питание, следует проанализировать ситуацию с развитием аккумуляторных батарей. Ключевым показателем для любого аккумулятора является плотность энергии — то есть количество энергии, которую можно хранить в определенном объеме. Чем выше плотность, тем меньше размеры батареи, необходимой для хранения определенного объема энергии. Чтобы «оптимизировать» аккумуляторные технологии, плотность энергии должна быть максимально увеличена. Однако, в отличие от закона Мура (согласно которому производительность процессоров растет экспоненциально за определенный период времени), исследователям удается увеличить производительность аккумуляторов каждый год лишь на 3%.

Сегодня широко распространены 2 типа батарей — ионно-литиевые (Li-Ion) и щелочные (Alkaline). Хотя alkaline-технология используется при производстве практически всех бытовых батареек, плотность энергии в них намного ниже, чем у Li-Ion. В то же время щелочные батареи более безопасны в сравнении с литий-ионными, ведь последние имеют тенденцию взрываться при неправильной эксплуатации. Впрочем для большинства электрических транспортных средств нужны большие объемы энергии, поэтому практически все они используют литий-ионные батареи, хотя это и рискованно. И плотность энергии Li-Ion все еще слишком низкая; для летательных транспортных средств этот показатель должен быть гораздо выше, поскольку в них есть строгие ограничения по весу. Так как решить эту проблему?

Электрический транспорт: Tesla и другие
Компания Tesla (а со следующего года и Faraday Future) смогла вывести на рынок свои электрические транспортные средства, поскольку использовала литий-ионные аккумуляторы с плотностью энергии примерно 900 Вт-г/л или 250 Вт-ч/кг. В то же время, обычная щелочная батарея формата АА содержит около 4 Вт энергии, соответственно ее плотность энергии составляет 700 Вт-г/л. Хотя литий-ионные аккумуляторы и являются более эффективными по сравнению со щелочными батареями, количество энергии, необходимой для электрического транспортного средства, должно быть намного большим. Tesla Model S может похвастаться быстрым ускорением и мощностью, но сам автомобиль весит почти на 450 кг больше, чем аналогичный седан с двигателем внутреннего сгорания (в основном вследствие большого веса аккумуляторов).

Энергетическая плотность 900 Вт-ч/л является приемлемой для автомобиля, передвигающегося по дороге, поскольку лишний вес здесь не имеет критического значения. Однако электрическое транспортное средство во время полета очень критично к весу. Насколько необходимо увеличить плотность энергии батарей, чтобы они стали реальным источником энергии для электрокоптера? Ответ прост: вес аккумуляторов должно уменьшиться на 20% при идентичных показателях энергоэффективности. Для сравнения, первое аэротакси Volocopter весит 448 кг — это меньше, чем общий вес аккумуляторов Tesla. К счастью, для Volocopter (и других подобных вертолетов с электрическим приводом) нужно гораздо меньше энергии, чем 85 кВт-ч, но вес все равно является очень критичным показателем.

Прежде чем мы рассмотрим конечную цель применения энергии аккумулятора в городском авиационной промышленности, обратимся к другой индустрии, которая знакома многим: компактные беспилотники (квадро - и октакоптери).

Индустрия дронов
Рекреационный спорт — это фактически гибридная индустрия, что обеспечивает мост между авиационным и электрическим транспортом. Дроны оснащены определенным количеством бесконтактных электродвигателей, что крутят небольшие пропеллеры в каждом углу устройства; чаще всего для поддержания стабильности используются четыре пропеллеры. По своей массе они ненамного тяжелее, чем сами аккумуляторные батареи. Аэромобильный транспорт значительно больше и сложнее, но физический расчет энергии, необходимой для того, чтобы остаться в воздухе, является одинаковым в обоих случаях. Например, DJI Mavic Pro весит 734 г и может оставаться в воздухе в течение 31 минуты благодаря аккумулятору мощностью 46 Вт-ч, что является типичной характеристикой для небольшого дрона. Если вывести пропорцию массы и энергетической емкости, то получаем для дрона цифру 0,03. Это число само по себе мало что значит, но если умножить вес летательного аппарата на желаемое время, то можно получить приблизительную оценку общей необходимой энергии.

Важное примечание – использование разных размеров пропеллеров и технологий аккумулирования энергии дадут разное количество необходимой энергии; это просто упрощенный принципиальный подход.

Расчет для аэромобильных средств
Так какой запас энергии нужен транспортному средству, такому как Volocopter VC200, чтобы удержаться в воздухе в течение одного часа? Используя коэффициент 0,03 кг/Вт-г для решения задачи, получим цифру в 14 кВт-ч. Tesla Model S имеет мощность в 85 кВт-ч (в 6 раз больше, чем нужно для Volocopter), но масса батарей равна 450 кг. Таким образом, если одну шестую часть аккумуляторного блока Model S установить на аэромобильный транспортное средство, мы получим 90 кг, то есть около 20% от всей массы мультилет.

Аккумуляторный блок весом 90 кг — это не слишком много, но когда вы сравниваете запас энергии, хранящийся в 90 кг аккумуляторов (14 кВт/ч или 50,3 мегаджоулів) с запасом энергии, содержащий 90 кг авиационного керосина (4126 мегаджоулів), то сразу становится очевидным, что авиационный керосин доминировал столько лет в аэроиндустрии благодаря чрезвычайно высокому содержанию энергии.

Перспективы внедрения электроавиации
Но низкая плотность еще не означает, что аккумуляторные батареи не могут применяться в качестве источника энергии. К счастью, инновации в сфере самолетостроения привели к тому, что такая плотность энергии, как в авиационном керосине, не нужна; поэтому аккумуляторы все же можно успешно использовать для летательных аппаратов. К тому же они имеют нулевые выбросы вредных веществ, что является огромным преимуществом по сравнению с авиационным керосином. Магическая цифра 20%, упомянутая в начале статьи, является очень важной, поскольку в целом снижение веса аккумуляторной батареи на 20% позволит снизить массу аккумуляторного блока для Volocopter до 70 кг (или 16% от общей массы мультилет) и обеспечить возможности для установки дополнительных аккумуляторных блоков, места для багажа или аппаратуры для авионики. Поэтому уменьшение веса батарей на 20% при идентичном запасе энергии (к тому же сам размер батарей не обязательно должна уменьшаться на те же 20%) — является целью развития индустрии.

Насколько реально достичь такого уменьшения веса или увеличения плотности энергии? При нынешней скорости развития индустрии для этого нужно около 7 лет. Но когда увеличение плотности энергии в батареях достигнет 30% или 40%, или даже показателя, сравнимого с энергетической мощностью авиакеросина? Следующие 7 лет станут настоящим барометром прогресса. Впрочем точечные демонстрации аккумуляторных технологий среди специалистов, управляющих развитием сегмента городских аэромобильных транспортных средств, помогут повысить их осведомленность о преимуществах электрического воздушного транспорта. В конце концов, прогресс в развитии индустрии аккумуляторов способен превысить 3% в год только тогда, когда к этой тематике будет приковано внимание глобальной аудитории.