Проблеми розвитку: чому акумулятори все ще не замінили керосин в авіагалузі?

Останні 20 років технології акумуляції електроенергії розвиваються дуже повільними темпами. І це сильно гальмує розвиток сонячної енергетики, інноваційних транспортних засобів та інших інноваційних галузей. Для того, щоб індустрія міських аеромобільних засобів (перш за все, аеротаксі) змогла перейти на електричну енергію, технології створення батарей мають просунутися далеко вперед. Та чому ж компанії типу Tesla і Faraday Future все ж змогли вивести свою продукцію на ринок, попри недолугість акумуляторних технологій?

Поточний стан розвитку акумуляторних технологій

Щоб зрозуміти, чому індустрія міських аеромобільних засобів ще мінімум 10 років не зможе перейти на електричне живлення, слід проаналізувати ситуацію з розвитком акумуляторних батарей. Ключовим показником для будь-якого акумулятора є щільність енергії — тобто кількість енергії, яку можна зберігати у певному об’ємі. Чим вище щільність, тим менше розміри батареї, необхідної для зберігання певного обсягу енергії. Щоб «оптимізувати» акумуляторні технології, щільність енергії повинна бути максимально збільшена. Проте, на відміну від закону Муру (згідно з яким продуктивність процесорів зростає експоненціально за певний період часу), дослідникам вдається збільшити продуктивність акумуляторів кожен рік лише на 3%.

Сьогодні широко  розповсюджені 2 типу батарей — іоно-літієві (Li-Ion) та лужні (Alkaline). Хоча alkaline-технологія  використовується при виробництві практично всіх побутових батарейок, щільність енергії в них набагато нижча, ніж у Li-Ion. В той же час лужні батареї більш безпечні у порівнянні з літій-іонними, адже останні мають тенденцію вибухати при неправильній експлуатації. Втім для більшості електричних транспортних засобів потрібні великі обсяги енергії, тому практично всі вони використовують літій-іонні батареї, хоча це й ризиковано. Та щільність енергії Li-Ion все ще занадто низька; для літальних транспортних засобів цей показник має бути набагато вищим, оскільки в них є суворі обмеження по вазі. То ж як розв’язати цю проблему?

Електричний транспорт: Tesla та інші

Компанія Tesla (а з наступного року і Faraday Future) змогла вивести на ринок свої електричні транспортні засоби, оскільки використала літій-іонні акумулятори з щільністю енергії приблизно 900 Вт-г/л або 250 Вт-г/кг. Водночас, звичайна лужна батарея формату АА містить близько 4 Вт енергії, відповідно її щільність енергії складає 700 Вт-г/л. Хоча літій-іонні акумулятори й є більше ефективними у порівнянні з лужними батареями, кількість енергії, необхідної для електричного транспортного засобу, має бути набагато більшою. Tesla Model S може похвалитися швидким прискоренням і потужністю, але ж сам автомобіль важить майже на 450 кг більше, ніж будь-який аналогічний седан з двигуном внутрішнього згоряння (в основному внаслідок великої ваги акумуляторів).

Енергетична щільність 900 Вт-г/л є прийнятною для автомобіля, що пересувається по дорозі, оскільки зайва вага тут не має  критичного значення. Проте електричний транспортний засіб під час польоту дуже критичний до ваги. Наскільки необхідно збільшити щільність енергії батарей, щоб вони стали реальним джерелом енергії для електрокоптера? Відповідь проста: вага акумуляторів має зменшитися на 20% при ідентичних показниках енергоефективності. Для порівняння, перше аеротаксі Volocopter важить 448 кг — це менше, ніж загальна вага акумуляторів Tesla. На щастя, для Volocopter (та інших подібних гелікоптерів з електричним приводом) потрібно набагато менше енергії, ніж 85 кВт-г, але вага все одно є дуже критичним показником.

Акумуляторний блок Tesla P90D важить більше, ніж увесь Volocopter VC200

Акумуляторний блок Tesla P90D важить більше, ніж увесь Volocopter VC200

Перш ніж ми розглянемо кінцеву мету застосування енергії акумулятора у міській авіаційній промисловості, звернімося до іншої індустрії, яка знайома багатьом: компактні безпілотники (квадро- та октакоптери).

Індустрія дронів

Рекреаційний спорт — це фактично гібридна індустрія, що забезпечує міст між авіаційним та електричним транспортом. Дрони оснащені певною кількістю безконтактних електродвигунів, що крутять невеликі пропелери в кожному кутку пристрою; найчастіше для підтримки стабільності використовуються чотири пропелери. За своєю масою вони ненабагато важчі, ніж самі акумуляторні батареї. Аеромобільний транспорт значно більший і складніший, але фізичний розрахунок енергії, необхідної для того, щоб залишитися в повітрі, є однаковим в обох випадках. Наприклад, DJI Mavic Pro важить 734 г і може залишатися в повітрі протягом 31 хвилини завдяки акумулятору потужністю 46 Вт-г, що є типовою характеристикою для невеликого дрона. Якщо вивести пропорцію маси та енергетичної місткості, то отримуємо для дрона цифру 0,03. Це число само по собі мало що означає, але якщо помножити вагу літального апарата на бажаний час, то можна отримати приблизну оцінку загальної необхідної енергії.

Дрони, подібні до DJI Mavic Pro, є хорошим прикладом використання батарей та дистанційного керування для аеромобільних транспортних засобів

Дрони, подібні до DJI Mavic Pro, є хорошим прикладом використання батарей та дистанційного керування для аеромобільних транспортних засобів

Важлива примітка – використання різних розмірів пропелерів та технологій акумулювання енергії дадуть різну кількість необхідної енергії; це просто спрощений принциповий підхід.

Розрахунок для аеромобільних засобів

Тож який запас енергії потрібний транспортному засобу, такому як Volocopter VC200, щоб утриматися в повітрі протягом однієї години? Використовуючи коефіцієнт 0,03 кг/Вт-г для розв’язання задачі, отримаємо цифру в 14 кВт-г. Tesla Model S має потужність 85 кВт-г (у 6 разів більше, ніж потрібно для Volocopter), але маса батарей дорівнює 450 кг. Таким чином, якщо одну шосту частину акумуляторного блоку Model S встановити на аеромобільний транспортний засіб, ми отримаємо 90 кг, тобто близько 20% від всієї маси мультикоптера.

Чи буде акумуляторний блок Tesla P90D працювати в міської авіації? Швидше за все, ні

Чи буде акумуляторний блок Tesla P90D працювати в міської авіації? Швидше за все, ні

Акумуляторний блок вагою 90 кг  — це не надто багато, але коли ви порівнюєте запас енергії, що зберігається в 90 кг акумуляторів (14 кВт/год або 50,3 мегаджоулів) з запасом енергії, що містить 90 кг авіаційного керосину (4126 мегаджоулів), то одразу стає очевидним, що авіаційний керосин домінував стільки років в аероіндустрії завдяки надзвичайно високому вмісту енергії.

Хоча авіаційний керосин є шкідливим для екології , його щільність енергії набагато перевершує практично всі інші джерела енергії

Хоча авіаційний керосин є шкідливим для екології, але його енергетична щільність набагато перевершує практично всі інші джерела енергії

Перспективи впровадження

Але низька щільність ще не означає, що акумуляторні батареї не можуть застосовуватися в якості джерела енергії. На щастя, інновації у сфері літакобудування привели до того, що така щільність енергії, як в авіаційному керосині, не потрібна; тому акумулятори все ж таки можна успішно використовувати для  літальних апаратів. До того ж вони мають нульові викиди шкідливих речовин, що є величезною перевагою у порівнянні з авіаційним керосином. Магічна цифра 20%, згадана на початку статті, є дуже важливою, оскільки загалом зниження ваги акумуляторної батареї на 20% дозволить знизити масу акумуляторного блоку для Volocopter до 70 кг (або лише 16% від загальної маси мультикоптера) і забезпечити можливості для встановлення додаткових акумуляторних блоків, місця для багажу або апаратури для авіоніки. Тому зменшення ваги батарей на 20% при ідентичному запасі енергії (до того ж сам розмір батарей не обов’язково має зменшуватися на ті ж самі 20%) — є метою розвитку індустрії.

Наскільки реально досягти такого зменшення ваги або збільшення щільності енергії? За нинішньої швидкості розвитку індустрії для цього потрібно близько 7 років. Але коли збільшення щільності енергії в батареях досягне 30% чи 40%, або навіть показника, який можна порівняти з енергетичною потужністю авіакеросину? Наступні 7 років стануть справжнім барометром прогресу. Втім точкові демонстрації акумуляторних технологій серед спеціалістів, що керують розвитком сегменту міських аеромобільних транспортних засобів, допоможуть підвищити їх обізнаність про переваги електричного повітряного транспорту. Врешті-решт, прогрес в розвитку індустрії акумуляторів здатний перевищити 3% на рік тільки тоді, коли до цієї тематики буде прикута увага глобальної аудиторії.

ЧИТАЙТЕ ТАКОЖ:

Джерело: Medium