لماذا لن تعمل بطاريات تسلا في التاكسي الجوي

إنها رائعة للسيارات ، ولكنها لا تزال غير جيدة لطيران المدينة والتاكسي الجوي.

يعد مشروع Urban Air Mobility (UAM) جزءًا من مبادرة أوروبية ، والهدف النهائي للمشروع هو بداية عصر تاكسي الطيران. والفكرة هي "تفريغ" الطرق التي كانت تفتقر إليها المدن الكبيرة منذ فترة طويلة. كما هو متوقع ، سيكون النظام الجديد جاهزًا للاختبار بالفعل في عام 2023 ، وبحلول عام 2025 ، يخططون لتشغيله.

على مدى السنوات العشرين الماضية ، تعد صناعة البطاريات ، التي تعد مكونًا مهمًا لتشغيل العديد من الأجهزة ، واحدة من أبطأ عمليات التطوير والتطوير والتطور لعناصرها. أدى كل من الطاقة الشمسية والمواد الحديثة وعمليات التصنيع من الجيل التالي إلى اكتشاف أفكار جديدة وحملات ناجحة ووفرت طفرة تكنولوجية لإنشاء صناعات جديدة.

ينطبق هذا على كل شيء تقريبًا باستثناء البطاريات. لكي تتمكن صناعة الوصول إلى الطيران الحضري من تلبية المبدأ الأساسي للاستدامة البيئية ، يجب أن تدخل تقنيات تطوير وتحديث مكونات البطاريات أيضًا في جولة جديدة من تطورها.

فلماذا هذا التأخير؟ وكيف تمكنت شركات مثل تسلا وفاراداي فيوتشر من تقديم منتجاتها بنجاح إلى السوق ، على الرغم من المشاكل الكامنة في تكنولوجيا البطاريات القديمة؟

DuFour aEro2: مثال لمركبة كهربائية مفاهيمية للطيران المدني.



الوضع الحالي لتقنية البطارية

لفهم سبب الحاجة إلى مشروع (إمكانية الوصول) لحركة الطيران الحضري لمدة 10 سنوات أخرى للتحول الكامل إلى الكهرباء ، تحتاج إلى فهم الوضع الحالي لتقنية البطارية.

المؤشر الرئيسي لأي بطارية هو كثافة الطاقة - كمية الطاقة التي يمكن تخزينها في حجم معين. كلما زادت الكثافة ، كانت البطارية أصغر مطلوبًا لكمية معينة من الطاقة ، أو يمكننا توفير المزيد من الطاقة في نفس الحجم.

اتضح أنه من أجل "تحسين" تقنية تطوير البطارية ، من الضروري إيجاد طريقة لزيادة كثافة الطاقة إلى أقصى حد. ومع ذلك ، على عكس قانون مور (الذي تزداد فيه قوة المعالج أو المكونات الوظيفية أضعافًا مضاعفة بمرور الوقت) ، في الوقت الحالي في تكنولوجيا إنتاج البطارية ، فإن الزيادة في كثافة الطاقة في التقريب السنوي ليست سوى 3٪.

من المترجم: غريب ولكن هنا وجدت مثل هذا الجدول

بنسبة 3٪ فقط ، تزداد كثافة الطاقة في البطاريات طوال العام بأكمله

هناك العديد من أنواع البطاريات المستخدمة على نطاق واسع في العالم - ليثيوم أيون وقلوية. على الرغم من أن البطاريات القلوية لا تزال تستخدم في جميع الأجهزة المنزلية تقريبًا ، إلا أن كثافة طاقتها أقل بكثير من بطاريات الليثيوم أيون (حوالي 200 مرة) ، لكن البطاريات القلوية أكثر أمانًا في التصنيع وأسهل في الاستخدام من بطاريات الليثيوم أيون. وأكثر من ذلك ، يمكن اشتعال الأخير مع الضرر.

تتطلب معظم حلول المركبات الكهربائية كمية كبيرة من الطاقة لعملها ، لذلك تستخدم جميعها الآن بطاريات ليثيوم أيون ، مما يجعل من الممكن الاستفادة من تحقيق كثافة عالية للطاقة في أحجام صغيرة ، ولكن ، من ناحية أخرى ، تفترض جميع المخاطر لتنظيم السلامة استخدام مثل هذه الحلول.

لكن كثافة الطاقة في بطاريات أيونات الليثيوم لا تزال منخفضة للغاية ؛ كثافة الطاقة المطلوبة لتنظيم رحلة كهربائية كاملة في النقل الجوي أعلى بكثير من النقل الكهربائي التقليدي ، والفرق في الوزن مكلف للغاية هنا.
بالطبع ، يمكن للعالم كله أن يجعل التكنولوجيا أفضل - فلماذا لا؟

صناعات مماثلة: تسلا والشاحنات

تمكنت شركة تسلا (ومؤخرا ، فاراداي فيوتشر) من بيع السيارات الكهربائية بشكل فعال لأنها تستخدم بطاريات ليثيوم أيون بكثافة طاقة تبلغ حوالي 900 واط / لتر أو 250 واط / كجم.

كمرجع ، تحتوي البطارية القلوية AA على حوالي 4 واط / ساعة من الطاقة مع كثافة طاقة مقابلة تبلغ 700 واط / لتر.

هناك أيضًا عدم تطابق هنا ، ولكن في الأصل مثل هذا: [1] كمرجع ، تحتوي بطارية AA القلوية على حوالي 4 واط / ساعة من الطاقة [2] مع كثافة طاقة مقابلة تبلغ 700 واط / ساعة / لتر.

على الرغم من أن جوجل وجدت البيانات: كثافة الطاقة للبطاريات القلوية هي 45-80 واط * ساعة / كجم.

توضح هذه المقارنة أعلاه مدى ارتفاع كثافة الطاقة لبطاريات الليثيوم أيون مقارنة بطاقة البطاريات القلوية ، ولكن لا تزال كمية الطاقة المطلوبة للسيارات الكهربائية مذهلة.

تتميز السيارة الكهربائية Tesla Model S بالتسارع والأداء السريع ، لكن الكثيرين لا يفهمون أن السيارة نفسها تزن حوالي 1000 رطل (454 كجم). أكثر من أي سيارة سيدان مماثلة بمحرك احتراق داخلي (يرجع ذلك بشكل أساسي إلى وزن البطارية). كثافة الطاقة التي تبلغ حوالي 900 واط / لتر هو مؤشر "جيد بما فيه الكفاية" للاستخدام في السيارات ، لأنه في هذه الصناعة لا تزال الكتل الكبيرة مقبولة.

ومع ذلك ، يتطلب النقل الكهربائي أثناء الطيران أقل وزن ممكن.

كم تحتاج إلى زيادة كثافة الطاقة حتى تصبح البطاريات مصدرًا عمليًا للطاقة للنقل الجوي؟

الجواب بسيط: أنت بحاجة إلى مستوى طاقة مماثل لنموذج Tesla S ، ولكن مع 80 ٪ من الوزن الحالي لبطاريات Tesla (والذي يبلغ حوالي 1200 رطل (545 كجم)) - المزيد حول كيفية وصولنا إلى هذه البيانات أدناه في النص.

بالمقارنة ، يزن Volocopter 996 رطلاً (452 ​​كجم) - أقل من الوزن الإجمالي لبطاريات تسلا. لحسن الحظ ، تتطلب Volocopter (وحلول UAM الأخرى) أقل من 1200 رطل (545 كجم) أو 85 كيلو واط / ساعة من الكهرباء ، لكن الوزن لا يزال سمة مهمة جدًا لهذا الحل.

مقارنة البطارية - تزن بطارية Tesla P90D أكثر من فولوكوبتر VC200 بالكامل.


قبل أن نتطرق إلى هذا الهدف النهائي المتمثل في ضمان المستوى المناسب لشحن البطارية لصناعة الطيران في المناطق الحضرية ، سوف ننتقل إلى صناعة أخرى مألوفة للكثيرين: المركبات الجوية بدون طيار - الطائرات بدون طيار.

صناعة تصنيع الطائرات بدون طيار

الصناعة الهجينة ، التي ستصبح الجسر بين الطيران والنقل الكهربائي ، هي إنتاج المركبات الجوية بدون طيار (الطائرات بدون طيار). الطائرات بدون طيار ليست أكثر من مجرد مجموعة من البطاريات مع أي عدد من المحركات الكهربائية الخالية من الفرشاة التي تدور المراوح الصغيرة المثبتة على الجهاز ؛ عادة ما يتم تثبيت أربعة لضمان الاستقرار في الطيران.

تعتبر حلول UAM أكبر بكثير وأكثر تعقيدًا ، ولكن فيزياء استهلاك الطاقة والتكاليف المطلوبة للحفاظ على توازن الأجهزة لم تتغير في كلتا الحالتين.

على سبيل المثال ، تزن طائرة بدون طيار من طراز DJI Mavic Pro 734 جرامًا ويمكن أن تظل في الهواء لمدة 31 دقيقة باستخدام بطارية 46 واط ، وهي نموذجية لمثل هذه المركبة الجوية الصغيرة غير المأهولة.

من خلال تقليل هذه الإحصائيات إلى وحدة واحدة قابلة للمقارنة ، على سبيل المثال كجم / وات ، نحصل على قيمة 0.03.

هذا الرقم لا يعني أي شيء في حد ذاته ، ولكن إذا قمت بضرب وزن الطائرة في الوقت المطلوب في الهواء ، فيمكنك الحصول على تقدير تقريبي لإجمالي الطاقة المطلوبة للحسابات المقدرة.

يُظهر إنتاج وتشغيل الطائرات بدون طيار مثل DJI Mavic Pro كيف سيبدو المسار من استخدام البطاريات والطائرات الصغيرة مع جهاز التحكم عن بعد لتطبيق الحلول في الطيران الحضري.



ملاحظة مهمة - سيؤدي استخدام مراوح بأحجام مختلفة وافتراضات معينة في الحفاظ على الطاقة إلى كميات مختلفة من الطاقة المطلوبة ؛ إنه ببساطة نهج مبسط قائم على المبادئ الأساسية.

صناعة سيارات الأجرة الطائرة.

لذا ، ما مقدار الطاقة التي ستستهلكها مركبة ، مثل Volocopter ، لتنظيم رحلة لمدة ساعة واحدة؟

باستخدام معامل kg / Wh قدره 0.03 لحل هذه المشكلة ، نحصل على أن Volocopter ستحتاج إلى 14kWh من الطاقة.

تذكر تسلا ، بطاريات طراز S تبلغ سعتها 85 كيلو واط في الساعة (6 مرات أكثر من Volocopter) ، ولكن بوزن 1200 رطل (545 كجم).

لذلك ، إذا قمت بتفكيك بطاريات Tesla Model S وقمت بتثبيت سدس خلاياها فقط على Volocopter ، فستزن هذه الخلية الجديدة 200 رطل (91 كجم) ، والتي ستكون أكثر من 20 ٪ من وزن Volocopter.

هل ستعمل بطارية Tesla P90D في سيارات الأجرة الحضرية؟ على الأرجح لا.



القيود

هذه النسبة 20٪ ليست عالية جدًا ، ولكن عند مقارنة طاقة 200 رطل (91 كجم.) من الوزن (14 كيلو واط في الساعة أو 50.3 ميجاجول) مع الطاقة المخزنة في 200 رطل (91 كجم.) من وقود الطائرات النفاثة (4126 ميجاجول) ، يصبح من الواضح لماذا لا يزال استخدام Jet-A أكثر ربحية بسبب كثافة الطاقة العالية للغاية.

لفهم الجدول من هنا .

على الرغم من أن وقود الطائرات Jet-A هو وقود أقل جاذبية من حيث التأثير البيئي ، إلا أن كثافة طاقته تفوق بكثير أي مصدر طاقة آخر يستخدم في الطيران المدني.

الفوائد

لكن هذا لا يعني أن البطاريات الحالية لا يمكن أن تكون "جيدة بما يكفي".
لحسن الحظ ، تعني التطورات والابتكارات الديناميكية الهوائية أنه لا يلزم مقارنة كثافة الطاقة مع Jet-A ؛ يمكن أن تكون البطاريات جيدة بما يكفي مع كثافة طاقة أقل ، ولكن مع فائدة إضافية تتمثل في عدم وجود انبعاثات ، وهي ميزة كبيرة على وقود الطائرات النفاثة.

يعتبر الرقم السحري بنسبة 80 ٪ المذكور في المقارنة الأولى لتطبيق بطارية Tesla على صناعة UAM أمرًا بالغ الأهمية لأنه ، كقاعدة عامة ، يمكن أن يؤدي تقليل الوزن على البطارية بنسبة 20 ٪ فقط إلى تحرير وزن كافٍ لزيادة السعة المفيدة الإضافية لحجرة الأمتعة ، وتثبيت إلكترونيات الطيران الإضافية والمعدات.

سيؤدي ذلك إلى تقليل البطارية 200 رطل (91 كجم) إلى 160 رطلاً (73 كجم. ، حتى 16٪ من الوزن الإجمالي للطائرة) وسيسمح بزيادة كثافة الطاقة بمقدار الثلث ، لأن الانخفاض في الحجم لتقليل الوزن ليس متناسبًا خطياً.

هذه القدرة على تقليل وزن البطارية بنسبة 20٪ مع الحفاظ على سعة 80٪ هي المعيار لتطوير حلول جديدة.
80/20 .

في الختام

ما مدى واقعية تحقيق هذا التخفيض في وزن البطارية وزيادة كثافة الطاقة قريبًا؟

بالوتيرة الحالية لتحديث تقنية البطاريات ، سيستغرق الأمر حوالي 7 سنوات. هل هي سريعة بما يكفي؟ سيقول الكثيرون نعم ، ولكن هناك سؤال آخر أكثر قلقًا: كم من الوقت سيستغرق تحسين تقنية البطارية لتحقيق انخفاض في الوزن بنسبة 30 ٪ و 40 ٪ أو التقدم إلى النقطة التي تكون فيها سعة طاقة Jet-A قابلة للمقارنة؟

ستصبح السنوات السبع القادمة مقياساً حقيقياً للنجاح ، وستساعد العروض الصغيرة النطاق لتقنيات البطاريات الجديدة في المواقف المتعلقة بنقل الركاب في المدن على زيادة الوعي العام بفوائد النقل الجوي باستخدام الكهرباء.

في نهاية المطاف ، سيأتي الوقت الذي سيتم فيه تجاوز عتبة 3 ٪ سنويًا في تطوير البطارية ، ولكن فقط بعد أن يدرك المزيد من الباحثين والبلدان الفوائد المحتملة لمثل هذه التطورات.

شيء مختلط جدا في المقال. في هذا العرض التقديمي ، أصبح الأمر أكثر وضوحًا من حيث الطاقة .skolkovo.ru/downloads/documents/SEneC/News/SKOLKOVO_EneC_2018.04.04_Grushevenko.pdf