Sie sind großartig für Autos, aber immer noch nicht so gut für die Stadtluftfahrt und das Lufttaxi.
Das UAM-Projekt (Urban Air Mobility) ist Teil einer europäischen Initiative. Das Endziel des Projekts ist der Beginn der Ära des fliegenden Taxis. Die Idee ist, Straßen, die in Großstädten seit langem fehlen, zu „entladen“. Wie erwartet wird das neue System bereits 2023 testbereit sein und soll bis 2025 in Betrieb genommen werden.
In den letzten 20 Jahren war die Batterieindustrie, die eine wichtige Komponente für den Betrieb vieler Geräte darstellt, eine der langsamsten in der Entwicklung, Entwicklung und Entwicklung ihrer Elemente. Solarenergie, moderne Materialien und Herstellungsprozesse der nächsten Generation führten zur Entdeckung neuer Ideen, zu erfolgreichen Kampagnen und zu einem technologischen Durchbruch für die Schaffung neuer Industrien.
Dies gilt für fast alles außer Batterien. Damit die Zugänglichkeitsbranche der städtischen Luftfahrt das Grundprinzip der ökologischen Nachhaltigkeit erfüllen kann, müssen auch Technologien für die Entwicklung und Modernisierung von Batteriekomponenten in eine neue Runde ihrer Entwicklung eintreten.
Warum also so eine Verzögerung? Und wie konnten Unternehmen wie Tesla und Faraday Future ihre Produkte trotz der Probleme, die mit veralteter Batterietechnologie verbunden sind, erfolgreich auf den Markt bringen?
DuFour aEro2: Ein Beispiel für ein konzeptionelles Elektrofahrzeug für die urbane Luftfahrt.
Aktueller Stand der BatterietechnologieUm zu verstehen, warum das Projekt für die Mobilität in der städtischen Luftfahrt (Barrierefreiheit) weitere 10 Jahre benötigt, um vollständig auf Elektrizität umzusteigen, müssen Sie den aktuellen Stand der Batterietechnologie verstehen.
Ein Schlüsselindikator für jede Batterie ist die Energiedichte - die Energiemenge, die in einem bestimmten Volumen gespeichert werden kann. Je höher die Dichte, desto kleiner wird die Batterie für eine bestimmte Energiemenge benötigt, oder wir können mehr Energie bei gleichem Volumen sparen.
Es stellt sich heraus, dass es zur „Optimierung“ der Technologie für die Entwicklung von Batterien notwendig ist, einen Weg zu finden, um die Energiedichte zu maximieren. Im Gegensatz zum Moore'schen Gesetz (bei dem die Leistung des Prozessors oder der Funktionskomponenten mit der Zeit exponentiell zunimmt) beträgt die Zunahme der Energiedichte in der jährlichen Näherung in der Technologie der Batterieproduktion derzeit nur 3%.
Vom Übersetzer: seltsam, aber hier habe ich einen solchen Zeitplan gefunden
Nur um 3% steigt die Energiedichte in den Batterien über das ganze JahrEs gibt verschiedene Arten von Batterien, die auf der Welt weit verbreitet sind - Lithium-Ionen- und Alkalibatterien. Obwohl Alkalibatterien in fast allen Haushaltsgeräten immer noch verwendet werden, ist ihre Energiedichte viel geringer als die von Lithium-Ionen-Batterien (etwa 200-fach), aber Alkalibatterien sind viel sicherer herzustellen und einfacher zu verwenden als Lithium-Ionen-Batterien. Letzteres kann oft mit Schäden entzündet werden.
Die meisten Lösungen für Elektrofahrzeuge benötigen für ihre Arbeit viel Energie. Daher verwenden sie jetzt alle Lithium-Ionen-Batterien, wodurch die Realisierung einer großen Energiedichte in kleinen Mengen möglich ist, andererseits jedoch alle Risiken für die Organisation der Sicherheit übernommen werden Verwendung solcher Lösungen.
Die Energiedichte von Lithium-Ionen-Batterien ist jedoch immer noch zu niedrig. Die erforderliche Energiedichte für die Organisation eines vollwertigen elektrischen Fluges im Luftverkehr ist viel höher als beim konventionellen elektrischen Transport, und der Gewichtsunterschied ist hier sehr teuer.
Natürlich kann die ganze Welt die Technologie verbessern - warum also nicht?
Ähnliche Branchen: Tesla und LKWTesla (und in jüngerer Zeit Faraday Future) konnte Elektroautos effektiv verkaufen, da sie Lithium-Ionen-Batterien mit einer Energiedichte von etwa 900 Wh / L oder 250 Wh / kg verwenden.
Als Referenz enthält eine AA-Alkalibatterie etwa 4 Wh Energie mit einer entsprechenden Energiedichte von 700 Wh / L.
Es gibt auch hier eine Nichtübereinstimmung, aber im Original wie folgt: [1] Als Referenz hält eine alkalische AA-Batterie etwa 4 Wh Energie [2] mit einer entsprechenden Energiedichte von 700 Wh / l.
Obwohl Google die Daten gefunden hat: Die Energiedichte von Alkalibatterien beträgt 45-80 W * h / kg.
Dieser obige Vergleich zeigt, wie viel höher die Energiedichte von Lithium-Ionen-Batterien im Vergleich zur Energie von Alkalibatterien ist, aber die für Elektrofahrzeuge erforderliche Energiemenge ist immer noch erstaunlich.
Das Elektroauto Tesla Model S zeichnet sich durch schnelle Beschleunigung und Leistung aus, aber viele wissen nicht, dass das Auto selbst fast 454 kg wiegt. Mehr als jede ähnliche Limousine mit Verbrennungsmotor (hauptsächlich aufgrund des Gewichts der Batterie). Eine Energiedichte von etwa 900 Wh / L ist ein "gut genug" Indikator für den Einsatz in Fahrzeugen, da in dieser Branche große Massen noch akzeptabel sind.
Der elektrische Transport im Flug erfordert jedoch das geringstmögliche Gewicht.
Um wie viel mehr müssen Sie die Energiedichte erhöhen, damit die Batterien zu einer praktischen Energiequelle für den Luftverkehr werden?
Die Antwort ist einfach: Sie benötigen eine vergleichbare Leistung des Tesla S-Modells, jedoch mit 80% des aktuellen Gewichts der Tesla-Batterien (was etwa 545 kg entspricht) - mehr darüber, wie wir zu solchen Daten weiter unten im Text gekommen sind.
Im Vergleich dazu wiegt der Volocopter 452 kg - weniger als das Gesamtgewicht der Tesla-Batterien. Glücklicherweise benötigen Volocopter (und andere UAM-Lösungen) weniger als 545 kg (1200 lbs) oder 85 kWh Strom, aber das Gewicht ist immer noch ein sehr wichtiges Merkmal für diese Lösung.
Batterievergleich - Die Tesla P90D-Batterie wiegt mehr als der gesamte Volocopter VC200.
Bevor wir uns mit diesem Endziel befassen, die richtige Batterieladung für die städtische Luftfahrtindustrie sicherzustellen, wenden wir uns einer anderen Branche zu, die vielen bekannt ist: unbemannten Luftfahrzeugen - Drohnen.
DrohnenindustrieEine Hybridindustrie, die eine Brücke zwischen Luftfahrt und Elektrotransport schlagen wird, ist die Produktion unbemannter Luftfahrzeuge (Drohnen). Drohnen sind etwas mehr als nur ein Satz Batterien mit einer beliebigen Anzahl bürstenloser Elektromotoren, die die kleinen Propeller drehen, die auf dem Gerät installiert sind. In der Regel werden vier installiert, um die Stabilität im Flug zu gewährleisten.
UAM-Lösungen sind viel größer und komplexer, aber die Physik des Energieverbrauchs und die Kosten, die zur Aufrechterhaltung des Gerätegleichgewichts erforderlich sind, bleiben in beiden Fällen unverändert.
Beispielsweise wiegt eine DJI Mavic Pro-Drohne 734 Gramm und kann mit einer 46-Wh-Batterie, die für ein so kleines unbemanntes Luftfahrzeug typisch ist, 31 Minuten lang in der Luft bleiben.
Wenn wir diese Statistiken auf eine vergleichbare Einheit reduzieren, beispielsweise kg / Wh, erhalten wir einen Wert von 0,03.
Diese Zahl bedeutet an sich nichts, aber wenn Sie das Gewicht des Flugzeugs mit der gewünschten Zeit in der Luft multiplizieren, können Sie eine ungefähre Schätzung des gesamten Energiebedarfs für geschätzte Berechnungen erhalten.
Die Produktion und der Betrieb von Drohnen wie DJI Mavic Pro zeigen, wie der Weg von der Verwendung von Batterien und kleinen Flugzeugen mit Fernbedienung zur Anwendung von Lösungen in der städtischen Luftfahrt aussehen wird.
Ein wichtiger Hinweis: Die Verwendung von Propellern unterschiedlicher Größe und bestimmte Annahmen zur Energieeinsparung führen zu unterschiedlichen Energiemengen. Es ist einfach ein vereinfachter Ansatz, der auf Grundprinzipien basiert.
Fliegende Taxiindustrie.Wie viel Energie benötigt ein Fahrzeug wie ein Volocopter, um einen einstündigen Flug zu organisieren?
Wenn wir einen kg / Wh-Koeffizienten von 0,03 verwenden, um dieses Problem zu lösen, benötigen wir für den Volocopter 14 kWh Energie.
Denken Sie daran, Tesla, Modell S-Batterien haben eine Kapazität von 85 kWh (6-mal mehr als der Volocopter), aber ein Gewicht von 1.200 lbs (545 kg).
Wenn Sie die Tesla Model S-Batterien zerlegen und nur ein Sechstel ihrer Zellen am Volocopter installieren, wiegt diese neue Zelle 91 kg, was mehr als 20% des Gewichts des Volocopters entspricht.
Funktioniert die Tesla P90D-Batterie in städtischen Taxis? Höchstwahrscheinlich nicht.
EinschränkungenDiese 20% sind nicht sehr hoch, aber wenn man die Energie von 91 kg Gewicht (14 kWh oder 50,3 Megajoule) mit der Energie vergleicht, die in 91 kg Treibstoff des Jet-A-Flugzeugs (4126 Megajoule) gespeichert ist wird deutlich, warum der Einsatz von Jet-A aufgrund seiner extrem hohen Energiedichte noch rentabler ist.
Um den Zeitplan von hier aus zu verstehen.
Obwohl Jet-A-Flugzeugtreibstoff hinsichtlich der Umweltbelastung ein weniger wünschenswerter Treibstoff ist, ist seine Energiedichte fast jeder anderen in der Zivilluftfahrt verwendeten Energiequelle weit überlegen.
Die VorteileDies bedeutet jedoch nicht, dass Batterien derzeit nicht „gut genug“ sein können.
Glücklicherweise ist aufgrund aerodynamischer Entwicklungen und Innovationen kein Vergleich der Energiedichte mit Jet-A erforderlich. Batterien können mit einer geringeren Energiedichte gut genug sein, aber mit dem zusätzlichen Vorteil einer Nullemission, was ein großer Vorteil gegenüber Jet-A-Kraftstoffen ist.
Die im ersten Vergleich der Anwendbarkeit von Tesla-Batterien auf die UAM-Industrie erwähnte magische Zahl von 80% ist entscheidend, da durch eine Reduzierung des Batteriegewichts um nur 20% in der Regel genug Gewicht freigesetzt werden kann, um die zusätzliche Nutzkapazität des Gepäckraums zu erhöhen und zusätzliche Avionik zu installieren und Ausrüstung.
Dies würde die Batterie von 91 kg (200 lbs) auf 73 kg (160 lbs) reduzieren, bis zu 16% des Gesamtgewichts des Flugzeugs) und eine Erhöhung der Energiedichte um ein Drittel ermöglichen, da die Volumenverringerung zur Gewichtsreduzierung nicht linear proportional ist.
Diese Fähigkeit, das Batteriegewicht um 20% bei gleichbleibender Kapazität von 80% zu reduzieren, ist der Maßstab für die Entwicklung neuer Lösungen.
80/20 .
AbschließendWie realistisch ist es, bald eine solche Reduzierung des Batteriegewichts und eine Erhöhung der Energiedichte zu erreichen?
Bei der gegenwärtigen Modernisierung der Batterietechnologie wird es ungefähr 7 Jahre dauern. Ist es schnell genug? Viele werden ja sagen, aber eine andere Frage ist besorgter: Wie lange wird es dauern, bis die Batterietechnologie verbessert ist, um eine Gewichtsreduzierung von 30% und 40% zu erreichen oder bis zu einem Punkt voranzukommen, an dem die Energiekapazität des Jet-A vergleichbar ist?
Die nächsten sieben Jahre werden zu einem echten Erfolgsbarometer, und kleine Demonstrationen neuer Batterietechnologien in Situationen im Zusammenhang mit der Beförderung von Passagieren in Städten werden dazu beitragen, das allgemeine Bewusstsein für die Vorteile des Luftverkehrs mit Elektrizität zu schärfen.
Letztendlich wird der Zeitpunkt kommen, an dem die Schwelle von 3% pro Jahr bei der Entwicklung von Batterien überschritten wird, jedoch erst, wenn mehr Forscher und Länder die potenziellen Vorteile solcher Entwicklungen erkennen.
Etwas sehr gemischtes im Artikel. In dieser Präsentation wird noch deutlicher: energy.skolkovo.ru/downloads/documents/SEneC/News/SKOLKOVO_EneC_2018.04.04_Grushevenko.pdf