Son excelentes para los automóviles, pero aún no son tan buenos para la aviación de la ciudad y los taxis aéreos.
El proyecto Urban Air Mobility (UAM) es parte de una iniciativa europea, el objetivo final del proyecto es el comienzo de la era del taxi volador. La idea es "descargar" las carreteras que han faltado durante mucho tiempo en las grandes ciudades. Como se esperaba, el nuevo sistema estará listo para pruebas ya en 2023, y para 2025 planean ponerlo en funcionamiento.
En los últimos 20 años, la industria de las baterías, que es un componente importante para el funcionamiento de muchos dispositivos, es una de las más lentas en el desarrollo, desarrollo y evolución de sus elementos. La energía solar, los materiales modernos y los procesos de fabricación de la próxima generación, todo esto condujo al descubrimiento de nuevas ideas, campañas exitosas y proporcionó un avance tecnológico para la creación de nuevas industrias.
Esto se aplica a casi todo excepto a las baterías. Para que la industria de accesibilidad de la aviación urbana satisfaga el principio básico de sostenibilidad ambiental, las tecnologías para el desarrollo y la modernización de los componentes de la batería también deben entrar en una nueva ronda de desarrollo.
Entonces, ¿por qué tanta demora? ¿Y cómo empresas como Tesla y Faraday Future han podido llevar con éxito sus productos al mercado, a pesar de los problemas inherentes a la tecnología obsoleta de baterías?
DuFour aEro2: un ejemplo de un vehículo eléctrico conceptual para la aviación urbana.
Estado actual de la tecnología de batería.Para comprender por qué el proyecto de movilidad (accesibilidad) de la aviación urbana necesitará otros 10 años para cambiar completamente a la electricidad, debe comprender el estado actual de la tecnología de baterías.
Un indicador clave para cualquier batería es la densidad de energía, la cantidad de energía que se puede almacenar en un volumen dado. Cuanto mayor sea la densidad, menor será la batería necesaria para una cierta cantidad de energía, o podemos ahorrar más energía en el mismo volumen.
Resulta que para "optimizar" la tecnología para el desarrollo de baterías, es necesario encontrar una manera de maximizar la densidad de energía. Sin embargo, a diferencia de la ley de Moore (en la que la potencia del procesador o los componentes funcionales aumenta exponencialmente con el tiempo), en este momento en la tecnología de producción de baterías, el aumento de la densidad de energía en la aproximación anual es solo del 3%.
Del traductor: extraño, pero aquí encontré ese horario
Solo en un 3%, la densidad de energía en las baterías aumenta durante todo el añoExisten varios tipos de baterías que se usan ampliamente en el mundo: iones de litio y alcalinas. Aunque las baterías alcalinas todavía se usan en casi todos los electrodomésticos, su densidad de energía es mucho menor que la de las baterías de iones de litio (aproximadamente 200 veces), pero las baterías alcalinas son mucho más seguras de fabricar y más fáciles de usar que las baterías de iones de litio. cuanto más, este último a menudo puede encenderse con daños.
La mayoría de las soluciones para vehículos eléctricos requieren una gran cantidad de energía para su trabajo, por lo que ahora utilizan baterías de iones de litio, lo que permite aprovechar la alta densidad de energía en pequeños volúmenes, pero, por otro lado, asume todos los riesgos para organizar la seguridad. uso de tales soluciones.
Pero la densidad de energía de las baterías de iones de litio sigue siendo demasiado baja; La densidad de energía requerida para organizar un vuelo eléctrico completo en el transporte aéreo es mucho mayor que para el transporte eléctrico convencional, y la diferencia de peso aquí es muy costosa.
Por supuesto, todo el mundo puede mejorar la tecnología, entonces, ¿por qué no?
Industrias similares: Tesla y camionesTesla (y más recientemente, Faraday Future) pudo vender efectivamente autos eléctricos porque usan baterías de iones de litio con una densidad de energía de aproximadamente 900 Wh / L o 250 Wh / kg.
Como referencia, una batería alcalina AA contiene aproximadamente 4 Wh de energía con una densidad de energía correspondiente de 700 Wh / L.
También hay una falta de coincidencia aquí, pero en el original como este: [1] Como referencia, una batería alcalina AA contiene aproximadamente 4 Wh de energía [2] con una densidad de energía correspondiente de 700Wh / L.
Aunque, Google encontró los datos: la densidad de energía de las baterías alcalinas es de 45-80 W * h / kg.
Esta comparación anterior muestra cuánto más alta es la densidad de energía de las baterías de iones de litio en comparación con la energía de las baterías alcalinas, pero la cantidad de energía requerida para los vehículos eléctricos sigue siendo asombrosa.
El automóvil eléctrico Tesla Model S se caracteriza por una aceleración y un rendimiento rápidos, pero muchos no entienden que el automóvil pesa casi 1000 lb (454 kg). Más que cualquier sedán similar con un motor de combustión interna (principalmente debido al peso de la batería). Una densidad de energía de aproximadamente 900 Wh / L es un indicador "suficientemente bueno" para su uso en vehículos, porque en esta industria aún se aceptan grandes masas.
Sin embargo, el transporte eléctrico en vuelo requiere el menor peso posible.
¿Cuánto más necesita para aumentar la densidad de energía para que las baterías se conviertan en una fuente práctica de energía para el transporte aéreo?
La respuesta es simple: necesita un nivel de potencia comparable del modelo Tesla S, pero con el 80% del peso actual de las baterías Tesla (que es de aproximadamente 1200 lb (545 kg)), más sobre cómo llegamos a tales datos a continuación en el texto.
En comparación, el Volocopter pesa 996 lbs (452 kg), menos que el peso total de las baterías Tesla. Afortunadamente, Volocopter (y otras soluciones UAM) requieren menos de 1200 lbs (545 kg) u 85kWh de electricidad, pero el peso sigue siendo una característica muy importante para esta solución.
Comparación de la batería: la batería del Tesla P90D pesa más que el Volocopter VC200 completo.
Antes de detenernos en este objetivo final de garantizar el nivel adecuado de carga de la batería para la industria de la aviación urbana, recurriremos a otra industria familiar para muchos: vehículos aéreos no tripulados: drones.
Industria de fabricación de dronesUna industria híbrida que se convertirá en un puente entre la aviación y el transporte eléctrico es la producción de vehículos aéreos no tripulados (drones). Los drones son un poco más que un conjunto de baterías con cualquier número de motores eléctricos sin escobillas que hacen girar las pequeñas hélices que están instaladas en el dispositivo; Por lo general, se instalan cuatro para garantizar la estabilidad en vuelo.
Las soluciones de UAM son mucho más grandes y complejas, pero la física del consumo de energía y los costos necesarios para mantener el equilibrio de los dispositivos permanecen sin cambios en ambos casos.
Por ejemplo, un dron tipo DJI Mavic Pro pesa 734 gramos y puede permanecer en el aire durante 31 minutos con una batería de 46 Wh, que es típica de un vehículo aéreo no tripulado tan pequeño.
Al reducir estas estadísticas a una unidad comparable, por ejemplo kg / Wh, obtenemos un valor de 0.03.
Este número no significa nada en sí mismo, pero si multiplica el peso de la aeronave por el tiempo deseado en el aire, puede obtener una estimación aproximada de la energía total requerida para los cálculos estimados.
La producción y operación de drones como DJI Mavic Pro muestra cómo se verá el camino desde el uso de baterías y pequeños aviones con control remoto hasta la aplicación de soluciones en la aviación urbana.
Una nota importante: el uso de hélices de diferentes tamaños y ciertos supuestos en la conservación de energía resultarán en diferentes cantidades de energía requeridas; Es simplemente un enfoque simplificado basado en principios básicos.
Industria de taxis voladores.Entonces, ¿cuánta energía tomará un vehículo, como un Volocopter, para organizar un vuelo de una hora?
Usando un coeficiente kg / Wh de 0.03 para resolver este problema, obtenemos que el Volocopter necesitará 14kWh de energía.
Recuerde Tesla, las baterías modelo S tienen una capacidad de 85kWh (6 veces más que el Volocopter), pero con un peso de 1,200 lbs (545 kg).
Por lo tanto, si desmonta las baterías Tesla Model S e instala solo una sexta parte de sus celdas en el Volocopter, esta nueva celda pesará 200 lbs (91 kg), lo que representará más del 20% del peso del Volocopter.
¿Funcionará la batería Tesla P90D en taxis urbanos? Lo más probable es que no.
LimitacionesEste 20% no es muy alto, pero cuando se compara la energía de 200 lbs (91 kg.) De peso (14kWh o 50.3 megajulios) con la energía almacenada en 200 lbs (91 kg.) De combustible del avión Jet-A (4126 megajulios) , resulta obvio por qué el uso de Jet-A es aún más rentable debido a su densidad de energía extremadamente alta.
Para entender el horario desde aquí .
Aunque el combustible para aviones Jet-A es un combustible menos deseable en términos de impacto ambiental, su densidad de energía es muy superior a casi cualquier otra fuente de energía utilizada en la aviación civil.
Los beneficiosPero esto no significa que actualmente las baterías no puedan ser "suficientemente buenas".
Afortunadamente, los desarrollos e innovaciones aerodinámicas significan que no se requiere una comparación de la densidad de energía con Jet-A; Las baterías pueden ser lo suficientemente buenas con una densidad de energía más baja, pero con el beneficio adicional de cero emisiones, que es una gran ventaja sobre los combustibles Jet-A.
La cifra mágica del 80% mencionada en la primera comparación de la aplicabilidad de la batería de Tesla a la industria de la UAM es crucial porque, por regla general, reducir el peso de la batería en solo un 20% puede liberar suficiente peso para aumentar la capacidad útil adicional del compartimiento de equipaje, instalar aviónica adicional y equipamiento.
Esto reduciría la batería de 200 lb (91 kg) a 160 lb (73 kg., Hasta el 16% del peso total de la aeronave) y permitiría que la densidad de energía aumente en un tercio, ya que la disminución del volumen para reducir el peso no es linealmente proporcional.
Esta capacidad de reducir el peso de la batería en un 20% mientras se mantiene el 80% de capacidad es el punto de referencia para el desarrollo de nuevas soluciones.
80/20 .
En conclusión¿Cuán realista es lograr pronto tal reducción en el peso de la batería y un aumento en la densidad de energía?
Al ritmo actual de modernización de la tecnología de baterías, tomará alrededor de 7 años. ¿Es lo suficientemente rápido? Muchos dirán que sí, pero otra pregunta es más preocupante: ¿cuánto tiempo llevará mejorar la tecnología de la batería para lograr una reducción de peso del 30% y 40% o progresar hasta el punto en que la capacidad de energía del Jet-A sea comparable?
Los próximos 7 años se convertirán en un verdadero barómetro del éxito, y las demostraciones a pequeña escala de las nuevas tecnologías de baterías en situaciones relacionadas con el transporte de pasajeros en las ciudades ayudarán a crear conciencia general sobre los beneficios del transporte aéreo que utiliza electricidad.
En última instancia, llegará el momento en que se superará el umbral del 3% anual en el desarrollo de baterías, pero solo después de que más investigadores y países se den cuenta de los beneficios potenciales de tales desarrollos.
Algo muy mezclado en el artículo. En esta presentación, es aún más claro energy.skolkovo.ru/downloads/documents/SEneC/News/SKOLKOVO_EneC_2018.04.04_Grushevenko.pdf