Ils sont parfaits pour les voitures, mais pas si bons pour l'aviation urbaine et le taxi aérien.
Le projet Urban Air Mobility (UAM) fait partie d'une initiative européenne dont l'objectif ultime est le début de l'ère du taxi volant. L'idée est de «décharger» des routes qui manquent depuis longtemps dans les grandes villes. Comme prévu, le nouveau système sera prêt à être testé dès 2023 et, d'ici 2025, ils prévoient de le mettre en service.
Au cours des 20 dernières années, l'industrie des batteries, qui est un élément important pour le fonctionnement de nombreux appareils, est l'une des plus lentes dans le développement, le développement et l'évolution de ses éléments. L'énergie solaire, les matériaux modernes et les processus de fabrication de la prochaine génération, tout cela a conduit à la découverte de nouvelles idées, à des campagnes réussies et à une percée technologique pour la création de nouvelles industries.
Cela s'applique à presque tout sauf aux piles. Afin que l'industrie de l'accessibilité de l'aviation urbaine satisfasse au principe de base de la durabilité environnementale, les technologies de développement et de modernisation des composants de batterie doivent également entrer dans une nouvelle phase de leur développement.
Alors pourquoi un tel retard? Et comment des entreprises telles que Tesla et Faraday Future ont-elles réussi à commercialiser leurs produits avec succès, malgré les problèmes inhérents à une technologie de batterie obsolète?
DuFour aEro2: un exemple de véhicule électrique conceptuel pour l'aviation urbaine.
État actuel de la technologie des batteriesPour comprendre pourquoi le projet de mobilité (accessibilité) de l'aviation urbaine aura besoin de 10 ans supplémentaires pour passer complètement à l'électricité, vous devez comprendre l'état actuel de la technologie des batteries.
Un indicateur clé pour toute batterie est la densité d'énergie - la quantité d'énergie qui peut être stockée dans un volume donné. Plus la densité est élevée, plus la batterie sera petite pour une certaine quantité d'énergie, ou nous pouvons économiser plus d'énergie dans le même volume.
Il s'avère que pour «optimiser» la technologie de développement des batteries, il est nécessaire de trouver un moyen de maximiser la densité énergétique. Cependant, contrairement à la loi de Moore (dans laquelle la puissance du processeur ou des composants fonctionnels augmente de façon exponentielle avec le temps), à l'heure actuelle dans la technologie de production de batteries, l'augmentation de la densité d'énergie dans l'approximation annuelle n'est que de 3%.
Du traducteur: étrange, mais ici, j'ai trouvé un tel calendrier
De seulement 3%, la densité énergétique des batteries augmente sur toute l'annéeIl existe plusieurs types de piles qui sont largement utilisées dans le monde - lithium-ion et alcaline. Bien que les piles alcalines soient toujours utilisées dans presque tous les appareils électroménagers, leur densité d'énergie est bien inférieure à celle des piles au lithium-ion (environ 200 fois), mais les piles alcalines sont beaucoup plus sûres à fabriquer et plus faciles à utiliser que les piles au lithium-ion. d'autant plus que ces derniers peuvent souvent s'enflammer avec des dégâts.
La plupart des solutions pour les véhicules électriques nécessitent une grande quantité d'énergie pour leur travail, alors maintenant ils utilisent tous des batteries lithium-ion, ce qui permet de profiter de la réalisation d'une grande densité d'énergie en petits volumes, mais, en revanche, assume tous les risques pour organiser la sécurité l'utilisation de telles solutions.
Mais la densité énergétique des batteries lithium-ion est encore trop faible; la densité d'énergie requise pour organiser un vol électrique à part entière dans le transport aérien est beaucoup plus élevée que pour le transport électrique conventionnel, et la différence de poids ici est très chère.
Bien sûr, le monde entier peut améliorer la technologie - alors pourquoi pas?
Industries similaires: Tesla et camionsTesla (et plus récemment Faraday Future) a pu vendre efficacement des voitures électriques car elles utilisent des batteries lithium-ion avec une densité d'énergie d'environ 900 Wh / L ou 250 Wh / kg.
Pour référence, une pile alcaline AA contient environ 4 Wh d'énergie avec une densité d'énergie correspondante de 700 Wh / L.
Il y a aussi un décalage ici, mais dans l'original comme ceci: [1] Pour référence, une pile alcaline AA contient environ 4 Wh d'énergie [2] avec une densité d'énergie correspondante de 700Wh / L.
Cependant, Google a trouvé les données: la densité d'énergie des piles alcalines est de 45 à 80 W * h / kg.
Cette comparaison ci-dessus montre à quel point la densité d'énergie des batteries lithium-ion est plus élevée que l'énergie des batteries alcalines, mais la quantité d'énergie requise pour les véhicules électriques reste stupéfiante.
La voiture électrique Tesla Model S se caractérise par une accélération et des performances rapides, mais beaucoup ne comprennent pas que la voiture elle-même pèse près de 1000 lb (454 kg). Plus que toute berline similaire avec un moteur à combustion interne (principalement en raison du poids de la batterie). Une densité d'énergie d'environ 900 Wh / L est un indicateur "assez bon" pour une utilisation dans des véhicules, car dans cette industrie, de grandes masses sont toujours acceptables.
Cependant, le transport électrique en vol nécessite le poids le plus bas possible.
De combien avez-vous besoin pour augmenter la densité d'énergie afin que les batteries deviennent une source d'énergie pratique pour le transport aérien?
La réponse est simple: vous avez besoin d'un niveau de puissance comparable du modèle Tesla S, mais avec 80% du poids actuel des batteries Tesla (qui est d'environ 1200 lb (545 kg)) - plus sur la façon dont nous sommes arrivés à ces données ci-dessous dans le texte.
En comparaison, le Volocopter pèse 456 kg (996 lb), soit moins que le poids total des batteries Tesla. Heureusement, Volocopter (et d'autres solutions UAM) nécessitent moins de 1200 lb (545 kg) ou 85 kWh d'électricité, mais le poids est toujours une caractéristique très importante pour cette solution.
Comparaison de la batterie - La batterie du Tesla P90D pèse plus que la totalité du Volocopter VC200.
Avant de nous attarder sur cet objectif ultime d'assurer le bon niveau de charge de batterie pour l'industrie de l'aviation urbaine, nous nous tournerons vers une autre industrie familière à beaucoup: les véhicules aériens sans pilote - les drones.
Industrie de fabrication de dronesUne industrie hybride qui deviendra un pont entre l'aviation et le transport électrique est la production de véhicules aériens sans pilote (drones). Les drones sont un peu plus qu'un simple ensemble de batteries avec un nombre illimité de moteurs électriques sans balais qui font tourner les petites hélices installées sur l'appareil; généralement quatre sont installés pour assurer la stabilité en vol.
Les solutions UAM sont beaucoup plus grandes et plus complexes, mais la physique de la consommation d'énergie et les coûts requis pour maintenir l'équilibre des appareils restent inchangés dans les deux cas.
Par exemple, un drone de type DJI Mavic Pro pèse 734 grammes et peut rester en l'air pendant 31 minutes avec une batterie de 46 Wh, ce qui est typique d'un si petit véhicule aérien sans pilote.
En réduisant ces statistiques à une unité comparable, par exemple kg / Wh, nous obtenons une valeur de 0,03.
Ce nombre ne signifie rien en soi, mais si vous multipliez le poids de l'avion par le temps souhaité passé dans l'air, vous pouvez obtenir une estimation approximative de l'énergie totale requise pour les calculs estimés.
La production et l'exploitation de drones tels que DJI Mavic Pro montrent à quoi ressemblera le chemin de l'utilisation de batteries et de petits avions avec télécommande à l'application de solutions dans l'aviation urbaine.
Remarque importante - l'utilisation d'hélices de tailles différentes et certaines hypothèses de conservation de l'énergie entraîneront différentes quantités d'énergie requises; il s'agit simplement d'une approche simplifiée basée sur des principes de base.
L'industrie du taxi volant.Alors, combien d'énergie un véhicule, comme un Volocopter, prendra-t-il pour organiser un vol d'une heure?
En utilisant un coefficient kg / Wh de 0,03 pour résoudre ce problème, nous obtenons que le Volocopter aura besoin de 14 kWh d'énergie.
Souvenez-vous de Tesla, les batteries de la Model S ont une capacité de 85 kWh (6 fois plus que le Volocopter), mais avec un poids de 1 200 lb (545 kg).
Par conséquent, si vous démontez les batteries du Tesla Model S et installez seulement un sixième de leurs cellules sur le Volocopter, cette nouvelle cellule pèsera 200 lb (91 kg), ce qui représentera plus de 20% du poids du Volocopter.
La batterie du Tesla P90D fonctionnera-t-elle dans les taxis urbains? Probablement pas.
LimitationsCe 20% n'est pas très élevé, mais lorsque vous comparez l'énergie de 200 lb (91 kg) de poids (14 kWh ou 50,3 mégajoules) avec l'énergie stockée dans 200 lb (91 kg) de carburant de l'avion Jet-A (4126 mégajoules) , il devient évident que l'utilisation du Jet-A est encore plus rentable en raison de sa densité énergétique extrêmement élevée.
Pour comprendre le calendrier d'ici .
Bien que le carburant d'avion Jet-A soit un carburant moins souhaitable en termes d'impact environnemental, sa densité d'énergie est de loin supérieure à presque toutes les autres sources d'énergie utilisées dans l'aviation civile.
Les avantagesMais cela ne signifie pas qu'actuellement les batteries ne peuvent pas être «assez bonnes».
Heureusement, les développements et innovations aérodynamiques signifient qu'une comparaison de la densité d'énergie avec Jet-A n'est pas nécessaire; Les batteries peuvent être assez bonnes avec une densité d'énergie inférieure, mais avec l'avantage supplémentaire de zéro émission, ce qui est un énorme avantage par rapport aux carburants Jet-A.
Le chiffre magique de 80% mentionné dans la première comparaison de l'applicabilité de la batterie de Tesla à l'industrie UAM est crucial car, en règle générale, réduire le poids de la batterie de seulement 20% peut libérer suffisamment de poids pour augmenter la capacité utile supplémentaire du compartiment à bagages, installer des avioniques supplémentaires et équipement.
Cela réduirait la batterie de 200 lb (91 kg) à 160 lb (73 kg., Jusqu'à 16% du poids total de l'avion) et permettrait à la densité d'énergie d'augmenter d'un tiers, car la diminution du volume pour réduire le poids n'est pas linéairement proportionnelle.
Cette capacité à réduire le poids de la batterie de 20% tout en maintenant une capacité de 80% est la référence pour le développement de nouvelles solutions.
80/20 .
En conclusionDans quelle mesure est-il réaliste de réaliser prochainement une telle réduction du poids de la batterie et une augmentation de la densité d'énergie?
Au rythme actuel de modernisation de la technologie des batteries, il faudra environ 7 ans. Est-ce assez rapide? Beaucoup diront oui, mais une autre question est plus préoccupante: combien de temps faudra-t-il pour améliorer la technologie de la batterie pour atteindre une réduction de poids de 30% et 40% ou progresser au point où la capacité énergétique du Jet-A est comparable?
Les 7 prochaines années deviendront un véritable baromètre de succès, et des démonstrations à petite échelle de nouvelles technologies de batteries dans des situations liées au transport de passagers en ville permettront de sensibiliser le public aux avantages du transport aérien à l'électricité.
En fin de compte, le moment viendra où le seuil de 3% par an dans le développement des batteries sera dépassé, mais seulement après que davantage de chercheurs et de pays auront réalisé les avantages potentiels de ces développements.
Quelque chose de très mélangé dans l'article. Dans cette présentation, il est encore plus clair energy.skolkovo.ru/downloads/documents/SEneC/News/SKOLKOVO_EneC_2018.04.04_Grushevenko.pdf