वे कारों के लिए महान हैं, लेकिन फिर भी शहर की विमानन और हवाई टैक्सी के लिए इतना अच्छा नहीं है।
अर्बन एयर मोबिलिटी (UAM) परियोजना एक यूरोपीय पहल का हिस्सा है, परियोजना का अंतिम लक्ष्य उड़ान टैक्सी के युग की शुरुआत है। यह विचार "अनलोड" सड़कों का है जो लंबे समय से बड़े शहरों में अभाव में हैं। जैसा कि अपेक्षित था, नई प्रणाली 2023 में पहले से ही परीक्षण के लिए तैयार हो जाएगी, और 2025 तक वे इसे परिचालन में लाने की योजना बनाते हैं।
पिछले 20 वर्षों में, बैटरी उद्योग, जो कई उपकरणों के संचालन के लिए एक महत्वपूर्ण घटक है, अपने तत्वों के विकास, विकास और विकास में सबसे धीमी गति से एक है। सौर ऊर्जा, आधुनिक सामग्री और अगली पीढ़ी की निर्माण प्रक्रियाएँ, इन सबके कारण नए विचारों, सफल अभियानों की खोज हुई और नए उद्योगों के निर्माण के लिए तकनीकी सफलता मिली।
यह बैटरी को छोड़कर लगभग सभी चीजों पर लागू होता है। पर्यावरणीय स्थिरता के मूल सिद्धांत को पूरा करने के लिए शहरी विमानन पहुंच उद्योग के लिए, बैटरी घटकों के विकास और आधुनिकीकरण के लिए प्रौद्योगिकियों को भी अपने विकास के एक नए दौर में प्रवेश करना होगा।
तो इतनी देरी क्यों? और टेस्ला और फैराडे फ्यूचर जैसी कंपनियों ने अपने उत्पादों को बाजार में सफलतापूर्वक लाने में सक्षम होने के बावजूद, उन समस्याओं के बावजूद जो पुरानी बैटरी तकनीक में निहित हैं?
DuFour aEro2: शहरी विमानन के लिए एक वैचारिक इलेक्ट्रिक वाहन का एक उदाहरण।
बैटरी प्रौद्योगिकी की वर्तमान स्थितियह समझने के लिए कि शहरी विमानन गतिशीलता (पहुंच-क्षमता) परियोजना को बिजली पर पूरी तरह से स्विच करने के लिए एक और 10 साल की आवश्यकता होगी, आपको बैटरी तकनीक की वर्तमान स्थिति को समझने की आवश्यकता है।
किसी भी बैटरी के लिए एक प्रमुख संकेतक ऊर्जा घनत्व है - ऊर्जा की मात्रा जो किसी दिए गए वॉल्यूम में संग्रहीत की जा सकती है। उच्च घनत्व, एक निश्चित मात्रा में ऊर्जा के लिए बैटरी की आवश्यकता कम होगी, या हम एक ही मात्रा में अधिक ऊर्जा बचा सकते हैं।
यह पता चला है कि बैटरी के विकास के लिए प्रौद्योगिकी का "अनुकूलन" करने के लिए, ऊर्जा घनत्व को अधिकतम करने का एक तरीका खोजना आवश्यक है। हालांकि, मूर के नियम के विपरीत (जिसमें प्रोसेसर या कार्यात्मक घटकों की शक्ति समय के साथ तेजी से बढ़ती है), वर्तमान में बैटरी उत्पादन की तकनीक में, वार्षिक सन्निकटन में ऊर्जा घनत्व में वृद्धि केवल 3% है।
अनुवादक से: अजीब है, लेकिन यहाँ मुझे ऐसा शेड्यूल मिला
बस 3% से, बैटरी में ऊर्जा घनत्व पूरे वर्ष में बढ़ जाता हैकई प्रकार की बैटरी हैं जो दुनिया में व्यापक रूप से उपयोग की जाती हैं - लिथियम-आयन और क्षारीय। यद्यपि अल्कलाइन बैटरियों का उपयोग अभी भी लगभग सभी घरेलू उपकरणों में किया जाता है, उनकी ऊर्जा घनत्व लिथियम-आयन बैटरियों (लगभग 200 बार) की तुलना में बहुत कम है, लेकिन एल्कलाइन बैटरियों का निर्माण लिथियम-आयन बैटरियों की तुलना में अधिक सुरक्षित और उपयोग में आसान है। इसलिए, बाद वाले को अक्सर नुकसान के साथ प्रज्वलित किया जा सकता है।
इलेक्ट्रिक वाहनों के अधिकांश समाधानों में अपने काम के लिए बड़ी मात्रा में ऊर्जा की आवश्यकता होती है, इसलिए अब वे सभी लिथियम-आयन बैटरी का उपयोग करते हैं, जिससे छोटे वॉल्यूम में एक बड़े ऊर्जा घनत्व की प्राप्ति का लाभ उठाना संभव हो जाता है, लेकिन दूसरी ओर, सुरक्षा के लिए सभी जोखिमों को स्वीकार करता है इस तरह के समाधान का उपयोग।
लेकिन लिथियम आयन बैटरी की ऊर्जा घनत्व अभी भी बहुत कम है; हवाई परिवहन में एक पूर्ण विद्युत उड़ान के आयोजन के लिए आवश्यक ऊर्जा घनत्व पारंपरिक इलेक्ट्रिक परिवहन की तुलना में बहुत अधिक है, और यहां वजन में अंतर बहुत महंगा है।
बेशक, पूरी दुनिया प्रौद्योगिकी को बेहतर बना सकती है - तो क्यों नहीं?
इसी तरह के उद्योग: टेस्ला और ट्रकटेस्ला (और हाल ही में, फैराडे फ्यूचर) इलेक्ट्रिक कारों को प्रभावी रूप से बेचने में सक्षम था क्योंकि वे लिथियम आयन बैटरी का उपयोग लगभग 900 Wh / L या 250 Wh / kg के घनत्व के साथ करते हैं।
संदर्भ के लिए, एक एए क्षारीय बैटरी में लगभग 4 ऊर्जा होती है, जिसकी ऊर्जा घनत्व 700 Wh / L होती है।
यहाँ एक मिसमैच भी है, लेकिन इस तरह से मूल में: [1] संदर्भ के लिए, एक अल्कलीन AA बैटरी 700W / L की इसी ऊर्जा घनत्व के साथ लगभग 4 ऊर्जा का [2] रखती है।
हालाँकि, Google ने डेटा पाया: क्षारीय बैटरी की ऊर्जा घनत्व 45-80 W * h / kg है।
उपरोक्त तुलना यह दर्शाती है कि क्षारीय बैटरी की ऊर्जा की तुलना में लिथियम-आयन बैटरी का ऊर्जा घनत्व कितना अधिक है, लेकिन फिर भी इलेक्ट्रिक वाहनों के लिए आवश्यक ऊर्जा की मात्रा अभी भी डगमगा रही है।
टेस्ला मॉडल एस इलेक्ट्रिक कार को तेज त्वरण और प्रदर्शन की विशेषता है, लेकिन कई लोग यह नहीं समझते हैं कि कार का वजन लगभग 1000 पाउंड (454 किलोग्राम) है। आंतरिक दहन इंजन (मुख्य रूप से बैटरी के वजन के कारण) के साथ किसी भी समान सेडान से अधिक। लगभग 900 Wh / L की ऊर्जा घनत्व वाहनों में उपयोग के लिए एक "अच्छा पर्याप्त" संकेतक है, क्योंकि इस उद्योग में बड़े पैमाने पर अभी भी स्वीकार्य हैं।
हालांकि, उड़ान में इलेक्ट्रिक परिवहन के लिए सबसे कम संभव वजन की आवश्यकता होती है।
वायु परिवहन के लिए ऊर्जा का व्यावहारिक स्रोत बनने के लिए आपको बैटरी के लिए ऊर्जा घनत्व को बढ़ाने की कितनी आवश्यकता है?
उत्तर सरल है: आपको टेस्ला एस मॉडल के एक तुलनीय शक्ति स्तर की आवश्यकता है, लेकिन टेस्ला बैटरी के वर्तमान वजन का 80% (जो कि लगभग 1200 पाउंड (545 किलोग्राम) है)) के साथ - पाठ में नीचे इस तरह के डेटा के बारे में अधिक जानकारी दी गई है।
इसकी तुलना में, वोल्कॉप्टर का वजन 996 पाउंड (452 किलोग्राम) है - जो टेस्ला बैटरी के कुल वजन से कम है। सौभाग्य से, वोलोकॉप्टर (और अन्य यूएएम समाधान) को 1200 एलबीएस (545 किलोग्राम) से कम या 85 किलोवाट बिजली की आवश्यकता होती है, लेकिन इस समाधान के लिए वजन अभी भी एक बहुत महत्वपूर्ण विशेषता है।
बैटरी तुलना - टेस्ला P90D की बैटरी पूरे Volocopter VC200 से ज्यादा वजनी है।
इससे पहले कि हम शहरी विमानन उद्योग के लिए बैटरी चार्ज के उचित स्तर को सुनिश्चित करने के इस अंतिम लक्ष्य पर ध्यान केंद्रित करें, हम एक और उद्योग से परिचित हो जाएंगे: मानव रहित हवाई वाहन - ड्रोन।
ड्रोन निर्माण उद्योगएक हाइब्रिड उद्योग जो विमानन और विद्युत परिवहन के बीच एक पुल बन जाएगा, मानव रहित हवाई वाहनों (ड्रोन) का उत्पादन है। ड्रोन किसी भी संख्या में ब्रशलेस इलेक्ट्रिक मोटर्स के साथ बैटरी के एक सेट से थोड़ा अधिक हैं जो डिवाइस पर स्थापित छोटे प्रोपेलर को स्पिन करते हैं; उड़ान में स्थिरता सुनिश्चित करने के लिए आमतौर पर चार स्थापित किए जाते हैं।
यूएएम समाधान बहुत बड़े और अधिक जटिल हैं, लेकिन ऊर्जा खपत की भौतिकी और उपकरणों के संतुलन को बनाए रखने के लिए आवश्यक लागत दोनों मामलों में अपरिवर्तित रहते हैं।
उदाहरण के लिए, डीजेआई मविक प्रो-प्रकार के ड्रोन का वजन 734 ग्राम है और यह 46 Wh बैटरी का उपयोग करके 31 मिनट तक हवा में रह सकता है, जो इस तरह के एक छोटे मानव रहित हवाई वाहन की विशेषता है।
इन आंकड़ों को एक तुलनीय इकाई के लिए कम करके, उदाहरण के लिए किलो / Wh, हमें 0.03 का मान मिलता है।
इस संख्या का अपने आप में कोई मतलब नहीं है, लेकिन यदि आप हवा में बिताए गए वांछित समय से विमान के वजन को गुणा करते हैं, तो आप अनुमानित गणनाओं के लिए कुल आवश्यक ऊर्जा का अनुमानित अनुमान प्राप्त कर सकते हैं।
डीजेआई मविक प्रो जैसे ड्रोन के उत्पादन और संचालन से पता चलता है कि शहरी नियंत्रण में समाधान के लिए रिमोट कंट्रोल के साथ बैटरी और छोटे हवाई जहाज का उपयोग करने से मार्ग कैसा दिखेगा।
एक महत्वपूर्ण नोट - विभिन्न आकारों के प्रोपेलर के उपयोग और ऊर्जा संरक्षण में कुछ मान्यताओं के परिणामस्वरूप विभिन्न मात्रा में ऊर्जा की आवश्यकता होगी; यह बुनियादी सिद्धांतों पर आधारित एक सरलीकृत दृष्टिकोण है।
फ्लाइंग टैक्सी उद्योग।तो, एक वोलोकॉप्टर जैसे वाहन, एक घंटे की उड़ान को व्यवस्थित करने के लिए कितनी ऊर्जा लेंगे?
इस समस्या को हल करने के लिए 0.03 किलोग्राम के एक गुणांक का उपयोग करते हुए, हम पाते हैं कि वोलोकॉप्टर को 14kWh ऊर्जा की आवश्यकता होगी।
टेस्ला याद रखें, मॉडल एस बैटरी की क्षमता 85kWh (वोल्कॉप्टर से 6 गुना अधिक) है, लेकिन 1,200 पाउंड (545 किलोग्राम) के वजन के साथ।
इसलिए, यदि आप टेस्ला मॉडल एस बैटरी को विघटित करते हैं और वोलोकॉप्टर पर अपनी कोशिकाओं का केवल एक छठा स्थापित करते हैं, तो इस नए सेल का वजन 200 पाउंड (91 किलोग्राम) होगा, जो कि वोलोकॉप्टर के वजन का 20% से अधिक होगा।
क्या टेस्ला P90D बैटरी शहरी टैक्सी कैब में काम करेगी? सबसे अधिक संभावना नहीं है।
प्रतिबंधयह 20% बहुत अधिक नहीं है, लेकिन जब आप जेट-ए विमान (4126 मेगाजुल) के ईंधन के 200 एलबीएस (91 किलोग्राम) में संग्रहीत ऊर्जा के साथ 200 एलबीएस (91 किग्रा।) वजन की ऊर्जा (14kWh या 50.3 मेगाजूल) की तुलना करते हैं। , यह स्पष्ट हो जाता है कि जेट-ए का उपयोग इसके अत्यधिक ऊर्जा घनत्व के कारण अभी भी अधिक लाभदायक है।
यहां से अनुसूची को समझने के लिए।
यद्यपि जेट-ए विमान ईंधन पर्यावरणीय प्रभाव के मामले में एक कम वांछनीय ईंधन है, लेकिन इसका ऊर्जा घनत्व नागरिक उड्डयन में उपयोग किए जाने वाले किसी भी अन्य ऊर्जा स्रोत से कहीं अधिक बेहतर है।
लाभलेकिन इसका मतलब यह नहीं है कि वर्तमान में बैटरी "काफी अच्छी" नहीं हो सकती है।
सौभाग्य से, वायुगतिकीय विकास और नवाचारों का मतलब है कि जेट-ए के साथ ऊर्जा घनत्व की तुलना की आवश्यकता नहीं है; कम ऊर्जा घनत्व के साथ बैटरियां काफी अच्छी हो सकती हैं, लेकिन शून्य उत्सर्जन के अतिरिक्त लाभ के साथ, जो जेट-ए ईंधन पर एक बड़ा लाभ है।
यूएएम उद्योग में टेस्ला की बैटरी प्रयोज्यता की पहली तुलना में वर्णित 80% जादू का आंकड़ा महत्वपूर्ण है क्योंकि, एक नियम के रूप में, केवल 20% बैटरी पर वजन कम करने से सामान डिब्बे की अतिरिक्त उपयोगी क्षमता बढ़ाने के लिए पर्याप्त वजन बढ़ा सकते हैं, अतिरिक्त एवियोनिक्स स्थापित कर सकते हैं। और उपकरण।
यह 200 पाउंड (91 किग्रा।) बैटरी को घटाकर 160 पाउंड (73 किग्रा।, विमान के कुल वजन का 16% तक) को कम कर देगा और ऊर्जा घनत्व को एक तिहाई तक बढ़ाने की अनुमति देगा, क्योंकि वजन कम करने के लिए मात्रा में कमी रैखिक अनुपातिक नहीं है।
80% क्षमता को बनाए रखते हुए बैटरी वजन को 20% तक कम करने की यह क्षमता नए समाधानों के विकास के लिए मानदंड है।
80/20 ।
निष्कर्ष मेंबैटरी के वजन में इतनी कमी और ऊर्जा घनत्व में वृद्धि जल्द ही कितना यथार्थवादी है?
बैटरी तकनीक के आधुनिकीकरण की वर्तमान गति में, लगभग 7 साल लगेंगे। क्या यह काफी तेज है? कई लोग हाँ कहेंगे, लेकिन एक और सवाल अधिक चिंतित है: जेट-ए की ऊर्जा क्षमता तुलनीय है, इस बिंदु पर 30% और 40% वजन में कमी या प्रगति हासिल करने के लिए बैटरी तकनीक में सुधार करने में कितना समय लगेगा?
अगले 7 वर्षों में सफलता का एक वास्तविक बैरोमीटर बन जाएगा, और शहरों में यात्रियों की गाड़ी से संबंधित स्थितियों में नई बैटरी प्रौद्योगिकियों के छोटे पैमाने पर प्रदर्शन बिजली का उपयोग करके हवाई परिवहन के लाभों के बारे में सामान्य जागरूकता बढ़ाने में मदद करेंगे।
अंततः, वह समय आएगा जब बैटरी विकास में प्रति वर्ष 3% की सीमा पार हो जाएगी, लेकिन अधिक शोधकर्ताओं और देशों को इस तरह के विकास के संभावित लाभों का एहसास होने के बाद ही।
लेख में बहुत कुछ मिला हुआ है। इस प्रस्तुति में, यह और भी अधिक स्पष्ट ऊर्जा है ।skolkovo.ru/downloads/documents/SEneC/News/SKOLKOVO_EneC_2018.04.04_Grushevenko.pdf