Eles são ótimos para carros, mas ainda não são tão bons para a aviação da cidade e o táxi aéreo.
O projeto Urban Air Mobility (UAM) faz parte de uma iniciativa europeia, o objetivo final do projeto é o início da era do táxi voador. A idéia é "descarregar" as estradas que há muito falta nas grandes cidades. Como esperado, o novo sistema estará pronto para teste já em 2023 e, até 2025, eles planejam colocá-lo em operação.
Nos últimos 20 anos, a indústria de baterias, que é um componente importante para a operação de muitos dispositivos, é uma das mais lentas no desenvolvimento, desenvolvimento e evolução de seus elementos. Energia solar, materiais modernos e processos de fabricação da próxima geração, tudo isso levou à descoberta de novas idéias, campanhas bem-sucedidas e proporcionou um avanço tecnológico para a criação de novas indústrias.
Isso se aplica a quase tudo, exceto às baterias. Para que o setor de acessibilidade da aviação urbana satisfaça o princípio básico da sustentabilidade ambiental, as tecnologias para o desenvolvimento e a modernização dos componentes da bateria também devem entrar em uma nova rodada de desenvolvimento.
Então, por que esse atraso? E como empresas como Tesla e Faraday Future conseguiram levar seus produtos ao mercado com sucesso, apesar dos problemas inerentes à tecnologia de bateria desatualizada?
DuFour aEro2: Um exemplo de veículo elétrico conceitual para a aviação urbana.
Estado atual da tecnologia da bateriaPara entender por que o projeto de mobilidade da aviação urbana (acessibilidade) precisará de mais 10 anos para mudar completamente para a eletricidade, você precisa entender o estado atual da tecnologia de baterias.
Um indicador chave para qualquer bateria é a densidade de energia - a quantidade de energia que pode ser armazenada em um determinado volume. Quanto maior a densidade, menor será a bateria necessária para uma certa quantidade de energia ou podemos economizar mais energia no mesmo volume.
Acontece que, para "otimizar" a tecnologia para o desenvolvimento de baterias, é necessário encontrar uma maneira de maximizar a densidade de energia. No entanto, diferentemente da lei de Moore (na qual a potência do processador ou dos componentes funcionais aumenta exponencialmente com o tempo), no momento na tecnologia de produção de baterias, o aumento na densidade de energia na aproximação anual é de apenas 3%.
Do tradutor: estranho, mas aqui encontrei um cronograma
Apenas 3%, a densidade de energia das baterias aumenta ao longo do anoExistem vários tipos de baterias que são amplamente usadas no mundo - íons de lítio e alcalinos. Embora as baterias alcalinas ainda sejam usadas em quase todos os eletrodomésticos, sua densidade de energia é muito menor que a das baterias de íon de lítio (cerca de 200 vezes), mas as baterias alcalinas são muito mais seguras de fabricar e mais fáceis de usar do que as baterias de íon de lítio. quanto mais, o último pode ser inflamado com danos.
A maioria das soluções para veículos elétricos exige uma grande quantidade de energia para seu trabalho; agora, todas elas usam baterias de íon-lítio, o que possibilita tirar proveito da realização de uma grande densidade de energia em pequenos volumes, mas, por outro lado, assume todos os riscos para organizar a segurança. uso de tais soluções.
Mas a densidade de energia das baterias de íon-lítio ainda é muito baixa; a densidade de energia necessária para organizar um voo elétrico completo no transporte aéreo é muito maior do que no transporte elétrico convencional, e a diferença de peso aqui é muito cara.
Obviamente, o mundo inteiro pode melhorar a tecnologia - então, por que não?
Indústrias similares: Tesla e caminhõesA Tesla (e, mais recentemente, a Faraday Future) conseguiu vender efetivamente carros elétricos porque eles usam baterias de íons de lítio com uma densidade de energia de cerca de 900 Wh / L ou 250 Wh / kg.
Para referência, uma bateria alcalina AA contém cerca de 4 Wh de energia com uma densidade de energia correspondente de 700 Wh / L.
Há também uma incompatibilidade aqui, mas no original como este: [1] Para referência, uma bateria alcalina AA contém cerca de 4 Wh de energia [2] com uma densidade de energia correspondente de 700Wh / L.
Embora o Google tenha encontrado os dados: a densidade de energia das baterias alcalinas é de 45 a 80 W * h / kg.
Essa comparação acima mostra quanto maior a densidade de energia das baterias de íons de lítio é comparada à energia das baterias alcalinas, mas ainda assim a quantidade de energia necessária para veículos elétricos ainda é impressionante.
O carro elétrico Tesla Model S é caracterizado por aceleração e desempenho rápidos, mas muitos não entendem que o carro em si pesa quase 454 kg. Mais do que qualquer sedan semelhante a um motor de combustão interna (principalmente devido ao peso da bateria). Uma densidade energética de cerca de 900 Wh / L é um indicador "bom o suficiente" para uso em veículos, porque nesta indústria grandes massas ainda são aceitáveis.
No entanto, o transporte elétrico em voo requer o menor peso possível.
Quanto mais você precisa para aumentar a densidade de energia para que as baterias se tornem uma fonte prática de energia para o transporte aéreo?
A resposta é simples: você precisa de um modelo comparável de nível de potência Tesla S, mas com 80% do peso atual das baterias Tesla (que é de cerca de 545 kg) - mais sobre como chegamos a esses dados abaixo.
Em comparação, o Volocopter pesa 996 libras (452 kg.) - menos do que o peso total das baterias Tesla. Felizmente, o Volocopter (e outras soluções UAM) exigem menos de 545 kg (1200 lb) ou 85 kWh de eletricidade, mas o peso ainda é um recurso muito importante para esta solução.
Comparação de baterias - A bateria Tesla P90D pesa mais do que todo o Volocopter VC200.
Antes de insistirmos nesse objetivo final de garantir o nível adequado de carga da bateria para a indústria da aviação urbana, nos voltaremos para outra indústria familiar para muitos: veículos aéreos não tripulados - drones.
Indústria de fabricação de dronesUma indústria híbrida que se tornará uma ponte entre a aviação e o transporte elétrico é a produção de veículos aéreos não tripulados (drones). Os drones são um pouco mais do que apenas um conjunto de baterias com qualquer número de motores elétricos sem escova que giram nas pequenas hélices instaladas no dispositivo; geralmente quatro são instalados para garantir a estabilidade em vôo.
As soluções UAM são muito maiores e mais complexas, mas a física do consumo de energia e os custos necessários para manter o equilíbrio dos dispositivos permanecem inalterados nos dois casos.
Por exemplo, um drone DJI Mavic Pro pesa 734 gramas e pode permanecer no ar por 31 minutos usando uma bateria de 46 Wh, o que é típico de um veículo aéreo não tripulado tão pequeno.
Ao reduzir essas estatísticas para uma unidade comparável, por exemplo kg / Wh, obtemos um valor de 0,03.
Esse número não significa nada em si, mas se você multiplicar o peso da aeronave pelo tempo desejado no ar, poderá obter uma estimativa aproximada da energia total necessária para os cálculos estimados.
A produção e operação de drones como o DJI Mavic Pro mostra como será o caminho, usando baterias e pequenos aviões com controle remoto e aplicando soluções na aviação urbana.
Uma observação importante - o uso de hélices de diferentes tamanhos e certas suposições na conservação de energia resultará em diferentes quantidades de energia necessárias; é simplesmente uma abordagem simplificada baseada em princípios básicos.
Indústria de táxi voador.Então, quanta energia um veículo, como um Volocopter, levará para organizar um voo de uma hora?
Usando um coeficiente de kg / Wh de 0,03 para resolver esse problema, concluímos que o Volocopter precisará de 14kWh de energia.
Lembre-se de que as baterias Tesla, modelo S, têm uma capacidade de 85kWh (6 vezes mais que o Volocopter), mas com um peso de 545 kg.
Portanto, se você desmontar as baterias Tesla Modelo S e instalar apenas um sexto de suas células no Volocopter, essa nova célula pesará 91 kg. (200 libras), o que representará mais de 20% do peso do Volocopter.
A bateria do Tesla P90D funcionará em táxis urbanos? Provavelmente não.
LimitaçõesEsses 20% não são muito altos, mas quando você compara a energia de 91 kg. De peso (14kWh ou 50,3 Megajoules) com a energia armazenada em 91 kg. De combustível da aeronave Jet-A (4126 Megajoules) , fica óbvio por que o uso do Jet-A ainda é mais lucrativo devido à sua densidade de energia extremamente alta.
Para entender a programação daqui .
Embora o combustível para aeronaves Jet-A seja um combustível menos desejável em termos de impacto ambiental, sua densidade energética é muito superior a quase qualquer outra fonte de energia usada na aviação civil.
Os benefíciosMas isso não significa que atualmente as baterias não podem ser "boas o suficiente".
Felizmente, desenvolvimentos e inovações aerodinâmicos significam que não é necessária uma comparação da densidade de energia com o Jet-A; As baterias podem ser boas o suficiente com uma densidade de energia mais baixa, mas com o benefício adicional de zero emissão, o que é uma enorme vantagem sobre os combustíveis Jet-A.
A figura mágica de 80% mencionada na primeira comparação da aplicabilidade da bateria da Tesla à indústria de UAM é crucial porque, como regra, reduzir o peso da bateria em apenas 20% pode liberar peso suficiente para aumentar a capacidade útil adicional do compartimento de bagagem, instalar aviônicos adicionais. e equipamentos.
Isso reduziria a bateria de 91 kg (200 libras) para 73 kg (160 kg), até 16% do peso total da aeronave) e permitiria aumentar a densidade de energia em um terço, uma vez que a diminuição no volume para reduzir o peso não é linearmente proporcional.
Essa capacidade de reduzir o peso da bateria em 20%, mantendo 80% da capacidade, é a referência para o desenvolvimento de novas soluções.
80/20 .
Em conclusãoQuão realista é alcançar em breve uma redução no peso da bateria e um aumento na densidade de energia?
No ritmo atual de modernização da tecnologia de baterias, levará cerca de 7 anos. É rápido o suficiente? Muitos dirão que sim, mas outra pergunta é mais preocupante: quanto tempo levará para melhorar a tecnologia das baterias para obter redução de 30% e 40% no peso ou progresso até o ponto em que a capacidade de energia do Jet-A é comparável?
Os próximos 7 anos se tornarão um verdadeiro barômetro de sucesso, e demonstrações em pequena escala de novas tecnologias de bateria em situações relacionadas ao transporte de passageiros nas cidades ajudarão a aumentar a conscientização geral sobre os benefícios do transporte aéreo que usa eletricidade.
Finalmente, chegará o momento em que o limite de 3% ao ano no desenvolvimento de baterias será excedido, mas somente depois que mais pesquisadores e países perceberem os benefícios potenciais de tais desenvolvimentos.
Algo muito misto no artigo. Nesta apresentação, é ainda mais claro energy.skolkovo.ru/downloads/documents/SEneC/News/SKOLKOVO_EneC_2018.04.04_Grushevenko.pdf