Проблеми розвитку: чому акумулятори все ще не замінили гас в авіагалузі?

Останні 20 років технології акумуляції електроенергії розвиваються дуже повільними темпами. І це сильно гальмує розвиток сонячної енергетики, інноваційних транспортних засобів та інших інноваційних галузей, пише видання Medium.
Для того, щоб індустрія міських аеромобільних засобів (насамперед, аеротаксі) змогла перейти на електричну енергію, технології створення батарей повинні просунутися далеко вперед. І чому ж компанії типу Tesla і Faraday Future все ж таки змогли вивести свою продукцію на ринок, незважаючи на безглуздість акумуляторних технологій?
Поточний стан розвитку акумуляторних технологій
Щоб зрозуміти, чому індустрія міських аеромобільних коштів ще мінімум 10 років не зможе перейти на електричне живлення, слід проаналізувати ситуацію з розвитком акумуляторних батарей. Ключовим показником для будь-якого акумулятора є щільність енергії — тобто кількість енергії, яку можна зберігати в певному обсязі. Чим вище щільність, тим менше розміри батареї, необхідної для збереження певного обсягу енергії. Щоб «оптимізувати» акумуляторні технології, щільність енергії повинна бути максимально збільшена. Однак, на відміну від закону Мура (згідно з яким продуктивність процесорів росте експоненціально за певний період часу), дослідникам вдається збільшити продуктивність акумуляторів щороку лише на 3%.
Сьогодні широко поширені 2 типу батарей — іонно-літієві (Li-Ion) і лужні (Alkaline). Хоча alkaline-технологія використовується при виробництві практично всіх побутових батарейок, щільність енергії в них набагато нижче, ніж у Li-Ion. У той же час лужні батареї більш безпечні в порівнянні з літій-іонними, адже останні мають тенденцію вибухати при неправильній експлуатації. Втім для більшості електричних транспортних засобів потрібні великі обсяги енергії, тому практично всі вони використовують літій-іонні батареї, хоча це і ризиковано. І щільність енергії Li-Ion все ще занадто низька; для літальних транспортних засобів цей показник повинен бути набагато вище, оскільки в них є суворі обмеження по вазі. Так як вирішити цю проблему?
Електричний транспорт: Tesla та інші
Компанія Tesla (а з наступного року і Faraday Future) змогла вивести на ринок свої електричні транспортні засоби, оскільки використовувала літій-іонні акумулятори з щільністю енергії приблизно 900 Вт-г/л або 250 Вт-ч/кг, У той же час, звичайна лужна батарея формату АА містить близько 4 Вт енергії, відповідно її щільність енергії становить 700 Вт-г/л. Хоча літій-іонні акумулятори є більш ефективними, порівняно з лужними батареями, кількість енергії, необхідної для електричного транспортного засобу, повинно бути набагато більшим. Tesla Model S може похвалитися швидким прискоренням і потужністю, але сам автомобіль важить майже на 450 кг більше, ніж аналогічний седан з двигуном внутрішнього згоряння (в основному внаслідок великої ваги акумуляторів).
Енергетична щільність 900 Вт-год/л є прийнятною для автомобіля, який переміщується по дорозі, оскільки зайва вага тут не має критичного значення. Однак електричний транспортний засіб під час польоту дуже критично до ваги. Наскільки необхідно збільшити щільність енергії батарей, щоб вони стали реальним джерелом енергії для электрокоптера? Відповідь проста: вага акумуляторів має зменшитися на 20% при ідентичних показниках енергоефективності. Для порівняння, перше аеротаксі Volocopter важить 448 кг — це менше, ніж загальна вага акумуляторів Tesla. На щастя, для Volocopter (і інших подібних вертольотів з електричним приводом) потрібно набагато менше енергії, ніж 85 кВт-год, а вага все одно є дуже критичним показником.
Перш ніж ми розглянемо кінцеву мету застосування енергії акумулятора в міському авіаційної промисловості, звернемося до іншої індустрії, яка знайома багатьом: компактні безпілотники (квадро – і октакоптери).
Індустрія дронов
Рекреаційний спорт — це фактично гібридна індустрія, що забезпечує міст між авіаційним та електричним транспортом. Дрони оснащені певною кількістю безконтактних електродвигунів, що крутять невеликі пропелери в кожному куті пристрою; найчастіше для підтримки стабільності використовуються чотири пропелери. По своїй масі вони не набагато важче, ніж самі акумуляторні батареї. Аеромобільний транспорт значно більше і складніше, але фізичний розрахунок енергії, необхідної для того, щоб залишитися в повітрі, є однаковим в обох випадках. Наприклад, DJI Mavic Pro важить 734 м і може залишатися в повітрі протягом 31 хвилини завдяки акумулятору потужністю 46 Вт-год, що є типовою характеристикою для невеликого дрона. Якщо вивести пропорцію маси та енергетичної ємності, то отримуємо для дрона цифру 0,03. Це число само по собі мало що значить, але якщо помножити вагу літального апарату на бажаний час, то можна отримати приблизну оцінку загальної необхідної енергії.
Важлива примітка – використання різних розмірів пропелерів і технологій акумулювання енергії дадуть різну кількість необхідної енергії; це просто спрощений принциповий підхід.
Розрахунок для аеромобільних коштів
Так який запас енергії потрібен транспортному засобу, такого як Volocopter VC200, щоб утриматися в повітрі протягом однієї години? Використовуючи коефіцієнт 0,03 кг/Вт-м для вирішення задачі, отримаємо цифру в 14 кВт-ч. Tesla Model S має потужність 85 кВт-год (в 6 разів більше, ніж потрібно для Volocopter), але маса батарей дорівнює 450 кг. Таким чином, якщо одну шосту частину акумуляторного блоку Model S встановити на аеромобільний транспортний засіб, ми отримаємо 90 кг, тобто близько 20% від усієї маси мультикоптер.
Акумуляторний блок вагою 90 кг — це не надто багато, але коли ви порівнюєте запас енергії, що зберігається в 90 кг акумуляторів (14 кВт/год або 50,3 мегаджоулів) із запасом енергії, що містить 90 кг авіаційного гасу (4126 мегаджоулів), то відразу стає очевидним, що авіаційний гас домінував стільки років у аэроиндустрии завдяки надзвичайно високому вмісту енергії.
Перспективи впровадження электроавиации
Але низька щільність ще не означає, що акумуляторні батареї не можуть застосовуватися в якості джерела енергії. На щастя, інновації у сфері літакобудування призвели до того, що така щільність енергії, як в авіаційному гасі, не потрібна; тому акумулятори все ж можна успішно використовувати для літальних апаратів. До того ж вони мають нульові викиди шкідливих речовин, що є величезною перевагою в порівнянні з авіаційним гасом. Магічна цифра 20%, згадана на початку статті, є дуже важливою, оскільки в цілому зниження ваги акумуляторної батареї на 20% дозволить знизити масу акумуляторного блоку для Volocopter до 70 кг (або 16% від загальної маси мультикоптер) і забезпечити можливості для установки додаткових акумуляторних блоків, місця для багажу або апаратури для авіоніки. Тому зменшення ваги батарей на 20% при ідентичному запасі енергії (до того ж сам розмір батарей не обов’язково повинна зменшуватися на ті ж 20%) — є метою розвитку індустрії.
Наскільки реально досягти такого зменшення ваги або збільшення щільності енергії? При нинішній швидкості розвитку індустрії для цього потрібно близько 7 років. Але коли збільшення щільності енергії в батареях досягне 30% або 40%, або навіть показника, порівнянного з енергетичною потужністю авіагасу? Наступні 7 років стануть справжнім барометром прогресу. Втім точкові демонстрації акумуляторних технологій серед спеціалістів, які керують розвитком сегмента міських аеромобільних транспортних засобів, допоможуть підвищити їх обізнаність про переваги електричного повітряного транспорту. Зрештою, прогрес у розвитку індустрії акумуляторів здатний перевищити 3% в рік тільки тоді, коли до цієї тематики буде прикута увага глобальної аудиторії.