[Перевод] Почему батареи Tesla не будут работать в аэротакси

Они отлично подходят для автомобилей, но все же не так хороши для городской авиации и аэротакси.

Проект Urban Air Mobility (UAM) является частью европейской инициативы, конечная цель проекта – начало эры летающего такси. Идея состоит в том, чтобы «разгрузить» автомобильные дороги, которых уже давно не хватает в крупных городах. Как ожидается, новая система будет готова для тестирования уже в 2023 году, а к 2025 её планируют ввести в строй.

За последние 20 лет отрасль производства батарей, которые являются важным компонентом для работы многих устройств, является одной из самых медленных в развитии, разработке и эволюции своих элементов. Солнечная энергия, современные материалы и производственные процессы следующего поколения, все это привело к открытию новых идей, успешных кампаний и обеспечило технологический прорыв для создания новых отраслей в промышленности.

Это относится почти ко всему, кроме батарей. Для того, чтобы отрасль городской авиационной доступности удовлетворяла основному принципу экологической устойчивости, технологии развития и модернизации компонентов батарей должны так же выйти на новый виток своего развития.

Итак, почему такая задержка? И как такие компании, как Tesla и Faraday Future, смогли успешно вывести свою продукцию на рынок, несмотря на проблемы, которые заложены в устаревшую технологию производства батарей?

DuFour aEro2: пример концептуального электрического средства передвижения для городской авиации.

Текущее состояние технологии производства батарей.

Чтобы понять, почему проекту городской авиационной мобильности (доступности) потребуется еще 10 лет, чтобы полностью перейти на электричество, следует понимать текущее состояние технологии производства батарей.

Ключевым показателем для любой батареи является плотность энергии — количество энергии, которое может сохраняться в заданном объеме. Чем выше плотность, тем меньше по габаритам потребуется батарея для определенного количества энергии или больше энергии мы сможет сохранять в одном и том же объеме.

Получается, чтобы «оптимизировать» технологию развития батарей, необходимо найти способ максимально увеличить плотность энергии. Однако, в отличие от закона Мура (в котором мощность процессора или функциональных компонентов экспоненциально возрастает со временем), на данных момент в технологии производства батарей увеличение плотности энергии в годовом приближении составляет всего ничего — 3%.

Всего на 3% плотность энергии в батареях увеличивается за целый год.

Существует несколько типов батарей, которые имеют широкое применение в мире — литий-ионные и щелочные. Хотя щелочные батареи до сих пор используется практически во всех бытовых приборах, плотность энергии в них намного ниже, чем у литий-ионных батарей (примерно в 200 раз), но щелочные батареи намного безопаснее в производстве и просты в использовании, чем литий-ионные батареи, тем более последние часто могут воспламеняться с применением ущерба.

Большинство решений для электротранспорта требуют для своей работы большого количества энергии, поэтому сейчас в них всех используются литий-ионные батареи, что позволяет использовать такое преимущество реализации большой плотности энергии в малых объемах, но, с другой стороны, принимает на себя все риски по организации безопасности использования таких решений.

Но плотность энергии Li-Ion все еще слишком низкая; требуемая плотность энергии для организации полноценного электрического полета в авиатранспорте намного выше, чем для обычного электротранспорта, да и разница в весе тут обходится очень дорого.
Конечно, всем миром можно сделать технологии лучше — так почему бы и нет?

Подобные отрасли: Tesla и грузовики.

Компания Tesla (а совсем недавно и Faraday Future) смогли эффективно продавать электромобили, потому что они используют литий-ионные батареи с плотностью энергии около 900 Wh/L или 250 Wh/kg.

Для справки, щелочная батарея типа АА содержит около 4 Wh энергии с соответствующей плотностью энергии 700 Wh/L.

Это сравнение выше показывает, насколько выше плотность энергии литий-ионных батарей по сравнению с энергией щелочных батарей, но все равно количество энергии, требуемое для электромобилей, все еще ошеломляет.

Электромобиль Tesla Model S отличается быстрым ускорением и производительностью, но многие не понимают, что сам автомобиль весит почти на 1000 lbs (454 кг.) больше, чем любой аналогичный седан с двигателем внутреннего сгорания (в основном из-за веса аккумулятора). Плотность энергии около 900 Wh/L — это «достаточно хороший» показатель для применения в автотранспорте, потому что в этой отрасли большие массы еще приемлемы.

Однако, электротранспорт в полете требует минимально возможного веса.

На сколько еще нужно увеличить плотность энергии для того, чтобы батареи стали практическим источником энергии для воздушного транспорта?

Ответ прост: требуется сопоставимая мощность уровня модели Tesla S, но при 80% текущего веса аккумуляторных батарей Tesla (который составляет около 1200 lbs (545 кг.)) — больше о том, как мы пришли к таким данным ниже по тексту.

Для сравнения, Volocopter весит 996 lbs — меньше, чем общий вес аккумуляторных батарей Tesla. К счастью, Volocopter (и другие решения UAM) требуют менее 1200 lbs или 85kWh электроэнергии, но вес по-прежнему остается очень важной характеристикой для данного решения.

Сравнение аккумуляторов — аккумулятор Tesla P90D весит больше, чем весь Volocopter VC200.

Прежде чем мы остановимся на этой конечной цели по возможности обеспечения должного уровня заряда батарей для городской авиационной отрасли, мы обратимся к другой отрасли, знакомой многим: беспилотные летательные аппараты — дроны.

Индустрия производства дронов.

Гибридная индустрия, которая станет мостом между авиацией и электротранспортом — это производство беспилотных летательных аппаратов (дронов). Дроны это немного больше, чем просто набор аккумуляторных батарей с любым количеством бесщеточных электродвигателей, которые крутят небольшие пропеллеры, которые установлены на устройстве; обычно четыре устанавливаются для обеспечения стабильности в полете.

Решения UAM намного больше и сложнее, но физика потребления энергии и затраты, требуемые для поддержания равновесия устройств, в обоих случаях остаются неизменными.

Например, дрон типа DJI Mavic Pro весит 734 грамма и может оставаться в воздухе в течение 31 минуты, используя 46 Wh батарею, что типично для такого небольшого беспилотного летательного аппарата.

Сократив эти статистические данные в одну сопоставимую единицу, например kg/Wh, мы получим значение, равное 0,03.

Это число ничего не значит само по себе, но если вес самолета умножить на желаемое время нахождения в воздухе, то можно получить приблизительную оценку полной требуемой энергии для оценочных расчетов.

Производство и эксплуатация дронов типа DJI Mavic Pro показывает, как будет выглядеть путь от использования батарей и небольших самолетиков с дистанционным управлением до применения решений в городской авиации.

Важное замечание — использование пропеллеров разного размера и определенных допущений в энергосбережении даст в итоге различные количества требуемой энергии; это просто упрощенный подход, основанный на основных принципах.

Индустрия производства летающих такси.

Итак, сколько энергии для транспортного средства, такого как Volocopter, потребуется для организации полета на один час?

Используя коэффициент kg/Wh, равный 0,03 для решения этой задачи, мы получим, что Volocopter будет нуждаться в энергии 14kWh.

Вспомним о Tesla, батареи Model S имеют емкость 85kWh (в 6 раз больше, чем у Volocopter), но при весе 1,200 lbs.

Поэтому, если демонтировать батареи Tesla Model S и только одну шестую их элементов установить на Volocopter, то этот новый элемент будет весить 200 lbs, что составит более 20% от веса Volocopter.

Будет ли батарея Tesla P90D работать в городском авиатакси? Скорее всего, нет.

Ограничения.

Этот показатель в 20% не очень высок, но когда вы сравниваете энергию в 200 lbs веса (14kWh или 50.3 Мегаджоуля) с энергией, запасенной в 200 lbs топлива самолета Jet-A (4126 Мегаджоуля), то становится очевидным, почему использование Jet-A выгоднее до сих пор из-за его чрезвычайно высокой энергетической плотности.

Хотя топливо самолета Jet-A является менее желательным топливом с точки зрения воздействия на окружающую среду, его плотность энергии намного превосходит почти любой другой источник энергии, применяемый в гражданской авиации.

Преимущества.

Но это не означает, что в настоящее время батареи не могут быть «достаточно хорошими».
К счастью, аэродинамические разработки и инновации приводят к тому, что сопоставление плотности энергии с Jet-A не потребуется; батареи могут быть достаточно хороши и с более низкой плотностью энергии, но с дополнительным преимуществом в виде нулевых выбросов, что является огромным преимуществом над топливом Jet-A.

Магическая цифра в 80%, упомянутая в первом сопоставлении применимости батарей Tesla к отрасли UAM, имеет решающее значение, поскольку, как правило, снижение веса только на батарее на 20% может освободить достаточный вес для возможности увеличения дополнительной полезной емкости багажного отсека, установки дополнительной авионики и оборудования.

Это позволило бы уменьшить 200 lbs аккумуляторную батарею до 160 lbs (до 16% от общего веса самолета) и позволяло бы плотности энергии увеличиться на треть, поскольку уменьшение объема для снижения веса не линейно пропорционально.

Такая возможность уменьшения веса батареи на 20% с сохранением 80% емкости, является эталоном для разработки новых решений.
80/20.

В заключении.

Насколько реалистично в скором времени добиться такого снижения веса батарей и увеличение плотности энергии?

При нынешних темпах модернизации технологии батарей это займет около 7 лет. Это достаточно быстро? Многие скажут «да», но больше заботит другой вопрос — сколько времени займет усовершенствование технологии производства батарей для достижения снижения веса на 30% и 40% или прогресса до такой степени, когда энергетическая емкость Jet-A будет сопоставима?

Следующие 7 лет станут настоящим барометром успеха, а небольшие масштабные демонстрации новых технологий аккумуляторных батарей в ситуациях, связанных с перевозкой пассажиров в городах, помогут повысить общую осведомленность о преимуществах воздушных перевозок с помощью электричества.

В конечном счете, наступит время, когда в развитии батарей порог 3% в год будет превзойден, но только после того, как больше исследователей и стран осознают потенциальную выгоду от таких разработок.