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电动飞机是航空业的未来吗

上周看到了一个相当不寻常的飞行计划。挪威交通部长及其主要机场运营商Avinor的首席实行官在一架小型双人飞机上快速绕过奥斯陆机场。不起眼 – 除了Alpha Electro II这架飞机完全由电池供电。

电动飞机的兴起标志着航空革命的开始

对于制造Alpha Electro II的斯洛文尼亚企业Avinor和Pipistrel来说,这只是航空革命的开始:电动飞机的兴起。挪威的目标是到2040年使用电动飞机进行所有短途飞行,持续时间不到1.5小时。它们不是唯一的:空客,波音和劳斯莱斯是投资研发的企业之一。原则上,电动飞机具有电动汽车的所有优点。它们更安静,更高效,而且至关重要的是,电力可以在不使用化石燃料的情况下重新产生。全球航空目前占碳排放量的2.5%,但这是一个非常稳固的2.5%,预计随着未来20年乘客数量翻倍而增长。航空业一直在努力直接减少化石燃料的使用,并不得不接受通过植树来抵消排放增加的承诺。

电动飞机能否走得太远?

如果挪威实现其目标,它将扩大该国在电气化方面令人印象深刻的记录; 2017年销售的新车中有一半以上是电动车,政府计划到2025年停止销售化石燃料动力车。与机动车早期试验涉及电动和汽油动力车辆的方式大致相同,电动飞行也有着悠久的历史。1900年,电动汽车占所有汽车销量的三分之一,这些数字现在才开始在挪威这样的国家进行匹配。几架飞艇是电动的,1883年的Tissandier兄弟在莱特兄弟的滑翔机降落之前飞行了一个电动飞船。然而,电动飞机是一个非常不同的主张。关键问题是能量密度。不难看出为什么这是一个问题。喷气燃料的能量密度约为43 MJ / kg,即12,000 Wh / kg,几乎是煤的两倍,是木材的三倍。相比之下,这款传统铅酸蓄电池的能量密度约为30 Wh / kg。这是至关重要的,因为飞机燃料的重量是决定其范围的重要参数。燃料占典型长途喷气机总重量的约45%,因此从喷气燃料转换为需要400倍质量来储存相同能量的电池是不切实际的。使用更高效的发动机,您可以进一步行驶 – 但不足以弥补燃油重量增加400%。出于这个原因,第一架电动飞机直到1973年首次发明镍镉电池才开始飞行 – 电动飞机的任何未来发展都将与大家制造具有更高能量密度的更好电池的能力密切相关。那次飞行是在1973年,它持续了八到十五分钟。好的,所以第一次莱特兄弟的飞行在不到一分钟的时间里就结束了,但那是70年前的事。像斯图加特大学开发的e-Genius这样的轻型原型飞机现在可以飞行几个小时,或者距离大约400公里,但只携带两名机组人员,不太可能很快取代所有短途飞行。

电动飞机

挪威的电动飞机电池使用约120公斤的特制锂聚合物电池,其中包含约21kWh的能量。这相当于约175Wh / kg的能量密度。这比特斯拉 Model S略高,后者以157Wh / kg的速度运转,但仍然远不及喷气燃料。这就是电动汽车和电动飞机与现有电池技术之间的区别。是的,特斯拉的汽车可能比燃油驱动的汽车稍微重一些,但它们的汽油范围可与汽油车相媲美(Model S为335英里,平均为375英里,加油量为15加仑)。电动飞机的行驶距离几乎没有,或者几乎与其燃料对应物的重量相当 – 并且飞机主要用于在很长的距离上运载许多乘客。挪威2040年的短程航班目标似乎很乐观。

电动飞行需要什么才能实现?

由于电动机效率的提高,电池得到了提升 – 它们的效率提高了三倍,并且通过相同的因素减少了给定性能所需的电池质量。引导阿贡交通运输研究中心的Don Hillebrand建议1,000Wh / kg足以开始考虑通电短途航班。这比现代技术提高了六倍。引用WIRED,他说,“1,000 Wh / kg的数字大约相当于汽油能量密度的三分之一,但这已足够。按照大家目前的创新步伐,并考虑动力系统效率的相对差异,大家可以期待电池能够足够好地为实际用途的小型飞机提供动力。电池能量密度目前每年稳定增长7%至8%,但业内许多人认为大家正在接近锂离子电池在理论上可以达到的极限 – 这个限制很可能在大家达到目标之前很久就会到来。短途航班的临界门槛。锂离子电池可能足以让汽车通电,但大家使用的电池的另一个改变,就像20世纪70年代允许第一架电动飞机起飞的电池一样,将需要实现短距离通电的梦想航班成为现实。

不同的电池化学成分始终是活跃的研究领域。

原型钠离子阴极已经证明能量密度为650Wh / kg,镁离子电池由于其理论上更高的能量密度限制(750Wh / kg报道)已经研究多年。从周围环境氧气中汲取一些能量的锂空气电池甚至可以达到2,000Wh / kg。然而到目前为止,原型在安全性,稳定性以及在电池需要更换之前可以承受的充电周期数方面都很困难。电动飞机可能比它们的化石燃料对应物便宜得多,但是否继续更换电池是否经济仍有待观察。由于安全问题,当锂离子电池在飞机上受到限制时,使用实验性,不安全电池的飞机似乎不太可能很快到达天空。在未来几十年内,使用燃料电池并利用更高能量密度的天然气的混合飞机可能是短途飞行的更环保的替代方案。

尽管面临挑战,电动飞机仍有相当大的希翼。许多不同的力量推动了电池技术的改进,尤其是电动汽车和能量存储,用于将更多可再生能源集成到电网上。

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