Начались разработки электрического самолета

Когда в электросамолетах появится смысл?

В настоящее время мир изо всех сил пытается удержать углеродные выбросы от стремительного роста. Но для достижения долгосрочных целей, которые мы поставили для стабилизации климата, мы должны сделать намного больше, чем заручиться какой-то возобновляемой энергией. Удержание планеты от потепления на 2 градуса выше доиндустриального уровня означает серьезную очистку от углерода используемой нами энергии. И это значит, что мы не только должны стать совершенно независимыми от углерода в производстве электричества, но и начать использовать эти чистые электроны для обеспечения наших нужд в обогреве и транспорте.

Если говорить про автомобили и автобусы, этот процесс уже начался. Но есть один чувствительный к весу способ транспортировки, где батареи нам не помогут: воздушные путешествия. Относительно низкая энергетическая плотность батарей означает, что вам потребуется множество таких, чтобы запитать самолет. По этой причине многие люди решили, что нам нужно биотопливо для чистых воздушных перелетов. Однако существуют и компании, которые планируют разрабатывать электрические пассажирские самолеты.

Кто же прав? Чтобы выяснить это, международная группа инженеров произвела оценку того, смогут ли электрические авиалайнеры на аккумуляторах взлететь и стать коммерчески выгодными.

Электрические авиалайнеры: в чем проблема?

Исследователи обратились к ряду связанных проблем. Во-первых, смогут ли батареи достигать энергетической плотности, достаточной для того, чтобы их можно было использовать для авиаперелетов. Во-вторых, будут ли они экономичными. Кроме того, был рассмотрен и вопрос того, смогут ли самолеты на батарейках помочь нам достичь наших целей в области выбросов.

Большинство из этих проблем сложнее, чем кажутся. Например, самолеты не только усугубляют процесс потепления вследствие углеродных выбросов; их следы также создают высотные облака, которые обладают изолирующим эффектом. Кроме того, степень, с которой батареи могут помочь нам избавиться от выбросов, напрямую связана с количеством возобновляемой энергии, доступной для их зарядки.

Масштаб проблемы, впрочем, легко понять. Лучшие литий-ионные аккумуляторы в настоящее время имеют плотность энергии 250 ватт-часов на килограмм. Предполагается, что для рабочего самолета на батареях нам потребуется как минимум в три, а может и в восемь раз больше плотности (2000 Вт-ч/кг). Емкость батарей увеличивается на 3% в год. То есть, удваивается примерно через 25 лет. Этот прогресс немного ускорился в последнее время, но даже если предположить более быстрый прогресс, нам придется ждать до середины столетия прежде чем батареи станут такими, как мы от них хотим.

Впрочем, непонятно, как химия приведет нас к таким батареям. Существуют конструкции литий-воздушных и литий-серных батарей с высокой энергетической плотностью, но они могут разряжаться недостаточно быстро, чтобы питать интенсивный взлет.

В общем, авторы решили смоделировать батарею на 800 Вт-ч/кг, которая считается минимумом, необходимым для авиалайнера размером с 727. Однако в качестве оптимистичного прогноза рассмотрели также 1200 Вт-ч/кг вариант. Первая батарея подразумевает, что вес, которые поднимается батареями почти в два раза больше, чем в случае с топливом. Однако это сочетается с тем фактом, что электродвигатели более эффективны, нежели двигатели сгорания. Кроме того, батареи могут также питать бортовые системы, упрощая конструкцию самолета.

Сократит ли это выбросы углерода?

Если предположить, что эти электрические самолеты удастся построить, снизят ли они выбросы на самом деле? В настоящее время – нет. Учитывая средний уровень выбросов, связанный с питанием, например, энергосистемы США, выбросы, связанные с питанием электрического самолета (включая потери при передаче), будут примерно на 20% выше, чем выбросы, производимые современным, эффективным реактивным двигателем. Это не значит, что они будут совершенно бесполезными с точки зрения климата, нет. Как только дополнительные эффекты на потепление будут учтены, электросамолеты выйдут вперед примерно на 30%.

И все же, будущие соображения все довольно быстро усложняют. Ожидается, что цена на возобновляемые источники энергии будет продолжать снижаться, что сделает возобновляемые источники энергии большей частью энергосистемы и приведет к снижению выбросов. Авторы исследования оценивают, что подавляющее большинство зарядки будет происходить в дневное время – когда есть солнечный свет. Если предполагать, что будущее производство солнечной энергии приведет к скидке на использование электроэнергии в течение дня, это может помочь экономике электрических самолетов; в настоящее время они экономически выгодны только при цене топлива около 100 долларов за баррель.

То, как все это повлияет на авиаперелет, зависит от емкости будущих батарей. По оценкам авторов, эффективная дальность полета в 1100 километров позволит электрическим самолетам покрывать 15% от общего количества воздушных мир (и соответствующий расход топлива) и почти половину от общего количества рейсов. Это увеличит общий спрос на электроэнергию на один процент во всем мире, хотя и затронет по большей части промышленно развитые страны. Увеличение дальности до 2200 километров позволило бы обеспечить 80% глобальных перелетов исключительно электрическими самолетами.

Таким образом, в целом, технология находится на грани коммерческой жизнеспособности и может ограничить потепление, вызванное воздушными перевозками. Однако крайне важно, что обе эти ситуации будут улучшаться, поскольку возобновляемая энергия захватывает большую долю производящего рынка. К сожалению, единственное, что сдерживает развитие всего этого — технологии, поскольку батареи просто не имеют необходимой емкости.

Возможно, пройдет больше 30 лет прежде чем мы увидим самолеты, лишенные рева реактивных двигателей.

Будете ждать? Расскажите в нашем чате в Телеграме.

Электросамолеты станут таким же прорывом, как первый турбореактивный двигатель

Электросиловые установки добрались и до воздушных судов. Поговорим про перспективы, проблемы электросамолетов и про основных производителей.

Гиганты индустрии лишатся доминирующих позиций, а им на смену придут стартапы. Аэропорты оборудуют электрозаправками, а взлетные полосы начнут строить в черте города. Эксперты Financial Times выяснили, к каким трансформациям приведет переход на новый формат воздушных судов.

Создание эффективного электросамолета для полетов на дальние расстояния станет таким же прорывом, каким была разработка первого авиационного турбореактивного двигателя в 1937 году.

Электросамолеты

Над технологией уже работают сотни компаний. Только в 2017 году было анонсировано больше проектов в сфере электроавиации, чем за последние девять лет. Аналитики отмечают, что это лишь верхушка айсберга, поскольку многие разработки ведутся в секретном режиме.

Новые игроки

С 2009 года в СМИ появились сообщения о сотне проектов, связанных с разработкой электросамолетов. Из них лишь треть принадлежит гигантам авиационного рынка, таким как Boeing, Airbus и Rolls-Royce. Остальные 70% — это стартапы, которые только недавно пришли в аэрокосмическую отрасль.

Аналитики предупреждают, что появление на рынке новых игроков приведет к нарушению привычной иерархии. Производители двигателей и комплектующих изменят подход к созданию и установке компонентов.

Многим придется искать другие пути заработка и осваивать новые направления бизнеса. «Компании уже не смогут довольствоваться производством одних лишь турбореактивных двигателей», — отмечает глава отдела прототипирования Airbus Марк Казинс.

Тишина и чистый воздух

Переход на электротягу позволит в несколько раз снизить шум, производимый самолетами. Как отмечает FT, если шумовое загрязнение уменьшится, то аэропорты смогут работать круглосуточно, а строить их можно будет в черте города, недалеко от жилых кварталов.

Электросамолеты также помогут сократить объемы выбросов CO2 и повлиять на скорость климатических изменений.

По данным организации Clean Sky, воздушные перевозки производят 2% от общемирового количества вредных выбросов. При этом каждые 15 лет число рейсов увеличивается вдвое, а показатели загрязнения воздуха растут на 4,5-6% ежегодно.

Аналитики консалтинговой фирмы Roland Berger подсчитали, что к 2050 году авиация будет производить уже 10% от общего количество вредных выбросов. Многие регионы планируют снизить уровень загрязнения, но без перехода на электросамолеты добиться запланированных результатов не удастся.

Электрозаправки в аэропорту

Аэропортам следует уже сейчас планировать изменения инфраструктуры с расчетом на развитие электроавиации. Большинство компаний пока не знает, как эффективно преобразовать аэродромы, чтобы оборудовать их станциями подзарядки, а также системами для хранения излишков электроэнергии.

Операторы аэропортов воспринимают инициативу скептически, поскольку пока не могут оценить реальные масштабы будущего рынка. По оценкам компании Zunum, рынок региональных перевозок с использованием небольших воздушных судов на электротяге оценивается в $1 трлн. Однако гиганты индустрии Boeing и Airbus не решаются делать такие смелые прогнозы.

Пока также неясно, захотят ли пассажиры платить больше за возможность совершить перелет на более экологичном и тихом транспорте. Многие относятся к электросамолетам с недоверием, зная, что литий-ионные аккумуляторы подвержены риску возгорания.

Проблема аккумуляторов

Концепцию воздушного судна на электротяге впервые испытал французский исследователь и воздухоплаватель Гастон Тиссандье в 1883 году. Прошло более 130 лет, но технология пока так и не стала стандартом на рынке воздушных перевозок.

Уже сообщалось, что главной проблемой для развития воздушных перевозок на электротяге становятся аккумуляторы. Пока они обладают недостаточно большой плотностью энергии, чтобы обеспечивать долгие перелеты крупногабаритных судов.

Рост рынка электромобилей привел к появлению более совершенных технологий аккумулирования энергии. Однако пока они позволяют создавать лишь гибридные «летающие автомобили» малой вместимости.

По оценкам главы инновационных разработок компании Safran Стефана Кюэлля, по плотности энергии аккумуляторы в 60 раз уступают керосину.

«Даже если удастся увеличить этот показатель в пять раз, то условному самолету Airbus A320 потребуется комплект аккумуляторов массой 180 тонн, чтобы преодолеть расстояние в 5500 км. Для сравнения — взлетная масса судна не превышает 80 тонн», — отметил эксперт.
Решение могут стать гибридные установки, которые в теории позволят самолетам совершать короткие рейсы на расстояния до 1600 км.

Airbus, Siemens и Rolls-Royce планируют создать гибридный лайнер на 50-100 пассажирских мест и осуществлять на нем первые полеты в 2030-е годы. Boeing также работает над гибридной силовой установкой совместно со стартапом Zunum и производителем батарей Cuberg.

Несмотря на препятствия, некоторые уже всерьез готовятся к переходу на электроавиацию. Норвегия планирует перевести самолеты на электротягу к 2040 году. Крупнейшая норвежская авиакомпания Wideroe заменит часть судов Bombardier Dash 8 самолетами на электротяге уже к 2025 году. опубликовано econet.ru

Если у вас возникли вопросы по этой теме, задайте их специалистам и читателям нашего проекта здесь.

Понравилась статья? Напишите свое мнение в комментариях.
Подпишитесь на наш ФБ:

В России приступили к созданию электросамолета

Национальный исследовательский центр «Институт им. Н.Е. Жуковского» приступил к разработке ключевых технологий, которые будут положены в основу создания электрического отечественного самолета. На первом этапе усилия будут направлены на создание уникальной гибридно-электрической силовой установки, основанной на использовании сверхпроводников. На основе отработанных технологий затем планируется приступить к созданию серийного электрического двигателя для самолета на 9–19 пассажиров.

Как заявил «Известиям» генеральный директор НИЦ «Институт им. Н.Е. Жуковского» Андрей Дутов, Россия включается в процесс создания электрических самолетов. Первый шаг — это создание демонстратора гибридно-электрической силовой установки номинальной мощностью 500кВт и ее отработка на летающей лаборатории. На Международном авиационно-космическом салоне МАКС-2017, который будет проходить с 18 по 23 июля в подмосковном Жуковском, будет впервые представлен макет создаваемого двигателя.

— Программа рассчитана на три года, и по ее итогам на основе отработанных технологий можно будет приступать к созданию серийного электрического двигателя для самолета размерностью на 9–19 пассажиров, — рассказал Андрей Дутов.

По его словам, для создания гибридной установки впервые будут использованы высокотемпературные проводники, благодаря которым снимаются физические ограничения для повышения мощности авиационных электрических двигателей. В дальнейшем эти наработки можно будет использовать для создания научно-технического задела для силовых установок полностью электрических региональных и магистральных самолетов.

Генеральный директор Центрального института авиационного моторостроения им. П.И. Баранова Михаил Гордин отметил, что электрификация самолетов — это наиболее значительное новшество в авиации после внедрения реактивного двигателя.

— Реализация концепции полностью электрического самолета позволит авиастроителям добиться повышения уровня надежности, удобства эксплуатации, экологичности, сокращения эксплуатационных затрат, — пояснил «Известиям» Михаил Гордин.

По мнению экспертов, общий потенциал повышения эффективности от использования традиционных технологий в авиастроении к 2030 году не превысит 35–40% от сегодняшнего уровня. Заместитель директора Центра анализа стратегий и технологий Константин Макиенко считает, что сейчас каждый новый технологический продукт отличается от предыдущего буквально на 3–5%. При этом, чтобы получить эти проценты роста, надо тратить всё больше и больше средств.

— И по авиадвигателям, и по аэродинамике практически достигнут потолок. Так что действительно нужно ждать скачка, сопоставимого с переходом от винтовой к реактивной авиации. И электрические самолеты — это одно из наиболее вероятных направлений прорыва, — подчеркнул Константин Макиенко.

Эксперты отмечают, что создание инновационной электрической технологии в области авиастроения даст толчок развитию и других отраслей, включая судостроение и производство железнодорожной и автомобильной техники, в частности, в сфере повышения автономности, энерговооруженности, компактности.

Работы по освоению электрических технологий для авиации сегодня ведутся во всем мире. По прогнозным оценкам, первый полностью электрический самолет на 180 пассажиров может быть построен не ранее 2050 года.

В реализации российского проекта участвуют ЦИАМ, Сибирский научно-исследовательский институт авиации им. С.А. Чаплыгина, Центральный аэрогидродинамический институт им. профессора Н.Е. Жуковского, а также ЗАО «СуперОкс», специализирующееся на разработке технологии производства высокотемпературных сверхпроводниковых проводов второго поколения. Координатором проекта выступает НИЦ «Институт им. Н.Е. Жуковского».

Справка «Известий»

Международный авиационно-космический салон МАКС-2017 пройдет в 13-й раз. В этом году ему исполняется 25 лет. Заявки на участие в авиасалоне подали 169 иностранных участников из 32 стран (в 2016 году их было 150 из 30 стран). На выставке будут представлены 10 национальных павильонов — Германии, Франции, Италии, Швейцарии, Чехии, Китая, Индии, Канады, Белоруссии и Ирана.

Гости авиасалона увидят немало новинок. В частности, истребитель МиГ-35С, прототип многоцелевого вертолета Ка-62, а также среднемагистральный пассажирский самолет МС-21.

«Вертолеты России» представят опытные прототипы машин Ми-38 и Ми-171А2.

Также будет показан модернизированный самолет Ан-2. На авиасалоне продемонстрируют новинки в области беспилотников, самолетов малой авиации, бортового радиоэлектронного оборудования и наработки по электрическому самолету.

В дни массового посещения запланированы фестиваль воздухоплавательных аппаратов и фестиваль скорости «Форсаж», где летательные аппараты будут участвовать вместе со скоростными автомобилями.

В летной программе МАКС-2017 примут участие восемь пилотажных групп, среди них «Русские витязи», «Стрижи», «Соколы России», «Русь», «Первый полет», «ЧелАвиа Team», Baltic Bees Jet Team из Латвии и Fursan Al Emarat из ОАЭ.

ХХI век: эра электросамолетов
и реактивных электродвигателей

Сегодня реактивные двигатели полностью обеспечивают энергетические потребности самолетов. Их принцип действия основан на сжигании топлива и образовании выхлопных газов, которые и создают силу тяги. Однако использование такого двигателя наносит ущерб экологии. Именно из-за него уровень шума повышен как в салоне самолета, так и на расположенной вблизи аэродрома местности.

Альтернатива реактивному двигателю — электрический. Проблема в том, что удельная мощность современных электродвигателей для авиации не превышает 5 кВт/кг, в то время как реактивные обладают мощностью до 8 кВт/кг. То есть замена повлечет за собой снижение грузоподъемности самолета. Поэтому пока такой переход экономически нецелесообразен.

Применение сверхпроводниковых материалов способно увеличить удельную мощность электродвигателей. Ведь главная особенность сверхпроводников — значительное снижение или даже полное отсутствие электрического сопротивления. Следовательно, величина тока, обратно пропорциональная сопротивлению, возрастает, а вместе с ней увеличивается и мощность двигателя.

Система состоит из газотурбинного двигателя, вращающего электрический генератор, электродвигателя и кабельной линии, соединяющей их. Удельная мощность такой установки составляет свыше 10 кВт/кг, то есть больше, чем у реактивного двигателя.

Основная сложность перевода летательных аппаратов с реактивных на электрические двигатели заключается в необходимости перестроения всех внутренних систем самолета. Чтобы такой переход был эффективен с точки зрения экономики, необходимо не просто сравнять удельную мощность электрических двигателей с турбинными, а значительно увеличить.

Это можно будет осуществить, перейдя на охлаждение сверхпроводниковых двигателей жидким водородом (-253°C). Данная степень охлаждения сверхпроводников способна повысить удельную мощность двигателя до 30 кВт/кг. Но на данный момент проблема применения жидкого водорода заключается в том, что он взрывоопасен, дорого стоит и требует немало энергии для производства.

В январе 2019 года австралийская компания MagniX объявила, что выпустит первую партию электродвигателей для авиации уже в 2022 году. Установить их можно не только на новые, но и на нынешние самолеты, утверждают разработчики. Электродвигатели для самолетов от MagniX сделают перелеты в пять раз дешевле
MagniX обещает в ближайшие годы выпустить линейку электродвигателей для винтовых самолетов. Установки первого поколения подойдут для легких воздушных судов вместимостью не больше 20 пассажиров.

Сообщается, что разработка австралийской компании выдает до 750 л. с. Предполагается, что установка станет аналогом турбовинтового авиационного двигателя Pratt and Whitney PT6, которым оснащены популярные модели легких пассажирских самолетов Beechcraft King Air и Cessna 208.

MagniX создаст несколько модификаций электромоторов. Одни подойдут для переоснащения уже существующих самолетов, в том числе популярной Cessna 208, другие предназначены для новых проектов. По расчетам, Cessna на электротяге пролетит до 280 км. А электросамолет, построенный с нуля, преодолеет уже 925 км на одном заряде. Инженеры MagniX приступили к испытаниям электродвигателя еще в сентябре. Тогда компания протестировала 350-сильную установку. Особый акцент на низкий вес — всего 50 кг..

Хотя электросамолетам потребуется дополнительная инфраструктура, авиаперевозчики все равно смогут сэкономить. Полеты на электротяге будут обходиться на 50-80% дешевле, чем обычные рейсы. В первую очередь, авиаперевозчики сэкономят на топливе. Например, расстояние в 185 км на Cessna 208, на топливо придется потратить $300-400. Такой же рейс на электротяге потребует электроэнергии на $12-14.

Полеты станут не только экономичными, но и экологичными, обещает MagniX. Самолет не будет производить вредных выбросов, а если для его зарядки использовать электроэнергию от возобновляемых источников, то рейс будет на 100% зеленым. Для Австралии это вполне достижимая цель, поскольку уже к 2030 году страна может полностью перейти на ВИЭ.

Siemens

В 2015 году компания Siemens представила авиационный электромотор с рекордными характеристиками — двигатель весом всего 50 кг развивает мощность в 260 КВт. Такие характеристики двигателя позволяют создавать воздушные суда со взлётной массой до двух тонн. При этом для работы воздушного винта не требуется трансмиссия, поскольку мотор выдаёт 2500 оборотов в минуту.

Соотношение веса к мощности у нового электродвигателя Siemens составляет больше 5 кВт на один килограмм, что превышает аналогичный показатель даже турбореактивных двигателей. Электродвигатель может вращаться со скоростью практически от 0 до 2.5 тысяч оборотов в минуту, что позволяет устанавливать пропеллер прямо на его вал без необходимости использования промежуточного редуктора. И один такой двигатель может без особых затруднений поднять в воздух самолет с взлетным весом до двух тонн.

В апреле 2017 года прототип электрического самолета Extra 330LE, построенный Siemens, установил два мировых рекорда скорости в классе электрических самолетов с аккумуляторным питанием. Siemens, которым удалось создать новый двигатель, в котором сочетается большая энергетическая плотность, мощность и малый вес.

На дистанции 3 километра самолет развил максимальную скорость в 337.50 километров в час, при весе самолета до 1000 килограмм, и скорость 342.86 километров в час при весе самолета более 1000 килограмм.

Электродвигатель, приводящий в действие самолет Extra 330LE, обеспечил 260 кВт мощности при его весе всего в 50 килограмм. Разработка данного двигателя была выполнена в рамках более глобальной программы компании Siemens, целью которой является разработка электрических гибридных силовых систем для небольших самолетов регионального класса. Данная программа проводится при участии в ней специалистов компании Airbus, которая уже давно работает над собственным вариантом подобной системы под названием.

Airbus

В 2014 году Airbus Group представила двухместный электрический самолёт E-Fan, созданный при поддержке французского правительства. Довольно тихий электросамолёт из углеволокна весит около 500 кг, использует литий-ионные полимерные аккумуляторы и оснащён двумя моторами мощностью по 60 КВт. Час полёта стоит около £10, а батареи полностью заряжаются за 90 минут.

Boeing

Из подобных, конкурентных, проектов можно отметить совместную работу НАСА и Boeing над гибридным электрическим самолётом SUGAR Volt («subsonic ultra-green aircraft research» – «исследование по созданию дозвукового весьма экологичного самолёта») – самолёта, работающего на комбинации запасённой в аккумуляторах электроэнергии и классического топлива. Проект впервые был предан огласке в 2012 году.

SUGAR, оснащен двигательной системой, которая была разработана для уменьшения расхода топлива более чем на 70 процентов, а потребления энергии — примерно на 55 процентов.

Самолет рассчитан на 154 пассажира и полет со скоростью 0,79 маха. Он будет требовать короткую взлетную дистанцию, и сможет летать на расстояние до 5630 километров.

По плану обычное топливо используется в таких энергозатратных манёврах, как взлёт, а в полёте двигатели самолёта по большей части или почти полностью будут питаться от аккумуляторов. Точных сроков завершения проекта компания не назвала и планируют выдать готовый продукт примерно к 2030-2050 годам.

Eviation Aircraft

В июне 2017 года, на авиашоу в Ле-Бурже, израильский стартап Eviation Aircraft показал полностью электрический пассажирский самолёт Alice, способный на одном заряде аккумуляторных батарей преодолеть дистанцию в 965 километров. Технологии, использованные при создании электрического самолета, были разработаны во время участия компании Eviation Aircraft в программе NASA On-Demand Mobility Program.

Небольшой электрический самолет может перевозить от шести до девяти пассажиров и двух членов экипажа на расстояния, покрывающие основную массу внутренних в большинстве стран и некоторую часть международных маршрутов. Основным достижением специалистов компании Eviation Aircraft является разработка нового типа воздушно-алюминиевой аккумуляторной батареи, емкости которой достаточно для накопления энергии, необходимой для дальнего перелета.

В самолете использована модернизированная воздушно-алюминиевая батарея, изначально разработанная компанией Phinergy Ltd. К этому добавлен буфер на традиционных аккумуляторных батареях, и умная система распределения энергии, основанную на использовании аналитических алгоритмов. Все это вместе представляет собой самую высокоэффективную энергетическую систему, позволяющую использовать каждую «крупинку» дефицитной энергии аккумуляторных батарей».

Компания Eviation Aircraft не намерена вступать в конкуренцию с другими компаниями, выпускающими самолеты. Компания Eviation Aircraft видит свет будущее в качестве воздушного аналога сервиса Uber.

Готовый прототип компания Eviation Aircraft покажет в середине 2019 года на парижском авиасалоне Ле-Бурже. Если после этого компании удастся привлечь $100 млн инвестиций, то к 2021 году Alice поступит в продажу. Ожидается, что девятиместный электросамолет будет стоить около $2 млн, но, стоит помнить, что владельцы судна сэкономят на топливе и на затратах на эксплуатацию.

Глава Tesla Илон Маск, который также проявляет интерес к области электрической авиации, считает, что для массового производства электросамолётов необходимо создать аккумулятор с плотностью энергии 400 Вт/ч на килограмм. Между тем, сегодня выпускаемые его компанией электромобили питаются от батарей с плотностью 250 Вт/ч на килограмм.

А в Норвегии планируют к 2040 году полностью перевести все местные пассажирские авиаперевозки на использование электрических летательных аппаратов.