Ekonomia latających samochodów. W poszukiwaniu złotego środka
Obecnie możliwość zaprojektowania latającej taksówki EVTOL (1) o zasięgu ponad 160 km nie jest czczą fantazją. W urzeczywistnienie wizji latających maszyn miejskich zainwestowano ogromne sumy pieniędzy, sięgające dziesiątków miliardów dolarów.
Liczba firm rozwijających takie projekty na świecie przekracza sto. Czy dostępne obecnie i w najbliższej przyszłości akumulatory są w stanie zaspokoić wyjątkowe potrzeby samolotów EVTOL?
Nie gęstość energii, ale watogodziny na pasażerokilometry
Na pierwszy rzut oka nie wygląda to najlepiej. W 2018 r. na Uniwersytecie Carnegie Mellon przeanalizowano wymagania dotyczące wydajności akumulatorów, jakie muszą spełniać elektryczne samoloty pionowego startu i lądowania (EVTOL - taki model bierze się pod uwagę w miastach, gdzie nie ma miejsca na duże lotniska).
Badacze zwracali uwagę na dużą różnicę gęstości energii pomiędzy paliwem lotniczym a nowoczesnymi akumulatorami litowo-jonowymi. Paliwo lotnicze to ok. 12 tysięcy watogodzin na kilogram, podczas gdy najlepsze obecnie zestawy akumulatorów mają pojemność około 200 Wh/kg. I na razie, choć w ciągu ostatniej dekady nastąpił ogromny postęp w wydajności i cenach akumulatorów, najnowszym prototypowym ogniwom udaje się sięgać zaledwie nieco powyżej 300 Wh/kg, a dopiero w planach jest osiągnięcie 500 Wh/kg. To wciąż kilkadziesiąt razy mniej niż tradycyjne paliwa.
Jak podkreślają jednak badacze w publikacji, która ukazała się w "Proceedings of the National Academy of Sciences", trzeba porównywać rzeczy dające się porównać. Taksówki elektryczne EVTOL latają w prostej linii z punktu do punktu, natomiast pojazdy naziemne poruszają się po drogach i ulicach po trasach, które nigdy nie są linią prostą. Innym istotnym czynnikiem, który należy wziąć pod uwagę, jest obłożenie środka transportu. Dlatego też, mówiąc o ekonomii, należy nie tyle porównywać gęstość energii źródła napędu, ale np. parametr watogodzin na pasażerokilometry.
Tradycyjne samoloty ze skrzydłami mogą wykonywać bardzo wydajne przeloty, przy czym im dłuższy jest odcinek przelotu, tym niższe jest całkowite zużycie energii. W przypadku latających taksówek jest podobnie. Można porównać zużycie energii w Wh/pasażerokilometry przez różne konstrukcje EVTOL-ów dla różnych zasięgów lotu ze zużyciem energii przez naziemne pojazdy pasażerskie, zarówno spalinowe, jak i elektryczne. W przypadku niektórych konstrukcji samolotów testowe odcinki przelotu są tak wydajne, że EVTOL z pełnym obłożeniem miałby wskaźnik Wh/pasażerokilometr równy lub niższy niż samochód elektryczny przy typowym obłożeniu pasażerami.
Pojawia się jednak kolejne pytanie o technikę akumulatorową - czy jest gotowa na zaspokojenie innych specyficznych wymagań samolotów EVTOL. W porównaniu z pojazdami naziemnymi mianowicie - ogromnym wyzwaniem dla akumulatorów do samolotów EVTOL jest konieczność dostarczenia dużej mocy w czasie startu i lądowania. Dostarczanie dużej mocy, zwłaszcza na lądowanie, jest obecnie czynnikiem wybitnie ograniczającym możliwości akumulatorów.
Łatwo jest zaprojektować akumulator, który spełnia jedno konkretne wymaganie, ale gdy akumulator musi spełniać kilka z nich jednocześnie, jest kłopot. W przypadku akumulatorów samochodowych problem pogodzenia wymagań to głównie zapewnienie wymaganej żywotności w cyklu i szybkiego czasu ładowania. Akumulatory w EVTOL muszą zapewniać wysoką moc nawet przy niskim stanie naładowania (lądowanie). W dodatku muszą zapewniać odpowiednią moc nawet w przypadku częściowej awarii.
Formuła E poligonem dla latających elektryków
Być może w rozwiązaniu tych problemów pomogą prace, jakie przeprowadza firma Rolls-Royce. Wprawdzie nie dotyczą one taksówek pionowego startu i lądowania, lecz maszyny elektrycznej będącej właściwie klasycznym samolotem, ale techniczne rozwiązania, zwłaszcza w dziedzinie wydajności akumulatorów, mogą być przecież przeniesione na inny grunt.
Firma Rolls-Royce postanowiła połączyć technikę akumulatorów Formuły E z mocnymi i wydajnymi silnikami (2), tworząc bardzo obiecujący samolot elektryczny nazywany Spirit of Innovation. Konstrukcja ta pobiła wiele rekordów. Osiągnęła prędkość 552 km/h na dystansie trzech kilometrów i ustanowiła nowy rekord prędkości 530 km/h na dystansie piętnastu kilometrów. Osiągnęła prędkość maksymalną 620 km/h. Wreszcie elektryczny samolot zdołał wznieść się na wysokość 3000 metrów w zaledwie 3 minuty i 22 sekundy, pobijając poprzedni rekord o minutę.
Konstrukcja jest oparta na samolocie Nemesis NXT, modelu powszechnie używanym w wyścigach lotniczych. Jednak zamiast paliwożernego silnika, schowanego za śmigłem, zastosowano silniki Yassa o łącznej mocy 400 kW oraz 750-woltowy układ akumulatorowy z 6480 ogniwami. Pakiet akumulatorów Rollsa jest niezwykle wydajny przy dużym obciążeniu, czyli stanowiłby odpowiedź na wyzwania wyżej opisane, także w taksówkach EVTOL.
Zdaniem komentatorów, jedną z tajemnic wysokiej wydajności akumulatorów Spirit of Innovation jest zastosowane relatywnie wysokie napięcie. Aby uzyskać dużą moc, potrzebne jest albo wysokie napięcie, albo wysokie natężenie prądu. Jednak przy dużym natężeniu prądu powstaje duży opór, co oznacza, że energia jest tracona na ciepło w systemie.
Auta Tesli mają akumulatory o napięciu 400 V. Ponieważ tesle zwykle spędzają większość czasu bez pełnego zasilania, ma to sens, ponieważ utrzymuje prąd na wystarczająco wysokim poziomie do wydajnej pracy silnika. Oznacza to jednak, że auta Tesli nie są wydajne przy pełnym obciążeniu, ponieważ potrzebują dużo prądu.
Samochody Formuły E spędzają wiele godzin na pełnej mocy, więc mają akumulator pracujący pod napięciem 800 V. Zatem napięcie jest wysokie, natężenie prądu niskie, a straty na rezystancji niskie.
Rolls nie używa akumulatorów Formuły E, ale ogólnie koncepcja i technika wykorzystana do stworzenia układu w Spirit of Innovation pochodzą stamtąd. Akumulator samolotu, podobnie jak w samochodzie wyścigowym, jest dostrojony do wydajnej pracy przy wysokiej mocy. Układ napędowy samolotu jest zoptymalizowany pod kątem wydajności przy dużej mocy, co oznacza, że na pokładzie można zmieścić wystarczającą liczbę akumulatorów do zasilania relatywnie długich lotów bez przeciążania samolotu.
Święty Graal w dziedzinie techniki jak również ekonomii latających elektrycznych maszyn polega na znalezieniu złotego środka pomiędzy wymaganiami zasięgu, mocy i masy dźwiganych akumulatorów. Nie można mówić, że wynik tej gry jest rozstrzygnięty, ale być może jesteśmy na dobrej drodze.
Mirosław Usidus
