電動飛機(jī)是航空業(yè)的未來嗎

上周看到了一個相當(dāng)不尋常的飛行計劃。挪威交通部長及其主要機(jī)場運(yùn)營商Avinor的首席執(zhí)行官在一架小型雙人飛機(jī)上快速繞過奧斯陸機(jī)場。不起眼 – 除了Alpha Electro II這架飛機(jī)完全由電池供電。

電動飛機(jī)的興起標(biāo)志著航空革命的開始

對于制造Alpha Electro II的斯洛文尼亞公司Avinor和Pipistrel來說，這只是航空革命的開始：電動飛機(jī)的興起。挪威的目標(biāo)是到2040年使用電動飛機(jī)進(jìn)行所有短途飛行，持續(xù)時間不到1.5小時。它們不是唯一的：空客，波音和勞斯萊斯是投資研發(fā)的公司之一。原則上，電動飛機(jī)具有電動汽車的所有優(yōu)點(diǎn)。它們更安靜，更高效，而且至關(guān)重要的是，電力可以在不使用化石燃料的情況下重新產(chǎn)生。全球航空目前占碳排放量的2.5％，但這是一個非常穩(wěn)固的2.5％，預(yù)計隨著未來20年乘客數(shù)量翻倍而增長。航空業(yè)一直在努力直接減少化石燃料的使用，并不得不接受通過植樹來抵消排放增加的承諾。

電動飛機(jī)能否走得太遠(yuǎn)？

如果挪威實現(xiàn)其目標(biāo)，它將擴(kuò)大該國在電氣化方面令人印象深刻的記錄; 2017年銷售的新車中有一半以上是電動車，政府計劃到2025年停止銷售化石燃料動力車。與機(jī)動車早期試驗涉及電動和汽油動力車輛的方式大致相同，電動飛行也有著悠久的歷史。1900年，電動汽車占所有汽車銷量的三分之一，這些數(shù)字現(xiàn)在才開始在挪威這樣的國家進(jìn)行匹配。幾架飛艇是電動的，1883年的Tissandier兄弟在萊特兄弟的滑翔機(jī)降落之前飛行了一個電動飛船。然而，電動飛機(jī)是一個非常不同的主張。關(guān)鍵問題是能量密度。不難看出為什么這是一個問題。噴氣燃料的能量密度約為43 MJ / kg，即12,000 Wh / kg，幾乎是煤的兩倍，是木材的三倍。相比之下，這款傳統(tǒng)鉛酸蓄電池的能量密度約為30 Wh / kg。這是至關(guān)重要的，因為飛機(jī)燃料的重量是決定其范圍的重要參數(shù)。燃料占典型長途噴氣機(jī)總重量的約45％，因此從噴氣燃料轉(zhuǎn)換為需要400倍質(zhì)量來儲存相同能量的電池是不切實際的。使用更高效的發(fā)動機(jī)，您可以進(jìn)一步行駛 – 但不足以彌補(bǔ)燃油重量增加400％。出于這個原因，第一架電動飛機(jī)直到1973年首次發(fā)明鎳鎘電池才開始飛行 – 電動飛機(jī)的任何未來發(fā)展都將與我們制造具有更高能量密度的更好電池的能力密切相關(guān)。那次飛行是在1973年，它持續(xù)了八到十五分鐘。好的，所以第一次萊特兄弟的飛行在不到一分鐘的時間里就結(jié)束了，但那是70年前的事。像斯圖加特大學(xué)開發(fā)的e-Genius這樣的輕型原型飛機(jī)現(xiàn)在可以飛行幾個小時，或者距離大約400公里，但只攜帶兩名機(jī)組人員，不太可能很快取代所有短途飛行。

挪威的電動飛機(jī)電池使用約120公斤的特制鋰聚合物電池，其中包含約21kWh的能量。這相當(dāng)于約175Wh / kg的能量密度。這比特斯拉 Model S略高，后者以157Wh / kg的速度運(yùn)轉(zhuǎn)，但仍然遠(yuǎn)不及噴氣燃料。這就是電動汽車和電動飛機(jī)與現(xiàn)有電池技術(shù)之間的區(qū)別。是的，特斯拉的汽車可能比燃油驅(qū)動的汽車稍微重一些，但它們的汽油范圍可與汽油車相媲美（Model S為335英里，平均為375英里，加油量為15加侖）。電動飛機(jī)的行駛距離幾乎沒有，或者幾乎與其燃料對應(yīng)物的重量相當(dāng) – 并且飛機(jī)主要用于在很長的距離上運(yùn)載許多乘客。挪威2040年的短程航班目標(biāo)似乎很樂觀。

電動飛行需要什么才能實現(xiàn)？

由于電動機(jī)效率的提高，電池得到了提升 – 它們的效率提高了三倍，并且通過相同的因素減少了給定性能所需的電池質(zhì)量。指導(dǎo)阿貢交通運(yùn)輸研究中心的Don Hillebrand建議1,000Wh / kg足以開始考慮通電短途航班。這比現(xiàn)代技術(shù)提高了六倍。引用WIRED，他說，“1,000 Wh / kg的數(shù)字大約相當(dāng)于汽油能量密度的三分之一，但這已足夠。按照我們目前的創(chuàng)新步伐，并考慮動力系統(tǒng)效率的相對差異，我們可以期待電池能夠足夠好地為實際用途的小型飛機(jī)提供動力。電池能量密度目前每年穩(wěn)定增長7％至8％，但業(yè)內(nèi)許多人認(rèn)為我們正在接近鋰離子電池在理論上可以達(dá)到的極限 – 這個限制很可能在我們達(dá)到目標(biāo)之前很久就會到來。短途航班的臨界門檻。鋰離子電池可能足以讓汽車通電，但我們使用的電池的另一個改變，就像20世紀(jì)70年代允許第一架電動飛機(jī)起飛的電池一樣，將需要實現(xiàn)短距離通電的夢想航班成為現(xiàn)實。

不同的電池化學(xué)成分始終是活躍的研究領(lǐng)域。

原型鈉離子陰極已經(jīng)證明能量密度為650Wh / kg，鎂離子電池由于其理論上更高的能量密度限制（750Wh / kg報道）已經(jīng)研究多年。從周圍環(huán)境氧氣中吸取一些能量的鋰空氣電池甚至可以達(dá)到2,000Wh / kg。然而到目前為止，原型在安全性，穩(wěn)定性以及在電池需要更換之前可以承受的充電周期數(shù)方面都很困難。電動飛機(jī)可能比它們的化石燃料對應(yīng)物便宜得多，但是否繼續(xù)更換電池是否經(jīng)濟(jì)仍有待觀察。由于安全問題，當(dāng)鋰離子電池在飛機(jī)上受到限制時，使用實驗性，不安全電池的飛機(jī)似乎不太可能很快到達(dá)天空。在未來幾十年內(nèi)，使用燃料電池并利用更高能量密度的天然氣的混合飛機(jī)可能是短途飛行的更環(huán)保的替代方案。

盡管面臨挑戰(zhàn)，電動飛機(jī)仍有相當(dāng)大的希望。許多不同的力量推動了電池技術(shù)的改進(jìn)，尤其是電動汽車和能量存儲，用于將更多可再生能源集成到電網(wǎng)上。

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