Prototyp Eviation Alice. Ian Langsdon / EPA

Rząd Wielkiej Brytanii planuje zakaz sprzedaży nowych konwencjonalnych samochodów benzynowych i wysokoprężnych przez 2040. Najwyraźniej planuje się, że wszyscy obywatele będą jeździć samochodami elektrycznymi lub hybrydowo-elektrycznymi lub - lepiej - nadal jeździć na rowerach. Ale czy elektryfikacja może pomóc zmniejszyć emisje z tej innej, wysokoemisyjnej formy transportu pasażerskiego, latania?

To złożone pytanie, w którym liczy się rozmiar. Małe samoloty mogą być zasilane energią elektryczną. W rzeczywistości kilka firm już opracowuje małe samoloty elektryczne i mogłyby one wejść na rynek w ramach następne kilka lat.

Ale w przypadku dużych samolotów, z których wszyscy korzystamy częściej, jest mało prawdopodobne, że nastąpi to w najbliższym czasie. Problemem nie jest technologia napędu, ale magazynowanie energii. Paliwo do silników odrzutowych zawiera około 30 razy więcej energii na kilogram niż najbardziej zaawansowana obecnie dostępna bateria litowo-jonowa.

Największy na świecie samolot pasażerski, Airbus A380, może przelecieć pasażerów 600 15,000 kilometrami podczas jednego lotu. Ale, zgodnie z moimi obliczeniami, z bateriami mógł przelecieć tylko trochę ponad 1,000 kilometrów. Nawet gdyby wszyscy pasażerowie i ładunek zostali zastąpieni bateriami, zasięg nadal byłby mniejszy niż 2,000 kilometrów. Aby utrzymać obecny zasięg, samolot potrzebowałby baterii ważących 30 razy więcej niż obecne zużycie paliwa, co oznacza, że ​​nigdy nie spadłby z ziemi.

Ta kompromis jest szczególnie niekorzystny w przypadku lotów długodystansowych, ponieważ paliwo stanowi połowę masy samolotu podczas startu. Co więcej, konwencjonalny samolot staje się lżejszy wraz ze zużyciem paliwa, ale samolot elektryczny musiałby nosić taką samą masę akumulatora przez cały lot. Jak powiedziałem, rozmiar ma znaczenie.

W przypadku lekkich samolotów od pięciu do dziesięciu miejsc siedzących paliwo prawdopodobnie stanowi od 10% do 20% masy samolotu. Zwykła zamiana paliwa na akumulatory może nadal zmniejszać odległość, którą samolot może przelecieć o niepraktyczną ilość. Ale zastąpienie dwóch lub trzech pasażerów dodatkowymi akumulatorami dałoby zasięg od 500 kilometrów do 750 kilometrów, w porównaniu z paliwowym zasięgiem przekraczającym 1,000 km.

Pierwszy model komercyjny

Może być jednak inna opcja. Firma izraelska Eviation Niedawno ujawniono prototypową wersję tego, co według niego będzie pierwszym na świecie komercyjnym całkowicie elektrycznym samolotem pasażerskim. Samolot o nazwie Alice nie tylko zamienia paliwo odrzutowe na akumulatory, ale jest zupełnie nową koncepcją projektową, która poprawia sposób zintegrowania układu napędowego z płatowcem. Przewożąc dziewięciu pasażerów o zasięgu 1,000 km, Alice ma rozpocząć służbę w 2022.

Alice może być praktyczną alternatywą dla małych, regionalnych podróży, ale nie dla większości regularnych lotów pasażerskich, nawet tych krótkodystansowych. Jak więc może pomóc elektryfikacja? Ulepszenie technologii akumulatorowej jest jedną z opcji. Nowa technologia znana jako akumulatory litowo-powietrzne może teoretycznie osiągnąć taką samą gęstość energii jak paliwo lotnicze. Nadal są jednak na etapie laboratoryjnym. Biorąc pod uwagę niezwykle bezpieczny charakter przemysłu lotniczego, jest mało prawdopodobne, aby planować przyszłe samoloty na niesprawdzonej technologii.

Bardziej prawdopodobne jest, że zobaczymy loty krótkodystansowe w następnych latach 20 do 30, to hybrydowe samoloty, które łączą obecne silniki turbowentylatorowe z nowymi elektrycznymi układami napędowymi. Ten bardziej elastyczny system hybrydowy można zoptymalizować, aby zapewnić wysoki ciąg wymagany do startu i gęstość energii potrzebną do długiego rejsu.

Hybrydowy wentylator E-Fan X. Airbus

Jest to obszar aktywnie prowadzony w E-FanX projekt, w którym Airbus, Rolls-Royce i Siemens współpracują w celu opracowania hybrydowo-elektrycznego demonstratora lotu z napędem hybrydowym. Korzystając z samolotu BAe 146, który zwykle przewozi pasażerów 100, planują zastąpić jeden z czterech silników turbofanowych Honeywell samolotem z wentylatorem pędnika napędzanym dwumegawatowym silnikiem elektrycznym.

W początkowej fazie projektu energia elektryczna będzie faktycznie dostarczana przez turbinę gazową Rolls-Royce AE2100 umieszczoną w kadłubie samolotu (korpus główny). Ale E-FanX nadal będzie ważnym krokiem w ewolucji hybrydowej technologii elektrycznej. Airbus mówi chce udostępnić tę technologię dla samolotów 100 przez 2030.

Możliwe jest także wyposażenie samolotu w wiele małych pędników elektrycznych w tak zwany rozproszony układ napędowy, który jest bardziej wydajny niż tradycyjne konstrukcje wykorzystujące dwa duże turbofany. Pomysł ten można rozwinąć, łącząc oddzielny kadłub i skrzydła w jeden „ciało mieszane”, Bardziej efektywnie integrując pędniki z płatowcem w bardziej aerodynamicznym projekcie. Może to zmniejszyć ilość energii potrzebnej samolotowi o 20%.

Ale żaden z dwóch głównych światowych producentów samolotów, Boeing i Airbus, nie aktywnie rozwija technologii skrzydeł mieszanych. Tak duża zmiana projektu wiąże się ze zbyt wieloma wyzwaniami technicznymi aby było to opłacalne handlowo teraz. Na przykład większość lotnisk nie byłaby w stanie pomieścić samolotu z mieszanym skrzydłem.

Nie ma alternatywy

Niestety dla tego typu lotów większość z nas sprawia, że ​​nie ma obecnie praktycznej alternatywy dla turbin napędzanych odrzutowcem. Z tego powodu główni producenci silników lotniczych inwestują znaczne środki w ulepszanie obecnej technologii silników. Międzynarodowe Stowarzyszenie Transportu Lotniczego szacuje to każda nowa generacja samolotów jest średnio o 20 bardziej wydajna pod względem zużycia paliwa niż model, który zastępuje, a linie lotnicze zainwestują 1.3 USD w nowe samoloty w ciągu następnej dekady.

Na przykład najnowszy silnik Rolls-Royce'a Trent XWB to napędza nowe Airbus A350, jest reklamowany jako „najbardziej wydajny duży silnik lotniczy na świecie”. Airbus twierdzi, że silnik pomoże A350 osiągnąć „25% niższe koszty operacyjne, zużycie paliwa i emisję CO? emisji w porównaniu z samolotami poprzedniej generacji”.

Nowa generacja silnika Rolls-Royce'a UltraFanTM, zaoferuje dalsze 20–25% zmniejszenie zużycia paliwa i emisji CO? emisji i ma zostać oddany do użytku w 2025 r.

Warto jednak pamiętać, że lotnictwo wytwarza obecnie jedynie 2–3% globalnej emisji CO? emisje. Dla porównania, w całym sektorze transportu odsetek ten wynosi około 30–35%, a w przypadku wytwarzania energii elektrycznej – kolejne 30–35%.

Liczba pasażerów lotniczych wynosi oczekuje się podwoić w ciągu następnych dwóch dziesięcioleci, ale podobnie są z całkowitymi emisjami, więc jest mało prawdopodobne, aby lotnictwo stanowiło większą część problemu. Zmniejszenie emisji pochodzących z lotnictwa o 20% na generację samolotów prawdopodobnie nie może stanowić trwałej poprawy. Jeśli jednak samoloty hybrydowe staną się rzeczywistością, latanie może stać się jeszcze mniejszym czynnikiem przyczyniającym się do całkowitej emisji niż ma to miejsce obecnie.

O autorze

Duncan Walker, starszy wykładowca aerodynamiki stosowanej, Loughborough University

Artykuł został opublikowany ponownie Konwersacje na licencji Creative Commons. Przeczytać oryginalny artykuł.