Взлет электрической авиации

Электрические самолеты кажутся далеким футуристическим будущим, но  всего через несколько лет электрическая авиация действительно может взлететь и региональные авиарейсы с короткими перелетами могут работать на батареях. Это важно для решения проблемы изменения климата. 

Сегодня во всем мире происходят революционные изменения в авиационном транспорте. Двухместный Velis Electros уже тихо летает по Европе, в Британской Колумбии  проходят испытания электрические гидропланы, проектируются и более крупные самолеты. 

Pipistrel Velis Electro — первый и пока единственный в мире электрический самолет, получивший полную сертификацию от Агентства авиационной безопасности Европейского Союза (EASA).

15 сентября 2022 года Air Canada объявила, что купит 30 электрических гибридных региональных самолетов у шведской компании Heart Aerospace, которая рассчитывает ввести в эксплуатацию свой 30-местный самолет к 2028 году. Аналитики Национальной лаборатории возобновляемых источников энергии США отмечают, что Вскоре после этого может быть готов первый гибридный электрический пригородный самолет на 50–70 мест . Говорят, что в 2030-х годах электрическая авиация действительно может взлететь.

10 декабря 2019 г. — Harbour Air , крупнейшая в Северной Америке авиакомпания по производству гидросамолетов, и компания magniX , стоящая за революцией в области электроавиации,  объявили об успешном полете первого в мире полностью электрического коммерческого самолета. 

Это важно для управления изменением климата. Сегодня около 3% глобальных выбросов приходится на авиацию, и, поскольку ожидается увеличение количества пассажиров и рейсов по мере роста населения, к 2050 году авиация может производить в три-пять раз больше выбросов углекислого газа, чем до пандемии COVID-19.

Аэрокосмический инженер и доцент Гекчин Чинар разрабатывает концепции устойчивой авиации, включая гибридно-электрические самолеты и альтернативы водородному топливу, в Мичиганском университете. Мы спросили ее об основных способах сокращения авиационных выбросов сегодня и о том, в каком направлении движутся такие технологии, как электрификация и водород.

Почему авиацию так сложно электрифицировать?

Самолеты — одни из самых сложных транспортных средств, но самая большая проблема для их электрификации — это вес батареи.

Если бы вы попытались полностью электрифицировать Боинг-737 с современными батареями, вам пришлось бы вывезти всех пассажиров и груз и заполнить это пространство батареями только для того, чтобы лететь меньше часа.

Реактивное топливо может содержать примерно в 50 раз больше энергии по сравнению с батареями на единицу массы. Итак, у вас может быть 1 фунт реактивного топлива или 50 фунтов аккумуляторов. Чтобы сократить этот разрыв, нам нужно либо сделать литий-ионные батареи легче, либо разработать новые батареи, которые будут удерживать больше энергии. Новые аккумуляторы разрабатываются, но они еще не готовы к использованию в самолетах.

Air Canada и United Airlines заказали у Heart Aerospace 30-местные региональные гибридно-электрические самолеты, которые могут пролететь около 125 миль (200 км) в полностью электрическом режиме и 250 миль (400 км) в гибридном варианте.  Heart Aerospace

Альтернатива — гибриды. Даже если мы не сможем полностью электрифицировать Боинг 737, мы можем получить некоторую выгоду  в более крупных самолетах, используя гибридные силовые установки. Мы пытаемся сделать это в краткосрочной перспективе с 2030-2035 годов для небольших региональных самолетов. Чем меньше топлива сжигается во время полета, тем меньше выбросов парниковых газов.

Как гибридная авиация помогает сократить выбросы?

Гибридные электрические самолеты похожи на гибридные электрические автомобили тем, что в них используется комбинация аккумуляторов и авиационного топлива. Проблема в том, что ни в одной другой отрасли промышленности нет таких ограничений по весу, как в аэрокосмической отрасли.

Вот почему мы должны быть очень умны в том, как и насколько мы гибридизируем двигательную установку.

Использование аккумуляторов в качестве вспомогательного источника питания во время взлета и набора высоты — очень перспективный вариант. Выруливание на взлетно-посадочную полосу, используя только электроэнергию, также может сэкономить значительное количество топлива и уменьшить местные выбросы в аэропортах. Между добавленным весом батареи и тем, сколько электроэнергии вы можете использовать, чтобы получить чистую топливную выгоду, существует золотая середина. Эта проблема оптимизации находится в центре моего исследования.

Гибриды по-прежнему будут сжигать топливо во время полета, но это может быть значительно меньше, чем просто полностью полагаться на реактивное топливо.

Как гибридная электрическая авиация может работать на больших самолетах:

Я рассматриваю гибридизацию как среднесрочный вариант для больших самолетов и как краткосрочное решение для региональных самолетов.

В период с 2030 по 2035 год мы сосредоточимся на гибридных турбовинтовых самолетах, как правило, региональных самолетах с 50-80 пассажирами или используемых для грузовых перевозок. Эти гибриды могут сократить расход топлива примерно на 10% .

С электрическими гибридами авиакомпании также могли бы более эффективно использовать региональные аэропорты , уменьшая заторы и время, которое большие самолеты тратят на холостом ходу на взлетно-посадочной полосе.

 

Что вы ожидаете увидеть в ближайшее время от устойчивой авиации?

В ближайшей перспективе мы увидим более широкое использование устойчивого авиационного топлива или SAF. С современными двигателями вы можете сливать экологичное авиационное топливо в топливный бак и сжигать его. Топливо из кукурузы, семян масличных культур , водорослей и других жиров уже используется.

Устойчивое авиационное топливо может сократить чистые выбросы углекислого газа самолета примерно на 80% , но предложение ограничено, а использование большего количества биомассы в качестве топлива может составить конкуренцию производству продуктов питания и привести к вырубке лесов.

Второй вариант — использование синтетического устойчивого авиационного топлива, которое включает улавливание углерода из воздуха или других промышленных процессов и его синтез с водородом. Но это сложный и затратный процесс и пока не имеет больших масштабов производства.

Amaire сообщила, что ее гибридный электрический EEL обеспечивает экономию топлива до 40% по сравнению со стандартной версией аналогичного Cessna Skymaster.  Ampaire

Авиакомпании также могут оптимизировать свои операции в краткосрочной перспективе, например, планировать маршруты , чтобы избежать полетов почти пустых самолетов. Это также может уменьшить выбросы.

 

Является ли водород вариантом для авиации?

Водородное топливо существует уже очень давно, и когда это зеленый водород , произведенный из воды и электролиза на возобновляемых источниках энергии, он не производит углекислый газ. Он также может удерживать больше энергии на единицу массы, чем батареи.

Есть два способа использовать водород в самолете: либо вместо обычного реактивного топлива в двигателе, либо в сочетании с кислородом для питания водородных топливных элементов, которые затем вырабатывают электричество для питания самолета.

Проблема в объеме — газообразный водород занимает много места. Вот почему инженеры изучают такие методы, как хранение очень холодным, чтобы его можно было хранить в жидком состоянии до тех пор, пока он не сгорит в газообразном состоянии. Он по- прежнему занимает больше места , чем топливо для реактивных двигателей, а резервуары для хранения тяжелые, поэтому способы его хранения, обработки или распределения по самолетам все еще разрабатываются.

Airbus проводит много исследований по сжиганию водорода с использованием модифицированных газотурбинных двигателей на платформе A380 и стремится к 2025 году разработать готовую технологию . Австралийская авиакомпания Rex планирует начать испытания 34-местного водородно-электрического самолета для коротких перелетов в ближайшие несколько лет.

Из-за разнообразия вариантов я вижу водород в качестве одной из ключевых технологий для устойчивой авиации.

 

Смогут ли эти технологии достичь целей авиационной отрасли по сокращению выбросов?

Проблема с авиационными выбросами заключается не в их нынешнем уровне, а в опасении, что их выбросы будут быстро увеличиваться по мере увеличения спроса. К 2050 году мы можем увидеть в три-пять раз больше выбросов углекислого газа от авиации, чем до пандемии.

Авиаперевозки в США, измеряемые в пассажиро-милях, быстро росли до пандемии COVID-19. и сейчас снова поднимаются. Управление энергетической информации США прогнозирует более 60% увеличение числа миль на пассажирские авиаперевозки в период с 2019 по 2050 год.

 

Международная организация гражданской авиации , агентство Организации Объединенных Наций, обычно определяет цели отрасли, рассматривая возможноные способы, которыми авиация может раздвинуть границы.

Долгосрочная цель — сократить чистые выбросы углекислого газа на 50% к 2050 году по сравнению с уровнем 2005 года. Чтобы достичь этого, потребуется сочетание различных технологий и оптимизация. Я не знаю, сможем ли мы достичь этого к 2050 году, но я считаю, что мы должны сделать все возможное, чтобы авиация будущего стала экологически устойчивой.

 

1. Gökçin Çınar

   Assistant Professor of Aerospace Engineering, University of Michigan

Источник

 

Авиация МЧС России – в крутом пике

На сегодняшний день в нашей стране одной из важнейших проблем является охрана окружающей среды; с каждым годом происходит увеличение числа природных и техногенных катастроф. Однако, учитывая огромную площадь территории России и недоступность многих районов, нужно признать, что без привлечения авиации проведение широкомасштабного экологического...

Экологизация транспортного сектора — это снижение влияния транспорта на окружающую среду, в том числе на среду жизнедеятельности человека, его здоровье. Недостаточно понимать этот термин только как скоординированные усилия по снижению вредных выбросов в атмосферу, по защите растений и животных или по снижению уровня потребления тех или иных...