Pulsar patronuje. Fragment książki: Łukasz Bednarski, „Lit: złoto przyszłości”
Fakt, że Greta Thunberg dojeżdża na konferencje klimatyczne pociągiem, a czasem nawet przypływa jachtem, wiele mówi o udziale samolotów i statków w emisji gazów cieplarnianych. Samoloty odpowiadają za 2% całej antropogenicznej emisji CO2, natomiast udział statków szacuje się na 2 – 3%. Niech Czytelnicy sami osądzą, czy to mało, czy dużo. Bez wątpienia jednak liczy się każde działanie przyczyniające się do zatrzymania zmian klimatycznych.
Pomysł podróżowania pociągiem na duże odległości chwycił i kolej przeżywa odrodzenie. Operatorzy rozważają ponowne uruchomienie nocnych pociągów między europejskimi stolicami. Skandynawowie wymyślili nawet nowe pojęcia: flygskam (wstyd z powodu latania) i tagskryt (przechwalanie się jazdą pociągiem).
Ale czy baterie mogą się przyczynić do zmniejszenia śladu węglowego podróży lotniczych? Tak aby weekendowy wypad na Teneryfę nie budził niesmaku naszych bardziej świadomych ekologicznie znajomych?
Na całym świecie prowadzi się obecnie ponad 200 przedsięwzięć budowy samolotów elektrycznych. Są one na różnych etapach rozwoju. Wśród realizujących je podmiotów są zarówno małe start-upy dysponujące jedynie rysunkami konstrukcyjnymi i poszukujące finansowania, jak i konsorcja tworzone przez wielkich graczy (takich jak Airbus i Rolls-Royce), zbliżające się już do etapu lotów doświadczalnych. Wszystkie te projekty mają jedną cechę wspólną: muszą pokonać ograniczenia dzisiejszej technologii budowy akumulatorów. Współczesne samoloty są napędzane paliwem do silników odrzutowych opartym na nafcie.
Paliwo jest pompowane do zbiorników, które w samolotach pasażerskich są umiejscowione w skrzydłach. Takie rozwiązanie ma wiele zalet. Przede wszystkim zmniejsza naprężenie skrzydeł, zwłaszcza w czasie startu, zapewniając większą sztywność konstrukcji, która bez tego byłaby pusta w środku. Ponadto dzięki umieszczeniu zbiorników w skrzydłach zwiększa się przestrzeń ładunkowa samolotu, a w razie mało prawdopodobnego lądowania awaryjnego paliwo znajduje się w bezpiecznej odległości od pasażerów.
Zaletą paliwa jest to, że spala się w czasie lotu i zbiorniki stają się coraz lżejsze, dzięki czemu zasięg maszyny się zwiększa. Jednak najcenniejsza jest duża gęstość energii w nim zgromadzonej, czyli ilość energii w przeliczeniu na jednostkę objętości lub masy. W przypadku paliwa do silników odrzutowych wynosi ona ok. 12 kWh/kg. Maksymalna gęstość energii w bateriach litowo-jonowych dostępnych do zastosowań komercyjnych waha się obecnie w przedziale 250 – 300 Wh/kg, czyli jest 40 razy mniejsza. Pewien szwajcarski start-up ogłosił niedawno, że pracuje nad stworzeniem akumulatora o gęstości 1 kWh/kg, ale projekt jest wciąż daleki od komercjalizacji, choć zdecydowanie byłby to nowatorski wynalazek. Gdyby trafił na rynek, zasięg samochodu elektrycznego na jednym ładowaniu mógłby wzrosnąć do 1000 km. Oznaczałoby to niezwykły przełom w elektromobilności. Mimo to godna pozazdroszczenia gęstość 12 kWh/kg, cechująca paliwo lotnicze, jest całkowicie poza zasięgiem.
Przy obecnym stanie zaawansowania technologii akumulatory litowo-jonowe zawierające taką ilość energii jak zbiorniki paliwa lotniczego byłyby tak duże i ciężkie, że uniemożliwiałyby lot. Mimo to producenci samolotów robią stopniowe postępy. Postęp techniczny prawie nigdy nie dokonuje się skokowo. W latach 80. nawet nie można było sobie wyobrazić mocy obliczeniowej dzisiejszych procesorów komputerowych. Jest mało prawdopodobne, aby baterie rozwijały się w takim samym tempie jak półprzewodniki. Raczej nie zadziała tu żaden odpowiednik prawa Moore’a, które głosi, że liczba tranzystorów w procesorze podwaja się co dwa lata przy jednoczesnym spadku kosztu produkcji o połowę, ponieważ taki odpowiednik po prostu nie istnieje. W 2010 r. najlepsze baterie litowo-jonowe cechowały się gęstością energii na poziomie 140 – 170 Wh/kg, podczas gdy dziesięć lat wcześniej wynosiła ona 120 – 150 Wh/kg. Jak widać, postęp jest znacznie mniej spektakularny niż w przypadku procesorów. Niemniej w ciągu ostatnich pięciu lat tempo badań wzrosło, a nigdy wcześniej branża nie przyciągała tak dużej liczby utalentowanych ludzi i tak dużego finansowania. Tylko w ciągu trzech ostatnich lat ukazało się 53 tys. artykułów naukowych o akumulatorach litowo-jonowych, nie mówiąc już o pracach na temat baterii innego rodzaju. Jak napisał Henning Schoenenberger z cenionego wydawnictwa akademickiego Springer Nature w przedmowie do pierwszej w dziejach książki napisanej przez sztuczną inteligencję, „Przyszłość ludzkości zależy od postępów w badaniach nad bateriami litowo-jonowymi”.
Obecnie istnieją trzy podejścia do problemu elektryfikacji lotnictwa. Po pierwsze producenci mogą przerabiać istniejące samoloty, zastępując napęd spalinowy silnikami elektrycznymi. Choć taki przerobiony samolot zapisał się w annałach lotnictwa jako pierwszy statek powietrzny, który odbył lot wyłącznie na napędzie elektrycznym, ta metoda wiąże się z licznymi ograniczeniami. Przede wszystkim sprawdza się tylko w małych jednostkach, takich jak cessna. Nie zadziała w przypadku większych maszyn.
Po drugie można budować samoloty hybrydowe podobne do samochodów hybrydowych pod tym względem, że posiadają zarówno silniki elektryczne, jak i spalinowe. Tę strategię realizują wielcy gracze, tacy jak Airbus, zastępując jeden z czterech silników spalinowych motorem elektrycznym. Rozwiązania hybrydowe jako pierwsze przyjęły się na drogach i nadal są bardzo popularne. Przyczyniają się do ograniczenia emisji i rozwoju technologii akumulatorowych. Wydaje się, że podniebna rewolucja energetyczna pójdzie tym samym torem.
Po trzecie można zbudować od podstaw całkowicie elektryczny samolot, tak jak Tesla w branży motoryzacyjnej. Podobnie jak w przypadku samochodów, najlepszą pozycję wyjściową mają tu start-upy. Jednym z takich graczy jest izraelska firma Eviation, założona i prowadzona przez byłego majora Sił Obronnych Izraela, posiadającego 15-letnie doświadczenie w lotnictwie i przemyśle lotniczym. Zbudowała już ona swój pierwszy elektryczny samolot, który czeka na loty doświadczalne. Pierwszy oblot prototypu odbył się 27 września 2022 r.
Maszyna ochrzczona wdzięcznym imieniem Alice ma zgrabną linię, luksusowe wnętrze i może zabrać dziewięciu pasażerów w podróż na odległość 1000 km. W przypadku tej maszyny zasilanie bateryjne nie jest jedynym rozwiązaniem budzącym zainteresowanie. Na pierwszy rzut oka uderza widok śmigieł pchających umieszczonych za skrzydłami oraz trzeciego na ogonie (jak śruba w łodzi podwodnej). Uzupełnieniem tego niecodziennego designu jest tylne usterzenie w kształcie litery V, częściej spotykane w dronach wojskowych niż samolotach użytkowych. Źródłem energii jest ważąca 3,7 t bateria litowo-jonowa typu NMC o pojemności 820 kWh. Dla porównania: Model 3 Tesli ma w najwyższej wersji wyposażeniowej akumulator o pojemności 75 kWh. Dostawcą baterii jest mała, ale ciesząca się dużym uznaniem południowokoreańska firma, o której większość ludzi zapewne nigdy nie słyszała — Kokam. Jak przyznaje dyrektor Eviation, liczba akumulatorów potrzebnych na tym etapie rozwoju nie uzasadnia nawet rozpoczęcia procesu projektowania u któregoś z dużych producentów akumulatorów, takich jak LG Chem albo Samsung SDI. Tymczasem firma Kokam wyprodukowała wcześniej akumulatory do samolotu wyposażonego w panele słoneczne, który odbył pierwszy w historii lot dookoła świata, posługując się wyłącznie napędem elektrycznym. Akumulator samolotu Alice przy wadze 3,7 t stanowi 60% całkowitej masy samolotu. Gdyby umieścić go w całości w jednym miejscu na pokładzie maszyny, byłaby ona niezdolna do lotu. Dlatego 9400 ogniw NMC rozmieszczono równomiernie między innymi w sufitach, podłogach i skrzydłach. Pomimo dużej pojemności baterii ładowanie maszyny trwa zaledwie trzy godziny. Pierwszym klientem Eviation były amerykańskie regionalne linie lotnicze obsługujące krótkie trasy na Środkowym Zachodzie Stanów Zjednoczonych oraz na Karaibach. W ślad za nimi poszli inni operatorzy i pod koniec 2019 r. liczba zamówień na Alice doszła podobno do 150 sztuk.
Latanie na prądzie jest rozsądnym wyborem nie tylko ze względu na środowisko. Oznacza bowiem także duże oszczędności. Koszt eksploatacji samolotu jest szacowany na poziomie 200 dolarów na godzinę, w porównaniu z 1000 dolarów w przypadku maszyny z konwencjonalnym napędem turbośmigłowym lecącej na porównywalnym dystansie.
Samoloty elektryczne są też niesamowicie ciche, co może być ważne dla osób mieszkających w pobliżu lotnisk i korytarzy powietrznych. Pierwszy lot Alice był zaplanowany na 2020 r., a początek sprzedaży na 2021 r. Samolot stanął jednak w płomieniach podczas testów naziemnych w Arizonie w styczniu 2020 r. Według firmy pożar był spowodowany awarią naziemnego systemu zasilania. Rozwój lotnictwa opiera się na ciągłym doskonaleniu techniki metodą prób i błędów. Bracia Wright nigdy nie trafiliby do podręczników historii, gdyby nie ich nieustępliwość w obliczu licznych niepowodzeń doznawanych w ciągu wielu lat pracy. Pomimo ogromnego postępu technicznego nie można się spodziewać, że droga do elektryfikacji lotnictwa nie będzie wyboista.
W 2017 r. ogłoszono, że Airbus, Rolls-Royce i Siemens będą razem pracować nad stworzeniem samolotu E-Fan X o napędzie hybrydowym. Podstawą nowej konstrukcji będzie udany model BAe 146 o średnim zasięgu, wyprodukowany w latach 1983 – 2002 w 387 egzemplarzach. Jedna z wersji BAe 146 zabierała na pokład ponad 100 pasażerów i miała zasięg 3340 km. Ze względu na liczbę sprzedanych egzemplarzy model ten był uważany za najbardziej udany brytyjski samolot pasażerski o napędzie odrzutowym. W ramach prac nad modelem E-Fan X jeden z czterech silników odrzutowych zastąpiono motorem elektrycznym Siemensa o mocy 2 MW, zasilanym przez ważącą 2 tony baterię litowo-jonową o pojemności 700 kWh. Rolą zasilania elektrycznego w tym systemie było zwiększenie mocy podczas startu i wznoszenia samolotu oraz umożliwienie lądowania na napędzie czysto elektrycznym, co zmniejszyłoby hałas i emisję spalin w okolicach lotnisk. Po obszernych testach maszyna była gotowa do pierwszego lotu, ale projekt został skasowany w czasie pandemii koronawirusa w 2020 r. Zaangażowane w projekt firmy zapewniały, że był on ważnym krokiem w rozwoju lotnictwa elektrycznego, a wysiłek włożony w jego realizację nie poszedł na marne. Ale czy istnieje choć jeden samolot elektryczny — czy to hybrydowy, czy z zasilaniem czysto bateryjnym — który w ogóle zdołał wzbić się ponad ziemię?
W grudniu 2019 r. z tafli jeziora w Vancouver wystartował pierwszy na świecie samolot z napędem czysto elektrycznym. Lot trwał cztery minuty, w czasie których hydroplan pokonał 16 km nad powierzchnią wody.
Pomimo krótkiego dystansu i dużej ostrożności przejawiającej się w locie nad wodą, wydarzenie to ma wymiar historyczny. Model de Havilland Beaver został wyposażony w jednotonowy akumulator litowo-jonowy i silnik elektryczny o mocy 750 KM. Kanadyjski operator Harbour Air, pod którego auspicjami odbył się dziewiczy lot maszyny, pragnie zelektryfikować całą swoją flotę do 2022 roku.
Niedługo potem, w maju 2020 r., powtórzono ten wyczyn, tym razem samolotem Cessna Caravan 208B, który normalnie zabiera na pokład dziewięciu pasażerów. Maszyna krążyła przez całe 30 minut wokół lotniska Grant County International Airport w Waszyngtonie. Silnik elektryczny wyprodukowała firma magniX — ta sama, która wyposażyła maszynę Harbour Air.
Półgodzinny lot elektryczną cessną kosztuje tylko 6 dolarów, podczas gdy w przypadku samolotu z napędem konwencjonalnym waha się w przedziale 300 – 400 dolarów. Droga do pokonywania samolotami elektrycznymi trasy z Londynu do Japonii wciąż jest bardzo daleka, ale przyszłość lotnictwa elektrycznego na krótszych, regionalnych trasach, zwłaszcza na obszarach o nieskażonym środowisku, jest bliżej, niż może się wydawać. Niskie koszty eksploatacji mogą też sprawić, że latanie stanie się tańsze i dostępne dla wszystkich.
|
|
„Lit: złoto przyszłości. Globalny wyścig o dominację w produkcji baterii i zwycięstwo w nowej rewolucji energetycznej”
|