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航空电气化已在起飞前夜

2024-04-16 09:41:55   来源:国际镍协会   编辑:程波   查看:221
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简介:在应对温室气体减排的战斗中,几乎所有运输模式都在探索和部署化石燃料交通工具的替代品。电池电源在其中发挥着重要作用,特别是在道路交通应用中。到目前为止,虽然航空业一直相对抵制这种变化,但航空电气化已在起飞前夜。

(本文选自《航空电气化:接近起飞速度?》,刊载于国际镍协会主编的《镍杂志》,第38卷,2023年第3期);题目由笔者新加。)

在应对温室气体减排的战斗中,几乎所有运输模式都在探索和部署化石燃料交通工具的替代品。电池电源在其中发挥着重要作用,特别是在道路交通应用中。到目前为止,航空业一直相对抵制这种变化。然而,航空业的排放量约占交通运输相关排放量的 12%。疫情之后,社会对航空运输的需求(包括客运和货运)再次猛增。若不采取缓解措施,这一排放水平将可能继续增长。因此,可以认为,在利用替代能源降低环境影响方面,航空业面临的压力越来越大。

全面的重新设计刻不容缓

在应对温室气体减排的战斗中,几乎所有运输模式都在探索和部署化石燃料交通工具的替代品。电池电源在其中发挥着重要作用,特别是在道路交通应用中。到目前为止,航空业一直相对抵制这种变化。然而,航空业的排放量约占交通运输相关排放量的12%。疫情之后,社会对航空运输的需求(包括客运和货运)再次猛增。若不采取缓解措施,这一排放水平将可能继续增长。因此,可以认为,在利用替代能源降低环境影响方面,航空业面临的压力越来越大。

截止目前,该行业倾向于探索氢动力和可持续航空燃料等方案。在某种程度上,这反映了现有市场的惰性;航空业的发展已经非常成熟;原始设备制造商生产与传统喷气燃料动力航空发动机兼容的机身,而航空发动机制造商生产与现代机身兼容的动力装置。如果改用电力设备需要对商用飞机的机身进行全面的重新设计,既费钱又费时。另一个原因是,该行业普遍认为电池的能量密度不足以弥补其重量 增加。这方面十分具有挑战性,因为与喷气燃料不同,电池的重量不会随着电力的使用而降低。然而,应注意,这在某种程度上是一种误导;电力应用可以减轻航空器多个其他方面的重量。

提供概念证明

那么,电池电源在航空中有应用吗?显然,答案是:有应用。事实上,在轻型飞机领域,电池应用已经成为现实;Pipistrel Velis  Electro——单引擎双座轻型飞机,自2020年起在欧洲获得运营认证。其中两个高性能电池使其能够飞行长达50分钟(在发生故障时可以使用一个电池),这与传统轻型飞机几乎没有区别。尽管第一架全电飞机的认证不足以改变游戏规则,但它代表了一个重要的概念证明。电动飞机方案确实可行,这无可争辩。该飞机促进了新的发展。

下一步是增加电池的能量密度;增加能量密度有利于进一步提高续航里程和性能。镍在这方面发挥的作用越来越大。目前,镍在传统飞机中有许多应用,特别是喷气涡轮机,镍基超合金可提供卓越的高温强度、耐腐蚀性和热稳定性。在未来航空中,镍提高电池能量密度的能力将成为其主导作用。

关键推动力

电动飞机上部署的所有已投入使用和正在开发的电池,均利用高镍化学物质来实现高比能。在高比能电池中,镍通常与钴和锰(NCM)/铝(NCA)结合使用。当这些材料分布于阴极的过渡金属层时,它们会共同作用,提高性能。制造商已经意识到,增加镍的含量可以提高电池的存储容量,且不会显著增加重量,从而提高整体能量密度。现在,飞机用电池电源已经被证明可行,这一发展将进一步带来重大推动力。

航空电池的安全性是根本问题。波音787“梦想客机”是一架传统动力飞机,在其早期阶段,由于机载电源使用的锂电池存在热失控问题,曾导致飞机起火。这在地面上是个严重问题,在空中则是更严重的问题。该行业已经认识到这些问题,经认证飞机使用的电池必须具备耐热失控能力。即使真的发生火灾,火势也能得以控制,不会蔓延到其他电池组甚至飞机上。此外,电池的潜在风险还需要与携带大量高度易燃航空燃料所构成的风险进行对比权衡。

更轻、更静、更可靠

就飞机电池和镍应用的市场潜力而言,不应单从现有航空应用的角度来看待机会。传统航空公司(通常)依赖于两个体积和噪音越来越大、质量也越来越重的动力装置,因此在设计方面受到了巨大限制,这也决定了其部署方式,并需要机场的重要基础设施。在可预见的未来,它们不可能被淘汰;电池还不能作为替代品。

然而,在其他情况下却可以。电动引擎更轻、更静、更可靠,移动部件更少,无论大小,均能提供相对恒定的功率与重量比。因此,更大的发动机并非必然选项,因为电动引擎在机身上的位置限制要少的多。这意味着电动垂直起降(eVTOL)飞机正在成为现实。其发动机在运行时接近静音,开辟了一系列潜在应用,包括空中出租车、快递服务和紧急服务。

除了空客和波音等现有参与者外,市场。其中包括许多初创制造商也正寻求进入这个Maeve(44–50座)、Ev iat ion(9 座),这两家公司正在寻求生产航程为250–330海里的支线飞机。在整个使用寿命期间,它们将分别使用约30吨和9吨镍。此外,美国公司Joby Aviation和Archer Av iation 以及德国制造商 Lilium 都在开发空中出租车,制造商Pipistrel的Velis也是其中之一。

对电池市场潜力的估计取决于诸多变量,最重要的是飞机和电池的数量。然而,随着减排目标的压力越来越大,以及对空中运输的需求不断增加,镍的机会很大。

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