Nous n'aurons pas d'avions électriques tant que la technologie des batteries ne s'améliorera pas | Engagé

Nous n'aurons pas d'avions électriques tant que la technologie des batteries ne s'améliorera pas |  Engagé

Les avions de ligne commerciaux d'aujourd'hui ne sont pas exactement économes en carburant. Le 747 moyen, par exemple, brûle un gallon de carburant à base de kérosène chaque seconde qu'il vole. Et avec 8,2 milliards de personnes qui devraient s'envoler chaque année d'ici 2037, des alternatives sans carbone au Jet A-1 seront nécessaires dans afin de compenser l'impact de l'industrie sur le réchauffement climatique. Nous approchons de l'ère des avions électriques.

Des chercheurs pionniers, des scientifiques et des entrepreneurs travaillent sur le rêve du vol électrifié depuis la fin du XIXe siècle, lorsque les batteries plomb-acide lourdes ont été chargés sur les premiers dirigeables pour alimenter leurs hélices. Nous avons également vu un certain nombre de nouveaux moyens d'alimenter les avions en vol au fil des ans, des attaches conductrices remontant jusqu'au sol aux panneaux solaires à transmission d'énergie par micro-ondes , mais ce n'est qu'avec l'avènement d'une technologie de batterie nickel-cadmium (NiCad) relativement plus dense en énergie que les avions électriques en vol libre à l'échelle humaine sont devenus techniquement réalisables.

Mais alors même que la chimie des batteries a évolué et que les densités d'énergie ont augmenté au cours des dernières décennies, les cellules lithium-ion de pointe d'aujourd'hui posent le même dilemme à l'industrie aéronautique qu'à l'automobile: comment équilibrer correctement le rapport énergie/poids de leurs batteries.

«Si un avion gros porteur utilisait les batteries d'aujourd'hui, il faudrait 1,2million de livres de batteries juste pour générer la puissance du moteur à réaction qu'il remplacerait », Emily Pickrell, boursière en énergie de l'Université de Houston, a exprimé son opinion dans Forbes tôt euh cette année. « Ce poids aurait effectivement besoin de huit avions à réaction supplémentaires juste pour transporter ce poids! »

pour cent à chaque itération annuelle, c'est pourquoi un certain nombre de chercheurs et de sociétés de batteries recherchent déjà la prochaine chimie de batterie révolutionnaire – que ce soit Sodium-ion (Na-ion), Lithium-métal (Li-métal), Lithium-Soufre (Li-S), ou Zinc-air (Zn-air).

Quelle que soit leur composition, les batteries doivent devenir beaucoup plus légères et plus denses en énergie si elles veulent attaquer et détrôner le kérosène qui, avec une densité énergétique de 9,6 kWh/L, rend le liquide inflammable environ 50 fois plus dense en énergie que les meilleurs li-ions actuels. Pour être juste, en raison des inefficacités inhérentes aux moteurs à combustion interne , ce chiffre tombe à environ 14 fois la densité d'énergie d'une batterie li-ion si vous comparez equa l poids du carburant et des batteries.

Par exemple, la batterie à base de lithium-ion d'une Tesla Model 3 affiche une densité d'énergie de 260 Wh/kg tandis que CATL a annoncé plus tôt ce année qu'il avait construit une batterie sodium-ion avec une densité de 160 Wh/kg (bien qu'il espère atteindre 200 Wh/kg d'ici 2023). Les batteries lithium-soufre ont montré la capacité à contenir jusqu'à 600 Wh/kg , bien que cette technologie se heurte à d'importants obstacles de longévité (c'est-à-dire la chimie a tendance à ronger les électrodes) avant de pouvoir être largement utilisés. Actuellement, les petits avions de 2 et 4 personnes équipés de systèmes d'alimentation électrique fonctionnent généralement à 250-270 Wh/kg d'énergie spécifique, mais les experts de l'industrie s'attendent à ce que les densités énergétiques atteignent 350 – 400 Wh/kg avant que l'industrie de l'aviation électrique ne décolle vraiment – quelque chose qui pourrait arriver dans les prochaines années, selon le PDG de Tesla, Elon Musk.

Prévenir et atténuer l'emballement thermique est un autre test critique pour l'aviation électrique. Lorsqu'une cellule de batterie, ou même une zone à l'intérieur d'une seule cellule, fonctionne mal en raison d'une défaillance mécanique, thermique ou électrochimique, sa température peut augmenter au-delà des niveaux de sécurité, ce qui provoque la production par la cellule de dégagements gazeux de lithium, provoquant le gonflement des parois de la cellule, puis se rompre, libérant l'intégralité de sa réserve d'énergie. Lorsqu'une cellule éclate, elle peut endommager et surchauffer les cellules environnantes, provoquant une défaillance en cascade qui entraîne une explosion et un incendie. Lorsque cela arrive à une Chevy Volt, la voiture sera probablement une perte de valeur (les doigts croisés, cela n'a pas également mis le feu à votre maison) mais si un tel la panne devait se produire en vol sur un 747 électrifié, la perte de vie serait catastrophique.

Pour minimiser les risques d'un véritable emballement, la détection précoce des défaillances de cellules est la clé . Comme le dégagement gazeux se produit généralement quelques minutes avant la rupture d'une cellule, la présence d'un système de surveillance qui compare les capteurs placés à proximité d'une batterie Li-ion à ceux collectés par un capteur de référence plus éloigné peut alerter de la présence d'une cellule défaillante. Et pour annuler tous les gaz qui ont déjà été libérés, des systèmes d'extinction d'incendie armés de gaz inerte – pour empêcher les gaz d'échappement d'atteindre des niveaux combustibles lorsqu'ils sont mélangés à de l'oxygène atmosphérique – peuvent également être utilisés. Bien entendu, un entretien régulier et des inspections rigoureuses aident également à prévenir les défaillances des cellules avant que la situation ne devienne explosive.

Rolls-Royce

Les avions électriques à batterie offriront également des défis uniques pour équilibrer la vitesse de l'air et la portée, bien que pour Rolls-Royce, ce n'est même pas une question – la vitesse jusqu'au bout. Au cours des dernières années, Rolls-Royce a travaillé tranquillement sur le projet ACCEL (accélération de l'électrification du vol), la construction d'un avion de course à batterie, baptisé Spirit of Innovation, dans le but d'établir un nouveau record du monde de vitesse air.

Le record a été déjà établi en 2017 lorsqu'un Extra 330LE à propulsion électrique, utilisant une centrale électrique Siemens eAircraft, a atteint une vitesse de pointe de 209,7 mph (337,5 km/h) sur une distance de 3 kilomètres cours. L'exploit a été certifié par la Fédération mondiale des sports aériens (FAI) comme le vol le plus rapide à propulsion électrique par un avion pesant moins de 1 000 kg au décollage, battant le précédent record (établi en 2013) d'un peu plus de 13 km/h.

En plus du record de 3 kilomètres, Rolls-Royce a également la possibilité d'établir des records FAI pour une distance de 15 km et le «temps d'altitude», en gros la vitesse à laquelle l'avion peut décoller et atteindre une hauteur déterminée. « Ce doit être un nombre important », a déclaré Simon Burr, directeur de l'ingénierie et de la technologie de Rolls-Royce – Civil Aerospace, Aerosociety. « Nous prévoyons de voler à plus de 300 mph. Nous verrons jusqu'où nous pourrons aller.

Rolls-Royce

Pour sa tentative, Rolls-Royce — qui s'associe au fabricant britannique de moteurs électriques YASA et à la start-up Electroflight, qui fabrique des systèmes de batterie sur mesure, a acquis une paire de Sharp Nemesis NXT biplace air racers. L'un a été utilisé pour les essais au sol tandis que le second effectuera les vols réels. Le Nemesis NXT détient déjà le record FAI de 3 km avec une vitesse de pointe enregistrée de 415 mph (667,8 km) en utilisant un moteur à combustion interne Lycoming de 400 ch.

L'équipe Rolls-Royce a remplacé ce moteur Lycoming. pour un trio de moteurs électriques YASA 750v produisant environ 400kW (530hp) tandis que le réservoir de carburant a été remplacé par trois packs de batteries indépendants.

Rolls-Royce

«Le principal défi de l'électrification est le poids», Andy, ingénieur d'essais en vol chez Rolls-Royce Roberts a déclaré lors d'un point de presse en septembre. Non seulement le système de batterie à 6 000 cellules à bord du Nemesis NXT a déplacé le centre d'équilibre de l'avion, mais le système de batterie de 450 kg ne s'allège pas non plus avec le temps, contrairement aux réservoirs de carburant conventionnels, ce qui pourrait avoir un impact sur les performances de l'avion au cours des dernières étapes du Cours. Les batteries sont si importantes que le pilote d'essai en chef de Rolls-Royce, Phill O'Dell, a dû perdre 2 kg de poids corporel pour aider à maintenir le poids global de l'avion dans les marges de fonctionnement.

L'emballement thermique est un phénomène bien réel préoccupation pour l'équipe Rolls-Royce, car ils pousseront ces batteries à leurs limites absolues pendant le vol. Afin d'atténuer ce problème, les cellules sont séparées par des plaques de refroidissement liquide et stockées dans des boîtiers ignifuges enveloppés de liège (le matériau de liège poreux aide à diffuser la chaleur). En cas de surchauffe d'une cellule au point d'évacuer les gaz dégagés, l'avion est également équipé d'un système de suppression des gaz inertes et de ventilation.

Le 15 septembre, le Spirit of Innovation a effectué son premier vol d'essai depuis l'aérodrome de Boscombe Down du ministère britannique de la Défense, en volant pendant 15 minutes. La société espère que le Nemesis sera prêt pour une course officielle au record avant la fin de cette année.

«Le premier vol du Spirit of Innovation est une grande réussite… Nous nous concentrons sur la production des percées technologiques dont la société a besoin pour décarboner les transports aériens, terrestres et maritimes, et saisir l'opportunité économique de la transition vers le zéro net », Warren East, PDG de Rolls-Royce, a déclaré dans un communiqué . « Il ne s'agit pas seulement de battre un record du monde ; la technologie avancée de batterie et de propulsion développée pour ce programme a des applications passionnantes pour le marché de la mobilité aérienne urbaine. c'est plus rapide que la concurrence. Des petites startups aux piliers de l'industrie – même la NASA – les entreprises et les gouvernements du monde entier se précipitent pour développer des avions électriques commercialement viables à la fois pour les vols de passagers et le transport de fret.

Guglielmo Mangiapane / reuters

Bye Aerospace, par exemple, construit des avions d'entraînement électrifiés à 2 places appelés eFlyer, de fonction similaire à l'eAircraft de Diamond Aircraft . Depuis 2018, l'avionneur slovène Pipistrel vend son Alpha Electro à 140 000 $ ), le premier avion électrique à obtenir la certification FAA. Air Race E, qui, selon la société, est la première série de courses aériennes entièrement électriques au monde lorsqu'elle démarrera plus tard cette année (il vaut mieux vivre avec son temps, Red Bull Air Race), et des démonstrateurs comme le City Airbus, un eVTOL 4 places. Ces véhicules électriques capables de décoller et d'atterrir verticaux sont devenus une option populaire pour les voyages en avion sans carburant fossile, comme le concept de monoplace de Cadillac , le concept à construire soi-même Jetson Aero, le chinois EHang AAV, le programme de taxi aérien abandonné depuis ou le programme de taxi aérien en cours de Volocopter .

Malheureusement, malgré toutes les recherches et le battage médiatique entourant le transport aérien électrifié, de nombreux experts de l'industrie restent sceptiques quant à son adoption généralisée pendant au moins quelques autres décennies – au moins pour les avions à grande échelle comme le Boeing 787 ou l'Airbus A350. Jusqu'à ce que les technologies de batterie deviennent suffisamment robustes, nous verrons très probablement les eVTOLS limités aux tâches intra-urbaines à court terme dans un avenir prévisible, s'étendant finalement aux escapades interurbaines et aux jets de banlieue régionaux. Pourtant, il vaut mieux être assis dans la circulation.

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