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前瞻性白皮书绘制研发路径图, 为电气航空业插上翅膀

放大字体  缩小字体 发布日期:2021-11-26

 

美国能源部(DOE)阿贡国家实验室,DOE车辆技术部(VTO),美国国家航空航天局(NASA)格伦研究中心和其他专家致力于实现电动航空。

在过去的五年里,世界航天业已经经历一场增长的变革,在锂离子电池成本下降和性能提高的推动下,喷气式发动机向电动机的进行转变。电力推进具有很多有点,其中包括更低的燃料成本和维护成本,降低噪音和空气污染以及独特的飞机设计。

据估计,一种被称为Urban Air Mobility(UAM)的新型航空服务系统到2030年将拥有900万美元的市场,至2041年扩大到8000万美元的市场。

 

阿贡储能科学合作中心(ACCESS)发表的白皮书概述了加速从空中出租车飞机到737(适合中短程航线)电力推进商业化的电池需求和研发需求。(图片由阿贡国家实验室提供。)

电气航空研发需求联合评估:美国在电池、航空、推动力和集成系统方面拥有足够专业的知识,可以为未来100年的航空发明电源。

然而我们如何可以在未来实现电气化呢?阿贡储能科学合作中心(ACCESS)发表了一篇具有前瞻性的白皮书,概述了加速推进电力商业化的一系列电池需求和研发需求,从近期的短程飞机到长期的737航线。

这本白皮书是2019年12月由美国能源部(DOE)阿贡国家实验室在两天的会议中讨论的结果,致力于了解航空电池的研发需求。该会议由DOE汽车技术部与NASA格伦研究中心召开,吸引了来自航空公司、元件制造商、电池行业、材料行业、汽车行业以及学术与实验室研究人员等近100位专家莅临参加。

该白皮书探讨了四种飞机概念:空中出租车(air taxis)、20人通勤飞机(20-passenger commuter aircrafts)、50人支线客机(50-passenger regional jets)和150人单通道737级飞机(150-passenger, single-aisle 737 class aircraft)。针对每一种飞机概念,白皮书都有记录每一个研发领域,DOE和NASA可以帮助推进电动航空电池的创新。

针对短程飞机和通勤飞机的市场,该文件要求评估航空条件下的下一代锂离子化学物质(例如,硅、先进的阴极材料,锂金属等),并检查故障模式和安全性。对于客机而言,该文件提倡扩大固态电池中的研发,探索新设计、制造方法和高温操作。对于737飞机,该文件建议研究高能系统,包括硫基电池和氢载体,这远远超过目前正在研发的系统。

白皮书的主要作者,ACCESS主管Venkat Srinivasan说:“未来10年,我们明显地看到一场在全球电动航空商业化的竞赛。电池与航空领域的交流有助建立一种共同的语言,以确保从地面运输电气化中获得的深刻知识能够加速航空领域的过渡。”

电动航空已经在未来5到10年内蓄势待发,电动汽车电池的创新在电动航空领域同样发挥着重要作用。然而,这两种应用还是存在差别的,需要专门关注电池的任务特定用途及其驱动的独特需求,同时航空特定任务提供的一些优势。从长期来看,电动航空需要的能量密度远远超过当前能源部和行业投资的目标,需要为实现这一未来的最佳方法进行思考。

NASA格伦研究中心与工程副部长Ajay Misra说:“白皮书的调研结果为政府机构提供了投资战略框架,在电动航空技术方面已经超过了目前在汽车行业的投资水平。”

下一个航空时代,包括波音公司、空中客车公司(Airbus)、劳斯莱斯(Rolls)、GE航空公司、United Technologies、巴西航空(Embraer)以及Bell公司等航空航天公司正在进行重大投资。此外,在美国还有很多初创企业都致力于围绕电动航空的创新。这其中有Uber Elevate,目标是到2023年以电气化为核心原则可以提供价格合理的共享航班。还有像是戴姆勒、丰田、现代、保时捷等一些汽车行业也开始向航空领域发展。事实上,现代正在与Uber合作设计开发一款有60英里航程的概念空中机动车辆。

DOE汽车技术部领导Dave Howell说:“现在用于电动汽车的锂离子电池的成本、性能和安全性能方面的进步,主要是归功于过去10年能源部研发的研发指导。考虑到该研究的成熟度、多样性和创新性,能源部期待可以在电动航空储能需求方面取得成功。”

在12月份的会议上,阿贡仍然坚持推动电动航空事业,鼓励行业领导者分享各自的想法,有助于共同实现目标。阿贡国家实验室在电池和储能创新上有悠久的历史。能源和全球安全理事会(Energy and Global Security director)实验室副主任Suresh Sunderrajan指出实验室帮助锂离子电池发生了历史性的转变。

在12月的会议中,Sunderrajan 说:“虽然我们对电动汽车的研究还将继续,但我们正在利用现有研究成果向电动航空领域发展。”

在短期内,锂离子电池可以适用于短程飞机概念,首次推入市场。随着电池性能的提高和先进的化学制剂适应航空特殊需求,电动航空市场将继续和扩大电气化。然而,大型支线飞机和737级飞机的电气化需要新型储能。因此,在未来10年,我们将看到一场在全球电动航空商业化的竞赛。

DOE和NASA计划在未来组织一场评估会议。NASA计划能够研发出更好地定义飞机电池需求的方法,并确保制定行业标准。DOE计划在联邦基金公告(FOA)和国家实验室基金中纳入对飞机的要求。

然后,DOE和NASA将考虑组织一次会议讨论能够对大型飞机提供电力推进的非常高能量密度电化学储能和转换的方法。DOE和NASA还计划组织一次针对航空电池组标准化并简化电池或电池组的供应链的会议。

白皮书中总结:美国在电池、航空、推动力、集成系统方面方面拥有足够专业的知识,可以为未来100年的航空发明电源。

 

中国化学与物理电源行业协会 杨柳翻译

2021.11.24

 
关于我们:中国化学与物理电源行业协会(China Industrial Association of Power Sources,缩写:CIAPS) 是由电池行业企(事)业单位自愿组成的全国性、行业性、非营利性的社会组织。协会成立于1989年12月,现有530多家会员单位,下设碱性蓄电池与新型化学电源分会、酸性蓄电池分会、锂电池分会、太阳能光伏分会、干电池工作委员会、电源配件分会、移动电源分会、储能应用分会、动力电池应用分会和电池隔膜分会等十个分支机构。
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