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      前瞻性白皮書繪制研發路徑圖, 為電氣航空業插上翅膀

      放大字體  縮小字體 發布日期:2021-11-26

       

      美國能源部(DOE)阿貢國家實驗室,DOE車輛技術部(VTO),美國國家航空航天局(NASA)格倫研究中心和其他專家致力于實現電動航空。

      在過去的五年里,世界航天業已經經歷一場增長的變革,在鋰離子電池成本下降和性能提高的推動下,噴氣式發動機向電動機的進行轉變。電力推進具有很多有點,其中包括更低的燃料成本和維護成本,降低噪音和空氣污染以及獨特的飛機設計。

      據估計,一種被稱為Urban Air Mobility(UAM)的新型航空服務系統到2030年將擁有900萬美元的市場,至2041年擴大到8000萬美元的市場。

       

      阿貢儲能科學合作中心(ACCESS)發表的白皮書概述了加速從空中出租車飛機到737(適合中短程航線)電力推進商業化的電池需求和研發需求。(圖片由阿貢國家實驗室提供。)

      電氣航空研發需求聯合評估:美國在電池、航空、推動力和集成系統方面擁有足夠專業的知識,可以為未來100年的航空發明電源。

      然而我們如何可以在未來實現電氣化呢?阿貢儲能科學合作中心(ACCESS)發表了一篇具有前瞻性的白皮書,概述了加速推進電力商業化的一系列電池需求和研發需求,從近期的短程飛機到長期的737航線。

      這本白皮書是2019年12月由美國能源部(DOE)阿貢國家實驗室在兩天的會議中討論的結果,致力于了解航空電池的研發需求。該會議由DOE汽車技術部與NASA格倫研究中心召開,吸引了來自航空公司、元件制造商、電池行業、材料行業、汽車行業以及學術與實驗室研究人員等近100位專家蒞臨參加。

      該白皮書探討了四種飛機概念:空中出租車(air taxis)、20人通勤飛機(20-passenger commuter aircrafts)、50人支線客機(50-passenger regional jets)和150人單通道737級飛機(150-passenger, single-aisle 737 class aircraft)。針對每一種飛機概念,白皮書都有記錄每一個研發領域,DOE和NASA可以幫助推進電動航空電池的創新。

      針對短程飛機和通勤飛機的市場,該文件要求評估航空條件下的下一代鋰離子化學物質(例如,硅、先進的陰極材料,鋰金屬等),并檢查故障模式和安全性。對于客機而言,該文件提倡擴大固態電池中的研發,探索新設計、制造方法和高溫操作。對于737飛機,該文件建議研究高能系統,包括硫基電池和氫載體,這遠遠超過目前正在研發的系統。

      白皮書的主要作者,ACCESS主管Venkat Srinivasan說:“未來10年,我們明顯地看到一場在全球電動航空商業化的競賽。電池與航空領域的交流有助建立一種共同的語言,以確保從地面運輸電氣化中獲得的深刻知識能夠加速航空領域的過渡。”

      電動航空已經在未來5到10年內蓄勢待發,電動汽車電池的創新在電動航空領域同樣發揮著重要作用。然而,這兩種應用還是存在差別的,需要專門關注電池的任務特定用途及其驅動的獨特需求,同時航空特定任務提供的一些優勢。從長期來看,電動航空需要的能量密度遠遠超過當前能源部和行業投資的目標,需要為實現這一未來的最佳方法進行思考。

      NASA格倫研究中心與工程副部長Ajay Misra說:“白皮書的調研結果為政府機構提供了投資戰略框架,在電動航空技術方面已經超過了目前在汽車行業的投資水平。”

      下一個航空時代,包括波音公司、空中客車公司(Airbus)、勞斯萊斯(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進行重大投資。此外,在美國還有很多初創企業都致力于圍繞電動航空的創新。這其中有Uber Elevate,目標是到2023年以電氣化為核心原則可以提供價格合理的共享航班。還有像是戴姆勒、豐田、現代、保時捷等一些汽車行業也開始向航空領域發展。事實上,現代正在與Uber合作設計開發一款有60英里航程的概念空中機動車輛。

      DOE汽車技術部領導Dave Howell說:“現在用于電動汽車的鋰離子電池的成本、性能和安全性能方面的進步,主要是歸功于過去10年能源部研發的研發指導??紤]到該研究的成熟度、多樣性和創新性,能源部期待可以在電動航空儲能需求方面取得成功。”

      在12月份的會議上,阿貢仍然堅持推動電動航空事業,鼓勵行業領導者分享各自的想法,有助于共同實現目標。阿貢國家實驗室在電池和儲能創新上有悠久的歷史。能源和全球安全理事會(Energy and Global Security director)實驗室副主任Suresh Sunderrajan指出實驗室幫助鋰離子電池發生了歷史性的轉變。

      在12月的會議中,Sunderrajan 說:“雖然我們對電動汽車的研究還將繼續,但我們正在利用現有研究成果向電動航空領域發展。”

      在短期內,鋰離子電池可以適用于短程飛機概念,首次推入市場。隨著電池性能的提高和先進的化學制劑適應航空特殊需求,電動航空市場將繼續和擴大電氣化。然而,大型支線飛機和737級飛機的電氣化需要新型儲能。因此,在未來10年,我們將看到一場在全球電動航空商業化的競賽。

      DOE和NASA計劃在未來組織一場評估會議。NASA計劃能夠研發出更好地定義飛機電池需求的方法,并確保制定行業標準。DOE計劃在聯邦基金公告(FOA)和國家實驗室基金中納入對飛機的要求。

      然后,DOE和NASA將考慮組織一次會議討論能夠對大型飛機提供電力推進的非常高能量密度電化學儲能和轉換的方法。DOE和NASA還計劃組織一次針對航空電池組標準化并簡化電池或電池組的供應鏈的會議。

      白皮書中總結:美國在電池、航空、推動力、集成系統方面方面擁有足夠專業的知識,可以為未來100年的航空發明電源。

       

      中國化學與物理電源行業協會 楊柳翻譯

      2021.11.24

       
      關于我們:中國化學與物理電源行業協會(China Industrial Association of Power Sources,縮寫:CIAPS) 是由電池行業企(事)業單位自愿組成的全國性、行業性、非營利性的社會組織。協會成立于1989年12月,現有530多家會員單位,下設堿性蓄電池與新型化學電源分會、酸性蓄電池分會、鋰電池分會、太陽能光伏分會、干電池工作委員會、電源配件分會、移動電源分會、儲能應用分會、動力電池應用分會和電池隔膜分會等十個分支機構。
      本會專業范圍包括:鉛酸蓄電池、鎘鎳蓄電池、氫鎳蓄電池、鋅錳堿錳電池、鋰一次電池、鋰離子電池、太陽電池、燃料電池、鋅銀電池、熱電池、超級電容器、溫差發電器及其他各種新型電池、電池系統解決方案,以及各類電池用原材料、零配件、生產設備、測試儀器和電池管理系統等。

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