Letadla na baterky na baterky

  • 19.09.2021 09:00

Letectví se v podstatě od svého zrodu točí okolo spalování ropných produktů. V současné době činí podíl letecké dopravy na světových emisích okolo 2 %, přičemž za posledních asi 30 let došlo díky masové obměně leteckých parků k výraznému nárůstu palivové účinnosti letadel, a tím i snížení uhlíkové stopy.

V rámci boje za záchranu planety to však zjevně nestačí a politici dále míří na leteckou dopravu se svou vizí o bezemisním létání. Jde o politicky atraktivní marketingovou zkratku. Následující úvaha dokládá, že vize krásného, bezemisního světa není realizovatelná bez vědecko-technické revoluce. Pokud je vůbec realizovatelná.

Protože bylo shledáno, že přechod na udržitelná paliva není na naší utopické cestě k dekarbonizovanému světu dost radikální, priorita se přesunuje od udržitelného paliva k letadlům s elektrickým pohonem. Při absenci racionálních argumentů se k prosazení ideologických, tj. iracionálních cílů používá represe – limity, emisní povolenky, ekologické daně a další regulace.

Problém je, že politickými hesly lze sice úspěšně manipulovat veřejnost, nikoliv však fyzikální zákony. O tom se naposledy přesvědčili nadšení budovatelé komunismu razící heslo „poručíme větru dešti“.

Následující úvaha není ideologická, připomíná fyzikální a ekonomickou realitu letadel na baterky. Místo emocí nabízíme fakta, a to na základě analýzy, kterou publikovaly Leeham News, a která se zabývá některými aspekty konstrukce a provozu elektrického letadla pro dopravu 19 cestujících na krátké vzdálenosti, a to na trhu USA.

Leeham News upozorňují na nákladové aspekty projektů elektrických letadel, které v rámci politického marketingu často nejsou prezentovány.

Eleketrický (bateriový) Heart Aerospace ES-19. (Vizualizace: Heart Aerospace).

Přednosti elektrických letadel

Výhodou elektrických letadel jsou kromě nulových emisí (zanedbáme-li, že elektřina se tak jako tak bezemisně nevyrobí) nízké provozní náklady na údržbu dané nenáročností elektrického pohonu a nízkou cenou elektřiny. Jak si ukážeme, jde o výhodu zdánlivou. Akumulátory je třeba na konci jejich životnosti vyměňovat a k jejich výrobě se používá řada materiálů, které životní prostředí zatěžují. Jak napovídá analogie s elektrickými auty, výměna baterií nijak levnou záležitostí nebude. Obecná analogie mezi auty na elektřinu a letadly na elektřinu neexistuje.

Pokud jde o cenu elektřiny, v USA se pohybují ceny okolo 6 až 7 centů za kWh, cena paliva Jet A je 565 dolarů za 1000 kg, což odpovídá asi 5 centům na kWh. Jeden kilogram paliva Jet A obsahuje asi 12 kWh energie. Účinnost dnešních turbovrtulových motorů je však nízká. Reálná efektivnost cesty od paliva k vrtuli u 19místného letadla je asi 27 %, což vynikne ve srovnání s moderními tryskovými letadly, které poskytují efektivnost 50 % až 55 %. Elektrická pohonná jednotka bude mít účinnost asi 92 %.

To znamená, že přepočtené náklady na kWh jsou asi 17,4 centu u turbopropu a okolo 7 centů u elektrického letadla. Potud zcela přesvědčivé argumenty pro budoucnost elektrických letadel. A také moment, kde marketingová komunikace obvykle končí.

Elektrická letadla nabídnou jen malý dolet

Úvaha předpokládá shodnou konstrukci letadla, tj. v podstatě stávající turboprop, kde složité motory zamořující ovzduší nahradíme jednoduchými a účinnými elektromotory a palivové nádrže nahradí akumulátory. Čtenáři je asi jasné, že takto jednoduché to nebude.

Že konstrukce letadel nebude shodná ukazuje i výše uvedená vizualizace Heart Aerospace ES-19. Vysvětlíme proč.

Uložit energii v soudobých akumulátorech je mimořádně neefektivní, neboť jejich energetická „hustota“ je nízká. Zatímco Jet A „uchová“ v 1 kg hmotnosti 12 kWh energie, dnešní baterie „uchovají“ pouze 0,160 kWh/kg. Baterie letadla tedy budou velmi těžké, což ovlivní konstrukci letadla. Ostatně historie letectví je do značné míry historií boje s hmotností.

Typická baterie se bude sestávat z 300 000 článků. Stávající letecké certifikace požadují, aby baterie byla chráněna proti požáru v případě přehřátí a zahoření článku (viz známý problém Dreamlinerů). A článků je tam, jak bylo uvedeno, 300 000. To vyžaduje použít složitou ochranu, která způsobí, že hmotnost certifikované baterie je o 50 % větší, než je samotná hmotnost článků. Jde o specifický problém letectví, výrobci aut si s případným požárem tak moc lámat hlavu nemusí.

Vysoká hmotnost baterií, která navíc neklesá s uletěnou vzdáleností, vývoj elektrických letadel omezuje na letadla pro dopravu na velmi krátké vzdálenosti. Studie uvažuje letoun pro přepravu na vzdálenost asi 370 km.

Aby studie byla férová a reflektovala možný technický pokrok, Leehman News „pomohly“ bateriím o 50 % a předpokládají, že zlepšením technologie ukládání elektrické energie dosáhneme do konce dekády parametru 0,25 kWh/kg.

Uvažovaný turboprop pro 19 cestujících spotřebuje na uvažovaný let v délce 370 km asi 320 kg paliva Jet A. Baterie pro stejnou délku letu budou vážit 4500 kg. Navíc je nutno připočítat povinné rezervy paliva, resp. energie. Při započtení povinných rezerv hmotnost Jet A vzroste o 308 kg a baterií o dalších 4300 kg.

Elektrické letadlo tedy potřebuje pro let na vzdálenost 370 km asi 8800 kg hmotnosti baterií. Prázdná hmotnost letadla Beech 1900D je 4900 kg. Hmotnost baterií je ve srovnání s tím enormní.

Palivo na cestu vyjde na 181 dolarů, elektřina na 67 dolarů. A jak bylo uvedeno, elektrický motor je prakticky bezúdržbový a má kolosální resurs.

Baterie nejsou nekonečné

Baterie však na rozdíl od elektromotoru nebudou žít věčně. Ostatně to pozorujeme i na našich chytrých telefonech. Každý cyklus nabití/vybití se na životnosti baterie podepíše. Autoři studie předpokládají, že 1000 cyklů sníží kapacitu akumulátorů o 20 %. Bateriím neprospívá ani plné nabití, ani plné vybití.

Studie předpokládá 1500 letů, tj. 1500 cyklů. Náklady na výměnu baterií budou v polovině dekády činit 400 až 500 dolarů na kWh. Baterie našeho letadla za předpokladu průměrné 80% kapacity budou mít hmotnost 11000 kg a cenu 1 milion až 1,3 milionu dolarů. Z toho plyne při letu na 370 km náklad na energii 67 dolarů a na baterii 678 až 848 dolarů. Pokud akumulátor vydrží 3000 cyklů, budou náklady na baterii 339 až 424 dolarů.

Náklady údržby turbovrtulových motorů jsou odhadovány na 200 dolarů na let.

Hmotnost baterií je devastující

V bateriovém letadle pro 19 cestujících tedy budeme mít naloženo 11 tun baterií a 1,9 tuny cestujících a jejich zavazadel. Na takovou hmotnost už potřebujeme jiné a větší letadlo než to, se kterým úvaha začala. S takovým poměrem hmotností je prakticky nemožné zkonstruovat efektivní letoun. Ale to ještě stále není konec.

Prázdná hmotnost letadla Beech 1900 je 4900 kg, 19 cestujících zvýší hmotnost na 6800 kg. Pak přichází 628 kg paliva. Vzletová hmotnost bude činit 7428 kg, přistávací hmotnost 7108 kg. Dalších 338 kg paliva je možno načerpat do maximální vzletové hmotnosti, čímž se dolet zdvojnásobí. Pak lze dolet dále prodlužovat na úkor počtu cestujících (nebo nákladu).

S bateriovým letadlem bude vzletová hmotnost 16 657 kg, ta však zůstává stejná po celou dobu letu a bude i hmotností přistávací. S tím nic neuděláme, jediný variabilní faktor je počet cestujících /platícího zatížení, které můžeme naložit či nenaložit do letadla. Samozřejmě tuto vzletovou hmotnost bude mít letadlo bez ohledu na to, zda poletí 50 km, 100 km nebo 370 km.

Nová konstrukce letadla

Naše letadlo bude muset být upraveno na více než dvojnásobnou hmotnost. Slovo upraveno je eufemismem, bude se spíše jednat o zcela novou konstrukci. Heart Aerospace však tvrdí, že taková úprava je možná a ukazuje jak (viz obr.).

Obr.: Leeham News

Původní letadlo dostane velká křídla a čtyři elektrické motory místo dvou.

Dalším zajímavým momentem je délka vzletové dráhy. Heart Aerospace tvrdí, že délku potřebné vzletové dráhy zkrátí čtyři motory na polovinu. U letadla, které je 2,4x těžší než původní Beech 1900?

Kalkulace Leeham News naznačuje pravý opak, a to prodloužení vzletové dráhy na dvojnásobek. Letadlo bude vzhledem ke své vysoké hmotnosti při rozběhu pomaleji akcelerovat. Předpisy vyžadují, aby letadlo bylo schopno po vzletu stoupat min. 3°, a to i při vysazení jednoho motoru (OEI). Proto také musí být u těžkého elektrického letadla použity čtyři motory, neboť v tom případě představuje OEI ztrátu pouze 25 %.

Větší křídla a čtyři motory s sebou nesou větší odpor vzduchu, což se negativně projeví ve všech fázích letu. Pokud letadlo poletí nižší rychlostí, aby se kompenzoval vliv vyššího odporu vzduchu, bude spotřebovávat energii déle.

Studie ukazuje, že bateriové letadlo bude potřebovat na 370 km dlouhém letu 3x více energie. Protože však máme naloženo pouze 1000 kWh (zbytek jsou povinné rezervy), dolet poklesne na necelých 200 km. A to nestačí ani na let z Prahy do Brna.

Snaha dolet prodloužit se nesetká s úspěchem, neboť delší dolet znamená další zvýšení hmotnosti letadla. A zvýšená hmotnost znamená snížený dolet.

Optimální dolet letadla je dán 100 % nabitými bateriemi. Aby to celé dávalo smysl alespoň na krátkých spojích, musela by „energetická hustota“ baterií stoupnout nad 1 kWh/kg, což je však 6x více, než umíme dnes.

Závěr

Nadšení z elektrické budoucnosti létání možná živí zdánlivá analogie s automobilovým průmyslem. Jenomže politici si zřejmě neuvědomují fundamentální rozdíl mezi provozem elektrického (či hybridního) auta a letadla. V případě hybridních či elektrických aut hraje velmi významnou roli možnost dobíjet baterie při zpomalování a zastavování. Ve městě typicky při popojíždění od semaforu k semaforu. Hmotnost akumulátorů hraje u aut výrazně menší roli, menší míru rizika představuje i případný požár baterií. Letadlo žádnou z těchto výhod nemá.  

Bez revoluční změny v ukládání energie jsou elektrická letadla mimo realitu.

Firmy jako jsou Airbus či Boeing od původního záměru používat baterie rychle vycouvaly. Airbus sází na vodík, i když také použití vodíku představuje pro konstrukci a provoz letadel řadu výzev. Boeing pragmaticky zůstává u SAF (udržitelného paliva) a argumentuje, že dovést stávající paliva do současného stavu trvalo desetiletí a cesta k jiným druhům pohonů bude velmi dlouhá. Pragmatismus Boeingu možná vychází z toho, že na rozdíl od Airbusu nedostal od vlády miliardy subvencí na přechod k „zelenému“ létání.

Přechod k dekarbonizaci letectví je obrovský projekt tažený politickou agendou a doprovázený subvencemi, povolenkami, ekologickými daněmi. Možná je v této souvislosti dobré si uvědomit, že když svět přecházel z koňských povozů na páru, nebylo to proto, že by někdo vyhlásil Zelený úděl, ale prostě proto, že to bylo výhodné. Takto docházelo ke všem podstatným (pozitivním) (r)evolucím, které nám zajistily naši dnešní prosperitu.

Varováním před bezbřehým zeleným eufemismem budiž evropský automobilový průmysl a automobilová doprava. Na tu Evropská unie nakládá už řadu let další a další restrikce včetně vyhlášené války proti naftovým motorům. Výsledkem je, že exhalace automobilové dopravy se v zemích EU nesnižují, ale naopak rostou. Fiaskem skončil pokus přidávat do paliva biosložky. Potěšení je na straně Číny, která kontroluje většinu strategických surovin pro výrobu baterií a obnovitelných zdrojů.

Je smutné, že politici usilující zachránit planetu oběťmi v rámci Zeleného údělu EU za posledních 20 let diskusí nedokázali ani tak prostou věc, jako zavést SES (Jednotné evropské nebe). To by jednoduše a v podstatě ze dne na den snížilo emise o 10 až 15 %. Moderní letadla tak počátkem 21. století stále létají nad jednotným evropským prostorem způsobem, který odpovídá historickému uspořádání starého kontinentu po rozpadu C&K monarchie.

 

Autor: Michalc



Komentáře



Ondra - nepřihlášený host (...120.201...)
17.10.2021 20:33
Přecho na elektřinu

Chápu všechny ty zelené šílence a jen doplním, že když se šlo od koní na automobily a traktory tak to trvalo několik dlouhých desetiletí. Pokud by se měl elektrický pohon u automobilů více prosadit, tak samozřejmě chci nějakou výhodu navíc. Aby elektrické auto zaujalo, musí mít dojezd 700 - 900 km a můžu si topit či klimovat jak chci, nabité baterie za 5 minut, a automobil který udělá nájezd cca 300 tis km a životnost cca 15 - 20 let, bez nutnosti zásadních investic. To vše za cenu srovnatelnou s běžným autem, ale nižší cenou za elektřinu.

jirka - nepřihlášený host (...215.20...)
06.10.2021 09:47
mrtvá váha

vozit sebou několik tun! zátěže navíc ve formě bateriíí je nesmysl a slepá cesta, stejně to samé u automobilů. Smysl by to mělo kdyby se hmotnost bateriíí přiblížila váze paliva ( musely by vážit asi desetinu toho co nyní :-))

Rollfree - nepřihlášený host (...71.136...)
30.09.2021 21:20

O.M.:
S něčím souhlas, s něčím méně.
Především - já jsem reagoval na výrok, že vozit baterku je taková blbost, že by se za to měl,o vyhazovat od zkoušky.
Já se kupodivu tam moc nebojím nedostatečnosti v distribuční a přenosové soustavě. Rozvoj elektromobility nebude explozivní. A na pomalý rozvoj bude možné reagovat.
S dostupností zdrojů je to asi horší. Ale tady má elektriku výhodu, že je možné ji dělat z ledasčeho. Na rozdíl od benzínu a nafty.
Že uživatelé přijdou časem o výhody je asi samozřejmé. Včetně současného osvobození od spotřební daně. Pro změnu nesouhlas tím, že by se tato daň musela uvalit na veškerou elektriku. Nemusí, prostě se bude danit, co nabonzuje řídicí jednotka jako spotřebovanou v autě. Časem dokonce možná on-line. A tak, jako dneska asi většina lidí nešidí domovní elektroměry a plynoměry, tak se nebudou šidit ani ty v autě. Navíc to bude moderní, takže jistě lépe zabezpečené než ty současné domovní.

O. M. - nepřihlášený host (...231.2...)
30.09.2021 12:13

Rollfree: samotná auta jsou jakžtakž vyřešená a nemusí být až takový problém. Mnohem větší problém - technický, a hlavně ekonomický a sociální, jsou ty věci okolo (jak se dnes s oblibou říká, "ekosystém" elektromobilů). Pokud by se měla elektrifikovat jen polovina stávajícího množství osobních automobilů, znamenalo by to výrazně posílit výrobu, přenos a distribuci elektrické energie. Je to zásah do elektrické soustavy srovnatelný s obnovou poválečného hospodářství - na čas to pohltí kapacity materiálové, výrobní a stavební, což automaticky znamená nedostatek, a tudíž zvýšení cen těchto kapacit i pro ostatní oblasti - bytovou výstavbu, silnice... (to, co zažíváme v současnosti, je jen slabý odvar). K tomu výroba a výstavba nabíječek. Někdo to všechno bude muset zaplatit. Vyšší spotřeba elektřiny (a náklady na zmíněnou výstavbu) se projeví v ještě vyšší vyšší ceně elektřiny, která se projeví ve vyšší ceně všeho, protože neexistuje žádná ekonomická činnost, při níž bychom se bez elektřiny obešli. V návaznosti na to zdraží i plyn (obojí zažíváme v "celkem mírné" formě už dnes). K tomu si připočítejme výpadek spotřební daně z PHM, kterou stát bude chtít nějak nahradit - vzroste tedy daň za elektřinu (nebo jiná daň) - opět pro všechny, protože nejde technicky zajistit, aby se zvedla jen pro účely nabíjení elektromobilů. Dále odpadnou výhody pro elektromobilisty typu dálnice a parkování na modrých zónách zdrama - "přijde se" na to, že i elektromobily jsou jenom auta a zabírají místo stejně, jako ta benzínová. Takže majitelé elektromobilů přijdou o všechny pofidérní výhody, a naopak dostanou - spolu s nemajiteli - všechny nevýhody. Přidáme-li k tomu chystanou unijní Zelenou bídu, ty nevýhody se jen znásobí. A že by se elektřina pro elektromobily dala vyrábět jen ve slunečnících a větrnících, na to rovnou zapomeňte - tolik místa nemáme, i kdybychom panelama osázeli všechna pole a louky, a větrníky postavili na každém kopci.

Rollfree - nepřihlášený host (...71.136...)
29.09.2021 18:36

Petr Barchánek:
S tou filipikou proti baterkovým autům jste se možná rozvášnil trochu moc. ;-)
Technicky to už dneska zas takový nesmysl není (aby se kvůli tomu vyhazovali studenti od zkoušek). Když už, tak je to trochu nesmysl ekonomicky.
Dojezd moderního e-auta už je pro velkou většinu lidí a jejich stylu užívání naprosto dostatečný. Pokud je někdo cesťák a najezdí denně 800km, tak tam ne. Ale kolik je takových lidí?
A s tím vytápěním to taky není tak dramatické. Auto si i za hodně drsných klimatických podmínek vezme na topení tak do 1kW. Díky tepelnému čerpadlu z toho udělá 3kw tepla, a to je až až. Takže podle stylu jízdy bude spotřeba řekněme někde kolem 10% navíc. Není to příjemné, ale není to nic likvidačního.

O. M. - nepřihlášený host (...231.2...)
29.09.2021 14:00

Školství bych do toho netahal, to je jen důsledek politického zadání, bez něj by se elektrifikací letadel konstruktéři nezabývali, že mají na práci důležitější věci.
MMCH, jedině u skůtrů, jakožto městských vozítek, považuji elektrický pohon za zhruba rovnocenný tomu benzínovému - pohotovostní hmotnost obou bude přibližně stejná, nečiní dvoj- trojnásobek nosnosti jako u auta, při uvažovaném dojezdu 60 - 100 km (víc na popojíždění po městě není nutno) není potřeba vozit velké těžké baterie, snadno se to dá dobít z obyčejné zásuvky.

Petr Barchánek - nepřihlášený host (...61.84...)
29.09.2021 08:04

Elektrická trakce má v dopravě svoje místo pouze tam, kde jsou trakční motory připojeny napevno ke stabilní rozvodné síti, odkud si můžou vycucat (nebo při brždění i vrátit) poměrně velké množství energie - lokomotivy, trolejbusy, tramvaje, metro, lanovky, jeřáby, pásové dopravníky a výtahy. Baterii má smysl s sebou tahat tam, kde se jedná o relativně malé výkony nespojitého charakteru (=prostoje vozidla jsou delší, než jízda plným výkonem), dále nesmí být nutnost z baterie vytápět prostor posádky a také tam, kde se vozidlo může v části trasy "píchnout" do sítě a dobít za jízdy typicky různé ještěrky a podobná manipulační technika, vozítka do města, hybridní lokomotiva při obsluze nezatrolejovaných kolejí, hybridní trolejbusy a příměstské vlaky jedoucí po delší části tratě pod drátem a kratší část mimo, no a možná ještě elektrokola a koloběžky. Převážet težkou trakční baterii v celé cestě je z energetického hlediska kravina za kterou by ještě peřd pár lety vyletěl od zkoušky každý prvák, ne-li středoškolský student. Tohle všecko je snaha o popření fyziky a důsledek liberalizovaného a feminizovaného školství, kde pocity převažují nad fakty a fyzikálními zákony.

Rollfree - nepřihlášený host (...71.136...)
28.09.2021 18:41

milhaus: Díky za odpověď.

milhaus (...188.151...)
28.09.2021 17:23
To Rollfree

Jak už jsem psal v jednom, ze svých předchozích příspěvků, článek je tendenční a spousta věcí je tam popsaná tak aby dotvořila správný obrázek... S tou účinností je to jak jste viděl v tabulce, závisí na tychlosti, pro nejnižší rychlosti je nejúčinnější vrtule, potom vysokoobtokový motor, pak nízkoobtokový atd... na daná čísla bychom se odhadem dostali tak při délce letu 3000-4000km kdy nízkoobtokový motor pracuje dejme tomu čtyři pět hodin v optimálním režimu v optimální výšce. Na délce letu 370km nemůže mít žádný proudový motor lepš účinnost než vrtule

Rollfree - nepřihlášený host (...71.136...)
28.09.2021 02:41

jirka: Díky za odpověď.
Ale to všechno (podle mě) nevysvětluje situaci, že zvýšením obtokového poměru se zvedne účinnost. Tedy zvýšením podílu "něčím poháněného studeného vzduchu" oproti podílu tahu, daného výtokem spalin.
Takže zvýšením obtoku se účinnost zvyšuje, ale když je praktický 100% (tj. turboprop), tak už je jen poloviční.

Celkem 30 záznamů

Partneři


Reklama
Používáním tohoto webu vyjadřujete souhlas s tím, že využívá pro analýzy a přizpůsobení obsahu soubory cookie. Další informace