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.