Réponse courte

Les batteries devraient être d'environ 16,7 MJ / kg pour offrir la même autonomie et les mêmes performances que les carburants liquides, soit environ 18,5 fois la capacité du meilleures batteries lithium-ion. En termes de prix, il vous en coûtera environ 30 à 35% pour recharger votre avion au lieu de le remplir de carburants liquides aux prix d'aujourd'hui.

Réponse longue

C'est une bonne question à laquelle il est difficile de donner une réponse exacte, donc ce sera plus une approximation de Fermi. Pour répondre à cela, vous devez regarder l'énergie contenue dans le carburant et l'efficacité du moteur utilisé.

En regardant l'énergie du carburant, j'utiliserai l ' Énergie Spécifique, qui est l'énergie stockée dans un matériau par unité de masse. L'énergie spécifique est liée à la densité d'énergie, qui est la quantité d'énergie contenue par unité de volume. Souvent, les termes sont interchangés.

L'énergie spécifique de l'avgas et du carburéacteur est d'environ 43 MJ / kg. Les meilleures batteries lithium-ion atteignent environ 0,9 MJ / kg (les batteries d'un Tesla sont d'environ 0,7 MJ / kg), elles ont donc une fraction du stockage des carburants liquides. La meilleure technologie de batterie en développement théorique (Lithium-air) a un maximum théorique de 41 MJ / kg, plus réaliste, ils en tireront 1/4 à 1/3 de la technologie, qui est encore vaste.

Les moteurs à combustion interne sont environ 35% efficaces, les 65% restants sont gaspillés alors que les moteurs électriques sont beaucoup plus efficaces à 90% ou plus.

Il y a d'autres facteurs à considérer:

• Poids: les réservoirs de carburant, la tuyauterie et les pompes prennent du poids, et les moteurs électriques sont beaucoup plus légers que les moteurs à combustion interne. Les batteries auraient besoin d'une structure de stockage mais un système électrique serait probablement plus léger dans l'ensemble
• Incohérences de la batterie: avgas fournit une quantité d'énergie constante dans chaque goutte, tandis que les batteries s'affaissent à mesure qu'elles se déchargent (ceci est régulé pour donner une puissance constante au moteur, mais à certains moments, les niveaux chuteront en dessous de ce qui est réglable, donc toute la puissance des batteries sera utilisable). De plus, avec le temps, ils perdent de leur capacité et deviennent moins efficaces. Ces deux facteurs signifient que vous voudriez augmenter la capacité de la batterie pour compenser

Donc je vais supposer que ces deux vont se compenser, les économies de poids en passant à l'électricité seront être compensé par le besoin de capacité supplémentaire pour assurer la cohérence. En supposant que tous les autres facteurs sont égaux (efficacité de l'hélice, etc.), nous pouvons extrapoler l'efficacité réelle des systèmes pour obtenir un chiffre approximatif d'une combustion interne sur gaz av: 35% de 43 MJ / kg = 15 MJ / kg de service médical rendu. Nous pouvons utiliser ce chiffre pour déterminer quelle énergie spécifique nous aurions besoin des batteries pour obtenir la même quantité en divisant par le rendement du moteur électrique: 15 MJ / kg / 0,9, nous obtenons 16,7 MJ / kg .

Les batteries devraient donc stocker 16,7 MJ / kg pour nous donner la même énergie que les carburants liquides, mais comment se compare-t-elle à la technologie de batterie existante? À l'heure actuelle, la technologie de batterie disponible dans le commerce est d'environ 0,9 MJ / kg, il faudrait donc 18,56 fois plus de capacité de stockage (16,7 / 0,9 = 18,56) pour fournir la même quantité d'énergie.

Quant aux coûts énergétiques, cela va beaucoup varier en fonction des prix du carburant et de l'électricité au fil du temps et du lieu; nous pouvons utiliser certains des mêmes chiffres ci-dessus pour travailler les nombres. Je suppose un avion d'une capacité de 40 gallons américains (150 litres) car le calcul est facile et il s'agit de la capacité d'un Cessna 172. Je vais faire des calculs séparés pour les États-Unis et le Royaume-Uni pour voir comment ils se comparent:

• Aux États-Unis: Avgas coûte environ \ $ 5,20 par gallon américain pour le moment, soit \ 208 $ pour faire le plein de votre avion de 40 gallons. Avgas a environ 34,2 MJ / litre d'énergie, multipliez cela par 150 litres pour 5130 MJ d'énergie. Les moteurs à combustion interne sont efficaces à 35% et les moteurs électriques à 90%, nous pouvons donc calculer qu'un avion électrique aurait besoin de 5130 * 0,35 / 0,9 = 1995 MJ d'énergie électrique pour se remplir. 1995 MJ équivaut à environ 554 kWh, à environ \ $ 0,135 par kWh, il vous en coûterait \ $ 75 pour charger un avion avec la même quantité d'énergie.
• Au Royaume-Uni: Avgas au Royaume-Uni est d'environ \ $ 2,23 par litre (\ 8,47 $ par gallon américain (aïe!)), il en coûterait donc 334,50 $ pour faire le plein d'un avion. 554 kWh d'électricité coûtent environ \ 0,17 USD par kWh, il en coûterait donc 94 USD pour recharger l'avion

MODIFIER: J'ai pris en compte le gain d'efficacité lié à la perte de poids comme le carburant est brûlé, c'est-à-dire un système de masse variable, je l'ai laissé en dehors de la réponse car il n'est pas significatif par rapport aux autres facteurs dans ce qui est déjà une approximation. Cela a à voir avec la fraction de carburant, qui est le pourcentage du poids de l'avion qui est du carburant, qui sur un simple piston léger est comparativement faible. Un Cessna 172 transporte environ 40 gallons de carburant, dont 38 sont utilisables, pesant environ 228 livres par opposition à un poids au décollage typique de 2200-2300 livres. En d'autres termes, sa fraction de carburant est d'environ 10%, même sur un vol longue distance utilisant chaque bit de carburant, vous ne perdrez que 10% de votre poids, et je dirais que vous en tireriez environ 5%. Ce n'était pas un facteur suffisant par rapport aux autres considérations, et il serait probablement compensé par des descentes régénératives où le moteur électrique génère réellement de l'énergie à partir de l'hélice en rotation.

Pour les avions où une partie plus importante du poids est constituée de carburant, c'est-à-dire une fraction de carburant plus élevée, les gains d'efficacité grâce à une masse variable sont un facteur beaucoup plus important, par exemple la fraction de carburant d'un A380 est de 44%.

Un vaisseau entièrement électrique similaire à ce que vous avez décrit a en fait été créé (IEEE Spectrum a fait un bel article à ce sujet). Les batteries sont décrites comme 260 wattheures par kilogramme avec un rapport de puissance de la centrale de plus de 5 kW / kg. L'engin à deux places est conçu pour les vols d'entraînement, et le carburant pour chaque heure de vol coûte moins d'un huitième du coût d'un avion à carburant conventionnel. Les spécifications officielles de l'avion indiquent que la version 2 places a environ 3 heures de vol (4 heures pour la 4 places). Il utilise le même type de prises de «suralimentation» que les voitures électriques, mais il n'y a pas de chiffres spécifiques concernant le temps de recharge.

L'article traite du développement technique de l'engin et de nombreux problèmes de mise à l'échelle que vous avez mentionnés; certains ont pu être conçus, mais certains (y compris la densité de stockage de la batterie) restent un problème dans un avenir prévisible. Pour résumer, la propulsion électrique n'est actuellement compétitive que sur les avions plus lents. La traînée augmente avec le carré de la vitesse, plus la traînée signifie plus de batteries nécessaires pour fournir la puissance, et cela signifie plus de poids. La densité d'énergie de la batterie limite en fin de compte la taille et la vitesse d'un avion tout électrique, mais la technologie actuelle semble être largement suffisante pour produire un avion pratique.

Vous manquez le point. Les véhicules électriques n'essaient même pas de faire correspondre la densité énergétique du pétrole.

Il ne s'agit pas de retirer un Lycoming et de déposer un VFD, un moteur à induction et une banque de batteries . Même les voitures électriques adoptent une approche à blanc. Ils n'imitent pas simplement le rapport de la masse du groupe motopropulseur à la masse du reste du véhicule. Ils conçoivent un nouveau véhicule qui est réalisable. Vous pariez que vous feriez la même chose dans un avion.

Gardez à l'esprit qu'un moteur électrique est beaucoup plus petit et plus léger qu'un moteur d'avion, et la puissance peut être distribuée autour de l'avion, par exemple. un avion multi-moteur électrique est parfaitement raisonnable et presque inévitable. Alors qu'un avion à gaz multimoteur est une créature très différente avec une certification très différente.

Cela signifie que vos accessoires sont dans de meilleurs endroits, exploitant davantage leur zone balayée, au lieu de rester coincés devant des moteurs volumineux ou de gaspiller de l'énergie à essayer de plier l'air autour d'un fuselage. Ils pourraient faire exploser l'aile, ou avoir une poussée sur l'axe en utilisant 2 moteurs par hélice contrarotative. Vous voulez plus d'autorité de gouvernail à basse vitesse? Soufflez dans le gouvernail. Vous pouvez les mettre n'importe où .

Un autre facteur est que les avions ont de belles grandes surfaces planes qui se prêtent à des panneaux solaires. Cela ajoute de la masse mais ajoute également de l'autonomie en vol de jour, ce qui soulève alors la question de savoir s'il s'agit d'un avion de jour ou de nuit. Tout ce calcul doit aller dans la conception des véhicules.

Une autre partie du calcul concerne les matériaux légers comme les composites. Cela n'a pas de sens d'utiliser les méthodes de construction Dreamliner ou F-22 sur un avion GA de base bon marché, mais quand c'est essentiel pour la portée / les performances, vous revoyez cela. Et cela pourrait devenir abordable dans la production de masse.

Vous pariez que la densité d'énergie aide mais il peut être possible de construire un avion utilisable avec la technologie existante. Vous ne savez tout simplement pas tant que vous n'avez pas parcouru la conception du véhicule et vu où cela va. Ce n'est pas bon marché.

Voici une règle de base: vous pouvez supposer que l'autonomie d'un avion électrique pratique, en miles nautiques, est approximativement égale à la densité d'énergie de ses batteries, en Wh / kg. Aujourd'hui, ce nombre est d'environ 250, en haut.

Cette règle de base suppose que la croisière L / D est de 20: 1. Si votre conception obtient 10: 1, divisez par deux la plage.

Le 20: 1 est-il réaliste? Eh bien, un Cirrus SR22, un avion tout composite moderne, obtient environ 17 au meilleur L / D autour de 90 kt. Donc, 20: 1 est ambitieux, mais réaliste.

Si votre idée de "pratique" est une vitesse de croisière de 160 kt, vous aurez besoin d'une cellule avec un L / D de 20: 1 à 160 kt , qui a aussi une aile assez grande pour ralentir à 60 kt comme l'exige la partie 23. C'est difficile. Ou, vous pouvez obtenir 10: 1 à 160 kt, répondre aux exigences de la partie 23, mais réduire de moitié la portée.

Si votre idée de "pratique" est une portée de 600 NM, vous aurez besoin de batteries de 600 Wh / kg. Ils n'existent pas.

Si 90 kt de croisière pour 250 NM est votre idée de "pratique", la technologie est assez bonne aujourd'hui. Et une croisière de 120 kt pour 250 NM peut être faisable avec une conception intelligente de la cellule.

Passons à l'ingénierie du système derrière cette réponse.

Énergie requise = Force x Distance = Traînée x Portée = [Poids / (L / D)] x Portée = Énergie stockée dans les batteries

$ E_ {req} = F \ cdot x = D \ cdot R = \ frac {W \ cdot D} {L} \ cdot R = E_ {bat} $

Avec:

• $ E_ { req} $ = énergie requise
• $ F $ = force
• $ x $ = déplacement
• $ D $ = traînée aérodynamique
• $ R $ = plage
• $ W $ = poids
• $ L $ = levage
• $ E_ {bat} $ = énergie de la batterie

Donc,

$ R \ approx \ frac {E_ {bat}} {W} \ cdot \ frac {L} {D} $

Poids = Charge utile + Poids du système d'alimentation électrique + poids structurel

Pour un avion pratique, le poids structurel représente environ la moitié du poids total, peut-être un peu moins. Appelons cela 0,5 si nous incluons le poids du moteur électrique, qui évoluera avec le poids de l'avion.

Donc, si la structure comprenant le moteur fait la moitié du poids total, nous avons

$ W \ approx 2 (W_ {payload} + W_ {bat}) $

Définissons $ k $ comme la fraction du poids soulevé (c'est-à-dire, charge utile + batterie) qui est la batterie.

Donc, $ k = \ frac {W_ {bat}} {W_ {payload} + W_ {bat}} $, et donc $ W_ {payload} + W_ {bat} = \ frac {W_ {bat}} {k} $.

Donc, $ W \ approx \ frac {2 \ cdot W_ {bat}} {k} $

Ensuite,

$ R \ approx \ frac {E_ {bat}} {W_ {bat}} \ cdot \ frac {k} {2} \ cdot \ frac {L} {D} $

Ceci nécessite un ajustement: l'énergie disponible de la batterie en pratique n'est pas $ W_ {bat} $, mais plutôt $ U \ cdot W_ {bat} $, où $ U $ a une valeur d'environ 75%. En effet, si vous chargez et déchargez complètement la batterie à chaque cycle, en utilisant le montant total de $ W_ {bat} $, la batterie ne durera pas pendant plusieurs cycles.

Donc, nous ajustons pour afficher

$ R \ approx \ frac {E_ {bat}} {W_ {bat}} \ cdot \ frac {k} {2} \ cdot U \ cdot \ frac {L} {D} $

Maintenant, tout est en unités SI, où la distance est en mètres, l'énergie est en joules et le poids est en newtons (pas en kg!). Faisons une conversion d'unité:

$ R = 1852 \ cdot R_ {NM} $

$ E = 3600 \ cdot E_ {Wh} $

$ W_ {bat} = 9.8 \ cdot M_ {bat, kg} $

Donc,

$ 1852 \ cdot R_ {NM} \ approx \ frac {3600 \ cdot E_ {Wh} } {9.8 \ cdot M_ {bat, kg}} \ cdot \ frac {k} {2} \ cdot U \ cdot \ frac {L} {D} $

et donc

$ R_ {NM} \ approx \ 0.0743 \ cdot \ frac {E_ {Wh}} {M_ {bat, kg}} \ cdot \ k \ cdot \ frac {L} {D} $

ou, si nous supposons $ \ frac {L} {D} \ approx 20 $

alors

$ R_ {NM} \ approx \ 1.48 \ cdot \ k \ cdot \ frac {E_ {Wh}} {M_ {bat, kg}} $

La portée maximale possible est si $ k = 1 $, c'est-à-dire qu'il n'y a pas de charge utile et que l'avion ne transporte rien d'autre que de la batterie.

Mais, pour une conception plus pratique, si nous fixons $ k = \ frac {1} {1.48} = 0.67 $, c'est-à-dire que la batterie pèse deux fois plus que la charge utile (pensez-y à 200 kg de batterie ou 440 lb de batterie par personne transportée), puis

$ R_ {NM} \ approx \ frac {E_ {Wh}} {M_ {bat, kg}} $

Quelle est la règle de base: l'autonomie en miles nautiques est égale à la densité d'énergie en Wh / kg.

Plus précisément,

$ R_ {NM} \ approx \ frac {E_ {Wh}} {M_ {bat, kg}} \ cdot \ frac {\ frac {L} {D}} {20} $

Vous pouvez ajouter plus d'autonomie en ayant une plus grande fraction de batterie k, mais passer d'un poids de batterie de 2 x charge utile à 4 x charge utile n'ajoute que 20% à la portée - pas très excitant.

Notez que la règle de base suppose un $ \ frac {L} {D assez élevé } $ ratio de 20: 1 en croisière. Notez également que cela ne dit rien sur la vitesse ou l'altitude de vol: finalement, tout ce qui compte, pour l'autonomie, c'est la croisière $ \ frac {L} {D} $ et la densité d'énergie de la batterie.

Tout dépend de la portée ou des profils de performances que vous souhaitez sortir de l'avion. Avions électriques - ou au moins prototype d'avions électriques - qui ont des performances similaires en termes de vitesse, de charge utile, etc. aux analogues à propulsion pétrolière. C’est juste que les densités d’énergie des batteries ne permettent pas une endurance utile. Les conceptions actuelles comme l'Alpha Electro de Pipistrel ont une autonomie d'environ 1 heure plus une réserve de jour VFR de 30 minutes de puissance en croisière économique. Par rapport à un LSA alimenté par Rotax analogue avec plus de 6 heures d'endurance plus réserves, vous voyez rapidement à quel point cela est limité.

Il serait préférable de demander quelle densité d'énergie serait nécessaire pour correspondre à la performance et l'endurance des avions légers à essence existants tout en adaptant leur charge utile. Comme mentionné ci-dessus, une densité d'environ 15 MJ / kg permettrait cela. Cela nécessitera un bond considérable dans la technologie électrochimique pour stocker et fournir ce type d'énergie de manière fiable et sûre.

Cet avion est comparable à un C150, mais moins de bagages si vous souhaitez faire un court trajet. Nous sommes passés d'un C150 à un C177B lorsque la zone des bagages (et un enfant de 2 ans) est devenue un facteur déterminant. Avait même acheté des câbles et des tendeurs pour essayer de trouver un moyen de sécuriser un siège d'auto (qui s'est retrouvé au sous-sol, jamais utilisé, car le C177 a été acheté assez rapidement (chance sur le marché GA)).

https://www.pipistrel-usa.com/alpha-electro/

Je ne vois pas s'ils parlent de la densité d'énergie de la batterie, ils devraient peut-être Téléchargez l'un des livrets d'information pour le trouver.

Batterie de type sec de grande capacité et facile à remplacer.

Avion équipé d'un moteur électrique de 60 kW.

capacité nominale de la batterie 21 kWh

moteur 50 + kW @ 2100-2400 tr / min

endurance standard, modèles de circulation 60 min + réserve

autonomie standard à croisière 80 kts 70 NM (130 km)

Système de batterie standard

Tension maximale 399 V

Tension minimale 297 V

Tension recommandée autonomie de stockage 345 V - 365 V

Combien de temps faut-il généralement pour charger les batteries avec les différents chargeurs? (Plage 20% -95%)

6h avec chargeur 3kW, 1h 40 'avec chargeur 10 kW, 1h 5' avec 14 kW, 45 minutes avec chargeur 20 kW

Comment les piles sont lourdes et puis-je les échanger contre moi-même? Chaque batterie pèse 53 kg. Oui, vous pouvez retirer le pack sans aide supplémentaire.

Quels types de piles sont installés? Lithium-ion. Les cellules sont fabriquées par Samsung. La conception et l'assemblage du boîtier de batterie sont Pipistrel, le système de gestion de batterie (BMS) est également conçu et fabriqué par Pipistrel

Assez d'informations pour faire le calcul?