В настоящее время мир изо всех сил пытается удержать углеродные выбросы от стремительного роста. Но для достижения долгосрочных целей, которые мы поставили для стабилизации климата, мы должны сделать намного больше, чем заручиться какой-то возобновляемой энергией. Удержание планеты от потепления на 2 градуса выше доиндустриального уровня означает серьезную очистку от углерода используемой нами энергии. И это значит, что мы не только должны стать совершенно независимыми от углерода в производстве электричества, но и начать использовать эти чистые электроны для обеспечения наших нужд в обогреве и транспорте.
Если говорить про автомобили и автобусы, этот процесс уже начался. Но есть один чувствительный к весу способ транспортировки, где батареи нам не помогут: воздушные путешествия. Относительно низкая энергетическая плотность батарей означает, что вам потребуется множество таких, чтобы запитать самолет. По этой причине многие люди решили, что нам нужно биотопливо для чистых воздушных перелетов. Однако существуют и компании, которые планируют разрабатывать электрические пассажирские самолеты.
Кто же прав? Чтобы выяснить это, международная группа инженеров произвела оценку того, смогут ли электрические авиалайнеры на аккумуляторах взлететь и стать коммерчески выгодными.
Электрические авиалайнеры: в чем проблема?
Исследователи обратились к ряду связанных проблем. Во-первых, смогут ли батареи достигать энергетической плотности, достаточной для того, чтобы их можно было использовать для авиаперелетов. Во-вторых, будут ли они экономичными. Кроме того, был рассмотрен и вопрос того, смогут ли самолеты на батарейках помочь нам достичь наших целей в области выбросов.
Большинство из этих проблем сложнее, чем кажутся. Например, самолеты не только усугубляют процесс потепления вследствие углеродных выбросов; их следы также создают высотные облака, которые обладают изолирующим эффектом. Кроме того, степень, с которой батареи могут помочь нам избавиться от выбросов, напрямую связана с количеством возобновляемой энергии, доступной для их зарядки.
Масштаб проблемы, впрочем, легко понять. Лучшие литий-ионные аккумуляторы в настоящее время имеют плотность энергии 250 ватт-часов на килограмм. Предполагается, что для рабочего самолета на батареях нам потребуется как минимум в три, а может и в восемь раз больше плотности (2000 Вт-ч/кг). Емкость батарей увеличивается на 3% в год. То есть, удваивается примерно через 25 лет. Этот прогресс немного ускорился в последнее время, но даже если предположить более быстрый прогресс, нам придется ждать до середины столетия прежде чем батареи станут такими, как мы от них хотим.
Впрочем, непонятно, как химия приведет нас к таким батареям. Существуют конструкции литий-воздушных и литий-серных батарей с высокой энергетической плотностью, но они могут разряжаться недостаточно быстро, чтобы питать интенсивный взлет.
В общем, авторы решили смоделировать батарею на 800 Вт-ч/кг, которая считается минимумом, необходимым для авиалайнера размером с 727. Однако в качестве оптимистичного прогноза рассмотрели также 1200 Вт-ч/кг вариант. Первая батарея подразумевает, что вес, которые поднимается батареями почти в два раза больше, чем в случае с топливом. Однако это сочетается с тем фактом, что электродвигатели более эффективны, нежели двигатели сгорания. Кроме того, батареи могут также питать бортовые системы, упрощая конструкцию самолета.
Сократит ли это выбросы углерода?
Если предположить, что эти электрические самолеты удастся построить, снизят ли они выбросы на самом деле? В настоящее время – нет. Учитывая средний уровень выбросов, связанный с питанием, например, энергосистемы США, выбросы, связанные с питанием электрического самолета (включая потери при передаче), будут примерно на 20% выше, чем выбросы, производимые современным, эффективным реактивным двигателем. Это не значит, что они будут совершенно бесполезными с точки зрения климата, нет. Как только дополнительные эффекты на потепление будут учтены, электросамолеты выйдут вперед примерно на 30%.
И все же, будущие соображения все довольно быстро усложняют. Ожидается, что цена на возобновляемые источники энергии будет продолжать снижаться, что сделает возобновляемые источники энергии большей частью энергосистемы и приведет к снижению выбросов. Авторы исследования оценивают, что подавляющее большинство зарядки будет происходить в дневное время – когда есть солнечный свет. Если предполагать, что будущее производство солнечной энергии приведет к скидке на использование электроэнергии в течение дня, это может помочь экономике электрических самолетов; в настоящее время они экономически выгодны только при цене топлива около 100 долларов за баррель.
То, как все это повлияет на авиаперелет, зависит от емкости будущих батарей. По оценкам авторов, эффективная дальность полета в 1100 километров позволит электрическим самолетам покрывать 15% от общего количества воздушных мир (и соответствующий расход топлива) и почти половину от общего количества рейсов. Это увеличит общий спрос на электроэнергию на один процент во всем мире, хотя и затронет по большей части промышленно развитые страны. Увеличение дальности до 2200 километров позволило бы обеспечить 80% глобальных перелетов исключительно электрическими самолетами.
Таким образом, в целом, технология находится на грани коммерческой жизнеспособности и может ограничить потепление, вызванное воздушными перевозками. Однако крайне важно, что обе эти ситуации будут улучшаться, поскольку возобновляемая энергия захватывает большую долю производящего рынка. К сожалению, единственное, что сдерживает развитие всего этого — технологии, поскольку батареи просто не имеют необходимой емкости.
Возможно, пройдет больше 30 лет прежде чем мы увидим самолеты, лишенные рева реактивных двигателей.
Илья Хель
