Alors que les voitures et les camions électriques apparaissent de plus en plus sur les autoroutes américaines, cela soulève la question :quand les véhicules électriques commercialement viables prendront-ils leur envol ? Il y a un certain nombre d'efforts ambitieux pour construire des avions à propulsion électrique, y compris les jets régionaux et les avions qui peuvent couvrir de plus longues distances. L'électrification commence à permettre un type de transport aérien que beaucoup espéraient, mais je n'ai pas encore vu – une voiture volante.

Un défi clé dans la construction d'avions électriques concerne la quantité d'énergie pouvant être stockée dans une quantité donnée de poids de la source d'énergie embarquée. Bien que les meilleures batteries stockent environ 40 fois moins d'énergie par unité de poids que le carburéacteur, une plus grande part de leur énergie est disponible pour entraîner le mouvement. Finalement, pour un poids donné, Le carburéacteur contient environ 14 fois plus d'énergie utilisable qu'une batterie lithium-ion de pointe.

Cela rend les batteries relativement lourdes pour l'aviation. Les compagnies aériennes s'inquiètent déjà du poids – imposant des frais sur les bagages en partie pour limiter la quantité d'avions à transporter. Les véhicules routiers peuvent gérer des batteries plus lourdes, mais il y a des soucis similaires. Notre groupe de recherche a analysé le compromis poids-énergie dans les camionnettes électriques et les semi-remorques ou semi-remorques.

Des camions électriques aux véhicules volants

Nous avons basé nos recherches sur une description très précise de l'énergie nécessaire pour déplacer le véhicule ainsi que sur les détails des processus chimiques sous-jacents impliqués dans les batteries Li-ion. Nous avons découvert qu'un semi-camion électrique similaire aux camions diesel d'aujourd'hui pouvait être conçu pour parcourir jusqu'à 500 milles avec une seule charge tout en étant capable de transporter la cargaison d'environ 93 % de tous les voyages de fret.

Les batteries devront devenir moins chères avant qu'il soit économiquement logique de commencer le processus de conversion de la flotte de camions des États-Unis à l'électricité. Cela semble probable au début des années 2020.

Les véhicules volants sont un peu plus loin, car ils ont des besoins énergétiques différents, surtout au décollage et à l'atterrissage.

Qu'est-ce qu'un e-VTOL ?

Contrairement aux avions de ligne, petits drones à batterie qui transportent des colis personnels sur de courtes distances, en volant à moins de 400 pieds, sont déjà en cours d'utilisation. Mais transporter des personnes et des bagages nécessite 10 fois plus d'énergie, voire plus.

Nous avons examiné la quantité d'énergie dont un petit avion à batterie capable de décoller et d'atterrir verticalement aurait besoin. Ceux-ci sont généralement conçus pour décoller comme des hélicoptères, passer à un mode avion plus efficace en faisant tourner leurs hélices ou des ailes entières pendant le vol, puis revenez en mode hélicoptère pour l'atterrissage. Ils pourraient être un moyen efficace et économique de naviguer dans les zones urbaines animées, éviter les routes bouchées.

Besoins énergétiques des avions e-VTOL

Notre groupe de recherche a construit un modèle informatique qui calcule la puissance nécessaire pour un e-VTOL à un seul passager dans le sens des conceptions déjà en cours de développement. Un tel exemple est un e-VTOL qui pèse 1, 000 kilogrammes, y compris le passager.

La partie la plus longue du voyage, croisière en mode avion, nécessite le moins d'énergie par mile. Notre échantillon e-VTOL aurait besoin d'environ 400 à 500 wattheures par mile, environ la même quantité d'énergie qu'une camionnette électrique aurait besoin - et environ deux fois la consommation d'énergie d'une berline électrique.

Cependant, le décollage et l'atterrissage nécessitent beaucoup plus de puissance. Quelle que soit la distance parcourue par un e-VTOL, notre analyse prédit que le décollage et l'atterrissage combinés nécessiteront entre 8, 000 et 10, 000 wattheures par trajet. C'est environ la moitié de l'énergie disponible dans la plupart des voitures électriques compactes, comme une Nissan Leaf.

Pour un vol entier, avec les meilleures batteries disponibles aujourd'hui, nous avons calculé qu'un e-VTOL pour un seul passager conçu pour transporter une personne de 20 milles ou moins nécessiterait environ 800 à 900 wattheures par mille. C'est environ la moitié de la quantité d'énergie qu'un semi-remorque, ce qui n'est pas très efficace :Si vous deviez faire une petite visite pour faire du shopping dans une ville voisine, vous ne monteriez pas dans la cabine d'un semi-remorque entièrement chargé pour vous y rendre.

À mesure que les batteries s'améliorent au cours des prochaines années, ils peuvent être capables d'emballer environ 50 pour cent d'énergie en plus pour le même poids de batterie. Cela contribuerait à rendre les e-VTOLS plus viables pour les trajets de courte et moyenne distance. Mais, il y a encore quelques choses nécessaires avant que les gens puissent vraiment commencer à utiliser régulièrement e-VTOLS.

Ce n'est pas que de l'énergie

Pour les véhicules terrestres, déterminer la plage de déplacement utile est suffisant - mais pas pour les avions et les hélicoptères. Les concepteurs d'avions doivent également examiner de près la puissance - ou la rapidité avec laquelle l'énergie stockée est disponible. C'est important car monter en puissance pour décoller dans un jet ou pousser contre la gravité dans un hélicoptère prend beaucoup plus de puissance que de faire tourner les roues d'une voiture ou d'un camion.

Par conséquent, Les batteries e-VTOL doivent pouvoir se décharger à un rythme environ 10 fois plus rapide que les batteries des véhicules routiers électriques. Lorsque les batteries se déchargent plus rapidement, ils deviennent beaucoup plus chauds. Tout comme le ventilateur de votre ordinateur portable tourne à pleine vitesse lorsque vous essayez de diffuser une émission télévisée tout en jouant à un jeu et en téléchargeant un fichier volumineux, un bloc-batterie de véhicule doit être refroidi encore plus rapidement chaque fois qu'on lui demande de produire plus d'énergie.

Les batteries des véhicules routiers ne chauffent pas autant pendant la conduite, ils peuvent donc être refroidis par le passage de l'air ou avec de simples réfrigérants. Un taxi e-VTOL, cependant, générerait une énorme quantité de chaleur au décollage qui mettrait beaucoup de temps à se refroidir - et sur de courts trajets, pourrait même ne pas se refroidir complètement avant de se réchauffer à nouveau à l'atterrissage. Par rapport à la taille de la batterie, pour la même distance parcourue, la quantité de chaleur générée par une batterie e-VTOL pendant le décollage et l'atterrissage est bien supérieure à celle des voitures électriques et des semi-camions.

Cette chaleur supplémentaire raccourcira la durée de vie utile des batteries e-VTOL, et peut-être les rendre plus susceptibles de prendre feu. Pour préserver à la fois la fiabilité et la sécurité, les avions électriques auront besoin de systèmes de refroidissement spécialisés, ce qui nécessiterait plus d'énergie et de poids.

C'est une différence cruciale entre les véhicules routiers électriques et les avions électriques :les concepteurs de camions et de voitures n'ont pas besoin d'améliorer radicalement leur puissance ou leurs systèmes de refroidissement, car cela augmenterait les coûts sans améliorer les performances. Seules des recherches spécialisées permettront de découvrir ces avancées vitales pour les avions électriques.

Notre prochain sujet de recherche continuera d'explorer les moyens d'améliorer les exigences en matière de batterie et de système de refroidissement e-VTOL afin de fournir suffisamment d'énergie pour une autonomie utile et suffisamment de puissance pour le décollage et l'atterrissage, le tout sans surchauffe.

Cet article est republié à partir de The Conversation sous une licence Creative Commons. Lire l'article original.