Alors que les voitures et les camions électriques apparaissent de plus en plus sur les autoroutes américaines, la question se pose de savoir quand les véhicules électriques commercialement viables prendront leur envol. Un certain nombre d'efforts ambitieux ont été déployés pour construire des avions à propulsion électrique, notamment des jets régionaux et des avions pouvant couvrir des distances plus longues. L’électrification commence à permettre un type de transport aérien que beaucoup espéraient mais qu’on n’a pas encore vu - une voiture volante.
Un défi majeur dans la construction d’un avion électrique concerne la quantité d’énergie pouvant être stockée dans une quantité donnée du 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 partie de leur énergie est disponible pour entraîner les mouvements. En fin de compte, pour un poids donné, le carburéacteur contient environ 14 fois plus d'énergie utilisable qu'une batterie lithium-ion à la pointe de la technologie.
Cela rend les batteries relativement lourdes pour l'aviation. Les compagnies aériennes s'inquiètent déjà du poids - imposer des frais sur les bagages en partie pour limiter le nombre d'avions à transporter. Les véhicules routiers peuvent supporter des batteries plus lourdes, mais des préoccupations similaires persistent. Notre groupe de recherche a analysé le compromis poids-énergie entre les camionnettes électriques et les semi-remorques.
Le concept de cet artiste de la conception d'avion électrique expérimental de la NASA montre 14 moteurs le long des ailes. (NASA) Des chariots électriques aux véhicules volants
Nous avons basé nos recherches sur une description très précise de l’énergie requise pour déplacer le véhicule, ainsi que des détails sur les processus chimiques sous-jacents impliqués dans les batteries Li-ion. Nous avons découvert qu'un semi-remorque électrique semblable à ceux d'aujourd'hui à moteur diesel pourrait être conçue pour parcourir une distance de 500 kilomètres sur une seule charge tout en pouvant transporter la cargaison d'environ 93% de tous les trajets de fret.
Les batteries devront être moins chères avant qu'il ne soit rentable de commencer le processus de conversion du parc de camions américain en électricité. Cela semble susceptible de se produire au début des années 2020.
Les véhicules volants sont un peu plus éloignés, car ils ont des besoins en puissance différents, en particulier lors des décollages et des atterrissages.
Qu'est-ce qu'un e-VTOL?
À la différence des avions de passagers, les petits drones alimentés par batterie transportant des colis personnels sur de courtes distances tout en volant au-dessous de 400 pieds commencent déjà à être utilisés. Mais transporter des personnes et des bagages nécessite 10 fois plus d'énergie, voire plus.
Nous avons examiné la quantité d'énergie dont aurait besoin un petit avion à piles capable de décoller et d'atterrir verticalement. Celles-ci sont généralement conçues pour se lancer droit comme des hélicoptères, passer à un mode avion plus efficace en faisant pivoter leurs hélices ou des ailes entières pendant le vol, puis repasser en mode hélicoptère pour atterrir. Ils pourraient constituer un moyen efficace et économique de naviguer dans des zones urbaines achalandées, en évitant les routes encombrées.
Besoins énergétiques des avions e-VTOL
Notre groupe de recherche a mis au point un modèle informatique permettant de calculer la puissance nécessaire pour un e-VTOL pour un seul passager, dans l’optique des conceptions déjà en cours de développement. Un tel exemple est un e-VTOL qui pèse 1 000 kilogrammes, passagers compris.
La partie la plus longue du voyage, la croisière en mode avion, nécessite le moins d’énergie par kilomètre. Notre échantillon d'e-VTOL aurait besoin d'environ 400 à 500 wattheures par kilomètre, 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 prévoit que le décollage et l'atterrissage combinés nécessiteront entre 8 000 et 10 000 wattheures par voyage. C'est environ la moitié de l'énergie disponible dans la plupart des voitures électriques compactes, comme une Nissan Leaf.
Pour un vol complet, avec les meilleures batteries disponibles à ce jour, nous avons calculé qu'un e-VTOL pour un seul passager conçu pour transporter une personne à 20 miles ou moins nécessiterait environ 800 à 900 wattheures par mile. Cela représente environ la moitié de l'énergie d'un semi-camion, ce qui n'est pas très efficace: si vous deviez faire une petite visite rapide pour faire vos courses dans une ville voisine, vous ne sauteriez pas dans la cabine d'un semi-remorque entièrement chargé. y arriver.
À mesure que les batteries s’amélioreront au cours des prochaines années, elles pourront peut-être accumuler environ 50% plus d’énergie pour le même poids de batterie. Cela contribuerait à rendre les e-VTOLS plus viables pour les trajets de courte et moyenne portée. Mais il reste encore quelques choses à faire avant que les utilisateurs ne puissent réellement commencer à utiliser e-VTOLS régulièrement.
Faites glisser le curseur "énergie spécifique" d'un côté à l'autre pour voir comment l'amélioration des batteries peut changer les besoins en énergie des véhicules. Venkat ViswanathanCe n'est pas juste de l'énergie
Pour les véhicules terrestres, il suffit de déterminer la distance utile, mais pas pour les avions et les hélicoptères. Les concepteurs d'aéronefs doivent également examiner de près la puissance - ou la rapidité avec laquelle l'énergie stockée est disponible. Ceci est important parce que prendre un décollage dans un avion à réaction ou exercer une pression 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 environ 10 fois plus rapidement que les batteries des véhicules routiers électriques. Lorsque les batteries se déchargent plus rapidement, elles deviennent beaucoup plus chaudes. Tout comme le ventilateur de votre ordinateur portable tourne à plein régime lorsque vous essayez de regarder une émission télévisée tout en jouant à un jeu ou en téléchargeant un fichier volumineux, la batterie d'un véhicule doit être refroidie encore plus rapidement lorsqu'il est demandé de produire plus d'énergie.
Les batteries des véhicules routiers chauffent moins, mais peuvent donc être refroidies par l'air qui passe ou par de simples liquides de refroidissement. Cependant, un taxi e-VTOL génèrerait une énorme quantité de chaleur au décollage qu'il faudrait beaucoup de temps pour refroidir - et lors de courts trajets, il pourrait ne même pas refroidir complètement avant de réchauffer 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 lors du décollage et de l'atterrissage est bien supérieure à celle des voitures électriques et des semi-remorques.
Cette chaleur supplémentaire raccourcira la durée de vie utile des batteries e-VTOL et les rendra probablement 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, lesquels nécessiteraient plus d'énergie et de poids.
C'est une différence cruciale entre les véhicules électriques routiers et les avions électriques: les concepteurs de camions et de voitures n'ont pas besoin d'améliorer radicalement leur puissance ni leurs systèmes de refroidissement, car cela augmenterait les coûts sans améliorer les performances. Seules des recherches spécialisées trouveront ces avancées vitales pour les avions électriques.
Notre prochain sujet de recherche continuera à explorer les moyens d'améliorer les exigences des systèmes de batterie et de refroidissement e-VTOL afin de fournir suffisamment d'énergie pour une autonomie utile et une puissance suffisante pour le décollage et l'atterrissage, le tout sans surchauffe.
Cet article a été publié à l'origine sur The Conversation.
Venkat Viswanathan, professeur adjoint en génie mécanique, Université Carnegie Mellon
Shashank Sripad, Ph.D. Candidat en génie mécanique, Université Carnegie Mellon
William Leif Fredericks, assistant de recherche en génie mécanique, Université Carnegie Mellon
