萊特提出以鋁燃料電池為動力的100座電動客機方案

美國的萊特電氣公司宣布了一種100座的電動短途飛機,預計將在2026年投入使用。它可以由該公司源自可回收金屬的”鋁燃料電池”中提供動力。萊特公司正在進行的還有一些大型電動飛機項目,包括它與歐洲易捷航空公司和BAE系統公司共同開發的更大的186座飛機。

這將是一種”低排放”的電動飛機,可能使用化石燃料的增程器來補充其電池,並將其飛行範圍擴大到約1290公里(800英里)。該夥伴關係將其作為實現清潔航空的”路徑”,就像天空中的豐田”普銳斯”,它將證明電動動力系統是可行的,同時等待能源儲存技術發展達到一定水平。

然而,萊特的最新項目將是完全零排放的,並將使用高密度的能源儲存來解決持續時間長達一小時的飛行–這足以在悉尼和墨爾本、倫敦-日內瓦、東京-大阪或洛杉磯-舊金山之間進行約1000公里(620英里)的飛行。

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一旦投入生產,基於BAE 146的萊特精神(Wright Spirit)將是一種簡單的100座的電動選擇,承運人可以在各種非常受歡迎的航線上使用。

萊特公司的業務集中在其專業領域:兆瓦級電機和變頻器。事實上,該公司在這個階段似乎還沒有確定一個能源存儲解決方案,並正在評估氫燃料電池系統的利弊,就像我們現在從一些不同的公司看到的那樣,以及一個真正讓我們着迷的”鋁燃料電池”系統。

為什麼不直接使用氫氣,就像其他大多數相當規模的清潔客機項目所做的那樣?一個重要因素是體積。從重量上看,液態氫是一種極好的輕質儲能介質–他的比能量為33313.9Wh/kg,幾乎是噴氣燃料(約12,000Wh/kg)的三倍。但從體積上看,它很糟糕。僅為2358.6瓦特/升,一定量的液態氫的能量所佔空間幾乎是噴氣燃料中相同能量(約9000瓦特/升)的四倍。

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對於商用飛機運營商來說,體積是個大問題;這些早期項目大多是對機身的改造,而機身的設計並不是為了承載額外的氫氣體積。每一個需要從機艙中移出的座位為燃料讓路,都是實用性直接打擊。這就是鋁的有趣之處。按重量計算,鋁燃料電池所攜帶的能量不如噴氣燃料或液態氫多;但它的比能量為8611.1Wh/kg,比當今領先的鋰離子電池好33倍。而且,它在體積上也很出色,每升可裝入23277.9瓦特。這將是航空公司的福音。鋁作為陽極,與多孔聚合物分離器後面的碳陰極和催化劑相對。兩者之間是一種電解質,通常是一種鹼性液體。鋁在陰極與大氣中的氧氣發生反應,形成水合氧化鋁並釋放出能量。

陰極和電解質確實在一定程度上增加了整個系統的重量,將鋁的比能量上限限制在氫氣系統可能達到的60%-70%。但萊特的理由是:”由於一半的單通道窄體客機市場是短於800英里的航班,航程帶來的難題可能並不像它最初看起來那樣重要。”

萊特稱它為燃料電池,而不是鋁空氣電池,以避免混淆,因為它不能像電池那樣充電;相反,它需要像燃料電池那樣添加燃料,同時還需要把氧化鋁廢料拿出來在冶鍊廠回收。但這不會比處理液態氫罐難得多,液態氫罐也需要被送到外部設施進行加註。但是,雖然氫氣基礎設施都需要建立,但各地都有鋁冶鍊廠,可以將氧化鋁變回純凈的金屬,準備裝回罐子里塞進飛機,或用於其他用途。

在物流方面,這很容易:罐子可以用標準卡車運來運去,像貨物一樣裝上飛機。如果需要的話,金屬可以以顆粒的形式被送入管道。

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然而,挑戰依然存在。在巡航高度上稀薄、寒冷、低氧的空氣意味着以鋁為燃料的飛機將需要運行壓縮機和熱交換器,這有可能使重量預算失控。整個鋁燃料電池需要從目前的狀態進一步發展,以實現有用的比能量數字,而且今天的鋁空氣電池通常不是為運行飛機發動機的需求設計的。為了獲得更高的反應速率則需要暴露出更多的鋁,可能是通過使用粉末或顆粒而不是鋁板。

萊特對航空公司的運營成本進行了粗略的”第一輪”模擬,預計使用氫燃料電池可能會增加約25%的成本,而生物燃料可能會增加約32%的成本的情況下,鋁系統實際上會比今天的噴氣燃料運營便宜一些。

在成本優勢和這些飛機在改裝情況下可能比氫氣飛機運行更多座位的事實之間,鋁-空氣反應過程帶來的動力有可能為短程商業飛行提出一個令人信服的案例。但是,為了使這種系統成為一種綠色選擇,航空公司將需要從綠色冶鍊廠採購鋁,使用清潔能源、清潔熱量和碳中性冶鍊陽極。請注意,這些技術正在開發中,而氫氣在實現零排放方面也有自己的挑戰。萊特在這一點上對氫氣與鋁的爭論作了這樣的總結:

“氫燃料電池:航程更長,有效載荷更小,操作更難,成本更高。鋁燃料電池:航程更短,有效載荷更大,操作更容易,成本更低”。

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