(2019-02-19)空中交通的成長,為我們帶來前所未有的便利,但同時也帶來重大挑戰。未來20年,全球航空需求每年將增加4.5%,這無疑會增加天空的污染與擾人的噪音。

Zunum飛機公司發展小型短程混合動力Hybrid飛機。(圖:Zunum Aero)

(2019-02-19)空中交通的成長,為我們帶來前所未有的便利,但也相對帶來重大的挑戰。在未來20年,全球的航空需求每年將會增加4.5%,也就是需要新航線、新機場、更多的飛機、及更多的航空人力,但飛機的性能卻僅預期改善2%到3%,這些因素,無疑會增加天空的污染與擾人的噪音。

電動汽車不排放溫室廢氣,行車也安靜,對我們的環境與生活有很大的改善,天上的飛機也是一樣。

 

飛機使用碳氫燃料,產生的CO2(二氧化碳)是空中一大污染源,據Myclimate網站的計算公式,以洛杉磯到台北直飛為例,10,900公里的航程,每一經濟艙乘客會產生2.1噸的CO2,如果乘坐商務艙,則加倍為4.1噸。除了排放CO2,同時又噴放大量吸熱微粒,加速地球暖化。

飛機的噪音,來自機械的轉動,特別是扇葉旋轉到超音速,更為明顯。另外,飛機表面的空氣流動,在高速低空飛行,製造地面的爆音干擾。飛機本身的系統,像是輔助動力的發電機,也會製造機艙內的噪音。飛機一旦電動,雖然不能靜悄悄的飛,但各方面的研究實驗,都認為可以大幅度降低噪音。

電動飛機的動力來源是電池,所以飛機的總重量、包括電池,要多大馬力才能讓飛機升空,在空中持續飛行?

根據Nature Energy最近一篇論文分析,像波音737或空中巴士A320長距離的飛機,需要以重量單位計算的特別能量電池,也就是每一公斤需要800瓦小時的能量,才能讓飛機飛起來,但這麼大的能量,超過目前電池能量的四到五倍,甚至超出鋰離子化學的範圍。

卡內基美隆大學(Carnegie Mellon University)電池專家Venkat Viswanathan,與混合動力飛機公司Zunum Aero創辦人Matt Knapp,兩人在Sustainable Flying發表一篇短文,認為即使是下一代的電池化學,像鋰硫或鋰氧的技術,也不足以達到大型電動飛機的能量所需。

除了電池,電動飛機用的高溫超導電動發動機,以及電力電子、電池放電率、基本空氣動力設計,都需要重大的變動改進,不是僅換一個電動發動機那麼簡單。

所以坐上大型電動飛機,享受安靜的長途飛行,為時尚早,專家說技術的發展要以十年為單位,可能是幾十年以後的事了。

不過在全電動以前,混合動力(Hybrid)未嘗不是個前置的方式,如同汽車先從油電混合雙動力,使用小型內燃機以電力輔助,發展到現在的全電動車輛。Zunum Aero就是發展混合動力飛機的一家新創公司,由波音與藍捷兩家公司投資。


Zunum混合動力飛機概念示意圖。(圖:Spectrum IEEE)

上圖是Zunum混合動力小型飛機示意圖,如傳統飛機儲存油料,把電池放進翅膀與可用的空間,機尾有兩個500 KW的永久磁鐵發動機,帶動低壓導管扇葉(Ducting Fans),供起飛與高效能飛行的動力,因為是導管扇葉,噪音將大為降底。

機尾則是混合動力系統,一個小型燃油渦輪,帶動一個500 KW發電機,為輔助電力系統供電給發動機,發動機主要電能來自電池,燃油渦輪在不需要加強動力的時候,可以停止運轉,節省油料。

安裝在翅膀內的電池,有靈活的設計,一旦在飛機場沒有足夠時間充電,可以快速更換隨即起飛。目前,電池的能量密度,每公斤有350 W/hour,是容易取得的技術,也符合飛機的需要。

Zunum計畫在今年試飛現已發展的12座位小型機種,2022年開始發售,而下一目標-50座位機種,可能要推到2030年。

航空專家說,如果這類低污染的混合動力機,能打開短距離的區間航線,製造一個良性循環,吸引更多的投資與研發人力,參與這一「半電動」的飛機技術,而不必按部就班把精神花在冗長的「全電動」飛機的進程完美。

當電池技術繼續改善,混合動力飛機可以延長航程,乘載更多的旅客,只是航空業在天空的污染並沒有解除。

全電動飛機的優勢,也並不如想像中完美,前述的兩位專家在Sustainable Flying文內分析,飛機越大,就越需要增加特別包裝的電池,來適應飛機的設計,假設電池技術可行,與傳統飛機相比,越小的電動飛機,越能減少空污、降低成本;加大飛機尺寸,減少空污與降低成本的效益,就成比例減低。

有電動車了,那什麼時候才有電動飛機?小電動飛機現在就有了,至於大型豪華電動客機,即使發展出新能源,要達到減少空污與降低成本的標準,那恐怕也是一、二十年以後的事了。或者說,天空的CO2還得等我們二十年。

以下為Pipstrel Alpha Electro2人座電動飛機,充電一次可續飛一小時。


本文取材自2019年2月17日「那福忠西海岸數位隨筆(87)」:什麼時候有電動飛機?
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