Projekt EcoPulse: technologia akumulatorów wysokiego napięcia firmy Airbus wkrótce będzie testowana w locie

W czerwcu ubiegłego roku Airbus z powodzeniem przeprowadził w tunelu aerodynamicznym w zakładzie w Filton w Wielkiej Brytanii testy EcoPulse – demonstratora technologii hybrydowego, rozproszonego zespołu napędowego dla samolotów. Testy te pozwoliły ocenić charakterystykę działania śmigła i proces chłodzenia sześciu „rozproszonych” elektrycznych jednostek napędowych. W 2022 r. odbywa się montaż demonstratora – lekkiej platformy latającej dostarczonej przez firmę Daher. Ma on wzbić się do pierwszego lotu testowego jeszcze w tym roku.

Teraz uwaga konstruktorów skupia się na innym kluczowym elemencie, powstającym z myślą o demonstratorze: systemie głównego akumulatora litowo-jonowego wysokiego napięcia, opracowanym przez specjalistów z Airbus Defence and Space w Tuluzie. Chociaż nowa bateria wizualnie nie rzuca się mocno w oczy, jest innowacją mającą kluczowe znaczenie dla powodzenia elektryfikacji samolotu za pomocą napędu EcoPulse. Jej zastosowanie ustala na nowo granice użyteczności akumulatorów wysokonapięciowych w samolotach.

Powstający akumulator ma około 2,3 m długości, 75 cm szerokości i 20 cm głębokości. Według projektu będzie zamontowany pod kadłubem i zintegrowany ze wzmocnioną owiewką aerodynamiczną. Akumulator będzie jednym z dwóch źródeł energii elektrycznej w demonstratorze. Drugim jest „e-Auxiliary Power Unit” (e-APU) dostarczony przez firmę Safran.

Gęstość mocy i energii

Lekki, kompaktowy, o bardzo dużej mocy i gęstości wytwarzanej energii - takie cechy ma akumulator stworzony dzięki kilkuletnim pracom badawczo-rozwojowym w ramach inicjatyw Airbusa dotyczących elektryfikacji samolotów i zrównoważonego rozwoju. Mniej wydajne akumulatory wysokonapięciowe były wcześniej instalowane w CityAirbusie i demonstraorze śmigłowcowym Airbus Helicopters FlightLab. Owocem stopniowych postępów jest najnowsza bateria litowo-jonowa wysokiego napięcia. Urządzenie zaprojektowane dla EcoPulse waży około 350 kg, jest w stanie wytworzyć prąd stały o napięciu 800 V i dostarczyć do 350 kW mocy.

Ten poziom mocy jest nie tylko wystarczający do napędzania sześciu pędników elektrycznych EcoPulse, ale także jest podobny do tego, jaki byłby potrzebny w nienapędowym, wtórnym (rozruchowym) systemie silnikowym samolotu. Airbus bada ten ostatni osobno w ramach prac nad „mikrohybrydyzacją”, przy czym koncepcja akumulatora wysokonapięciowego jest tu kluczowym elementem technologicznym.

Prace nad wysokonapięciowym akumulatorem litowo-jonowym

Jak powstała ta bateria i jakie były wyzwania i osiągnięcia towarzyszące pracom inżynierów Airbusa?

„„Prace nad wysokonapięciowym akumulatorem litowo-jonowym rozpoczęliśmy kilka lat temu. Dla tego prototypu zaprojektowaliśmy go całkowicie we własnym zakresie”, wyjaśnia Julien Laurent, kierownik projektu ds. akumulatorów, reprezentujący Airbusa.

Wyjaśnia niektóre godne uwagi niuanse: „Projekt wymagał użycia kilku tysięcy ogniw litowo-jonowych i zastosowania różnych środków bezpieczeństwa, pozwalających zapobiegać zmianom termicznym – na przykład połączenia poszczególnych ogniw drutem. Kolejną innowacją jest aktywny system chłodzenia, który zapewnia optymalną temperaturę do normalnej pracy baterii. Ponadto częścią systemu akumulatorowego jest podsystem zarządzania baterią. Pomaga on ograniczyć czynności obsługowe dzięki wbudowanym funkcjom testowym i możliwości określenia stanu naładowania lub konieczności ponownego zrównoważenia ogniw.”

Skonstruowany dla tego projektu akumulator jest wyjątkowy, gdyż tak mocne baterie nie są obecnie dostępne ani w przemyśle lotniczym, ani motoryzacyjnym. Cięższe akumulatory, obecnie używane w samolotach, wydają zazwyczaj niskie napięcie – 28 V DC – a ich niska gęstość energii oznacza, że są stosowane głównie do uruchamiania pomocniczej jednostki napędowej APU i w sytuacjach awaryjnych. Co więcej, większość z nich to akumulatory niklowo-kadmowe (NiCad), które, zgodnie z unijnym rozporządzeniem REACH, wkrótce będą musiały ustąpić miejsca alternatywnym, przyjaznym dla środowiska rozwiązaniom, takim jak akumulatory litowo-jonowe.

Przemysł motoryzacyjny używa akumulatorów do zasilania samochodów elektrycznych, jednak są one zbyt duże i ciężkie dla zastosowań lotniczych. Krótko mówiąc, obecnie nie ma samodzielnych, gotowych systemów akumulatorowych, które mogłyby zaspokoić potrzeby demonstratora EcoPulse w odniesieniu do bezpieczeństwa i wydajności.

Cele produkcyjne i testowe

Po wyborze ogniw i montażu akumulatora dla EcoPulse, kilka prototypowych ogniw zostanie wkrótce poddanych testom w Tuluzie, zgodnie z rygorystycznymi normami lotniczymi. Pozwolą one ocenić wydajność oraz atrybuty środowiskowe i bezpieczeństwa, tak aby zespół projektowy zyskał pewność, że po zainstalowaniu w samolocie testowym, napęd EcoPulse będzie działał prawidłowo i bezpiecznie.

Dzięki pełniejszemu zrozumieniu zachowania akumulatora wysokonapięciowego, Airbus rozwinie kluczowe kompetencje w zakresie stosowania układów mikrohybrydyzacyjnych w przyszłych samolotach, na przykład w celu optymalizacji zarządzania mocą/energią funkcji nienapędowych, takich jak klimatyzacja, lot automatyczny i systemy sterowania.

Demonstrator EcoPulse pozwala zaprojektować pewne elementy, które mają znaczenie dla globalnej strategii Airbusa. Pomogą one firmie rozwinąć szeroką gamę kompetencji technicznych i przemysłowych, stanowiących fundamenty do wspierania procesu dekarbonizacji lotnictwa. Kierownictwo Airbusa jest świadome tego, że nie istnieje jedno perspektywiczne rozwiązanie dekarbonizujące przyszłe samoloty. Ograniczenie wpływu silnikowych statków powietrznych na środowisko wymaga modyfikacji w kilku dziedzinach, w tym zmian w aerodynamice skrzydeł, stosowania wodoru, zmian w konstrukcji kadłuba i sterowania lotem, itp. Hybrydyzacja statków powietrznych poprzez akumulatory wysokonapięciowe jest tylko jednym z elementów sprzyjających dekarbonizacji.