Aeronave híbrida elétrica | |
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Aeronave híbrida elétrica, é umveículo híbrido elétrico onde ummotor de combustão interna aciona um conjuntogerador/motor elétrico para aumentar a eficiência geral ou o alcance. Devido aos ganhos de eficiência como economia de combustível, oscustos de consumo poderiam ser potencialmente reduzidos, o que poderia ajudar estatecnologia a avançar nomercado.
Como adensidade de energia dasbaterias de íons de lítio é muito menor do que ocombustível deaviação, um sistema de propulsão híbrido elétrico pode efetivamente aumentar o alcance de voo em comparação comaeronaves elétricas puras. Em Maio de 2018, havia mais de 30 projetos de aeronaves elétricas híbridas, e aviões híbridos-elétricos de curta distância estavam previstos a partir de 2032.
OconceitosubsônicoBoeing Truss-Braced Wing foi planejado com propulsão elétrica híbrida.[1] ODiamond HK36 Super Dimona voou pela primeira vez em 8 de junho de 2011, o primeiro voo de um trem de força híbrido em série, reduzindo o consumo de combustível e as emissões em até 25%, uma tecnologiaescalável para um avião de 100 lugares.[2] Um pequeno motorAustro Engine e 100 kg (220 lb) mais leve que omotor Wankel de 40HP (30kW)gera a eletricidade, complementada porbaterias EADS paradecolagem silenciosa, alimentando ummotor elétricoSiemens de 70 kW (94 HP) girando ahélice.[2] OAgustaWestland Projeto Zero foi concebido para ser híbrido-elétrico.
ANasa patrocinou oCentennial Challenges para incentivar o desenvolvimento do avião mais eficiente em termos de combustível do mundo.[3] O concurso foi co-patrocinado peloGoogle e foi realizado nos céus daCalifórnia. Entre os participantes estava a primeira aeronave híbrida paralela gás-elétrica do mundo chamadaEcoEagle, construída por estudantes daEmbry–Riddle Aeronautical University, dois aviões elétricos - oPipistrel Taurus G4 e oeGenius.[4]
A Faradair Aerospace lançou um conceito de aeronave elétrica híbridatriplana chamada BEHA (Bio Electric Hybrid Aircraft) como uma das primeiras aeronaves regionais do mundo especificamente projetadas para voos regionais híbridos elétricos. Astartup doReino Unido continuou o desenvolvimento desde o conceito inicial até a mais recente variante BEHA M1H, com oportunidade futura para variantes não tripuladas (VANT) e todas as elétricas. O E-STOL BEHA ganhou apoio de membros-chave do governo do Reino Unido e o desenvolvimento dafuselagem foi conduzido naUniversidade de Swansea.[5]
AZunum Aero, apoiada pelaBoeing e pelaJetBlue Airways, está trabalhando desde 2014 em uma família de aeronaves regionais elétricas híbridas de 10 a 50 assentos.[6] Em 5 de outubro de 2017, a Zunum lançou o desenvolvimento de uma aeronave de seis a 12 assentos. Com o objetivo de voar em 2020 e ser entregue em 2022, ele deve reduzir os custos operacionais em 40% a 80% para atingir os custos de milhas de assento disponíveis (ASM) de umDe Havilland Canada Dash 8 de 78 assentos.[7]
Em 28 de novembro de 2017, aAirbus anunciou uma parceria com aRolls-Royce Holdings e aSiemens para desenvolver o demonstrador de avião híbrido-elétricoAirbus E-Fan X, para voar em 2020.[8]
OGeneral Electric Catalyst de 1.300 shp poderia ser usado em propulsão híbrida-elétrica: no final de 2016, aGeneral Electric modificou umturbofan decaçaGE F110 para extrair 250 kW de suaturbina HP e 750 kW de sua turbina LP, apoiada peloAir Force Research Laboratory e pelaNASA, desenvolveu e testou um motor/gerador elétrico de 1 megawatt com aGE Research, e testou uminversor refrigerado a líquido convertendo 2.400voltsCC emCAtrifásico cominterruptores baseados emcarboneto de silício e módulos de potênciaMOSFET de 1,7 kW.[9]
Especialistas do setor esperam que um avião híbrido-elétrico de 50+ assentos estreie em operação comercial até 2032 para rotas comoLondres-Paris.[10]
Em novembro de 2018, os escritórios daZunum Aero foram fechados e todos os 70 funcionários foram demitidos quando o programa chegou ao fim.
AUE financiou o programaHypstair com 6,55 milhões deeuros ao longo de três anos, até 2016, para um TRL (technology readiness level -nível de maturidade tecnológica) umamaquete de 4: doPipistrel Panthera recebeu um trem de força híbrido-elétrico em série, testando em solo um motor de 200 kW movido apenas porbaterias, por um gerador de 100 kW e por ambos combinados.[11] Segue-se o projetoMahepa de 2017, financiado pela UE ao longo de quatro anos com 9 milhões de euros ao abrigo do programa de investigaçãoHorizon 2020 para reduzir as emissões de carbono da aviação em 70% em 2050, até ao TRL 6 antes de entrar no desenvolvimento deprodutos.[11]
O trem de força Panthera será dividido em módulos: gerador deempuxo demotor elétrico egerador de energia de combustão interna no nariz,interface homem-máquina ecomputação, combustível e baterias naasa.[11] Os testes em solo estão planejados para 2019 antes dos testes de voo em 2020.[11]
OPipistrel Taurus G4 defuselagem dupla, quatro lugares e movido a bateria recebeu um trem de força decélula de combustível dehidrogênio doCentro Aeroespacial Alemão para voar como oHY4 em setembro de 2016, com tanques de hidrogênio e baterias nas fuselagens, células de combustível e motor nanacela central.[11] Os parceiros são a desenvolvedora alemã de motores e inversoresCompact Dynamics, aUniversidade de Ulm, a TU Delft, oPolitecnico di Milano e aUniversidade de Maribor.[11]
Os testes de solo e voo devem seguir os do Panthera alguns meses depois.[11]
Ao longo de suaassistência em solo, o dimensionamento para aviões de 19 e 70 assentos será estudado em duas configurações: mais módulos do mesmo tamanho para propulsão elétrica distribuída, ou módulos de tamanho maior extrapolando os resultados do teste de voo, alimentandohélices duplas.[11] Os voos testarão o comportamento do sistema, medirão o desempenho e a fiabilidade e avaliarão os modos de falha.[11] Umataxa de falha de uma por 10 milhões de horas é visada, tão baixa quanto em aviões, com componentes muito confiáveis ou com redundância.[11]
A empresa austríaca ScaleWings, desenvolvedora de uma réplica emescala doP-51 Mustang, desenvolveu um motor híbrido e redundante apistão/elétrico, baseado em módulos independentes: ummotor em V dequatro tempos de 1,15 L (70 pol.) produzindo 80 e 120 cv (60 e 89 kW) quandoturboalimentado, e motores elétricos, produzindo 170 a 350 cv (130 a 260 kW) combinados.[12]
AVoltAero é umastartup formada em setembro de 2017 pelodiretor técnico epiloto de testes doAirbus E-Fan 1.0 2014, localizado emRoyan e estabelecido com o apoio da região francesa daNova Aquitânia.[13] A empresa está desenvolvendo um banco de teste híbrido baseado noCessna 337 Skymaster, que pretende voar no final de fevereiro de 2019.[13] OprotótipoVoltAero Cassio totalmente composto deve seguir em 2020, antes das entregas no final de 2021 ou início de 2022.[13] Ele será alimentado por dois motores elétricos de 60 kW (80 hp) acionandohélices tratoras na asa e um motor depistão de 170 kW (230 hp) e motor de 150 kW (200 hp) acionando umahélice propulsora nafuselagem traseira.[13] A combinação de combustível e baterias lhe dará uma autonomia de 1.200 km (650 nmi) com nove pessoas a bordo.[13]
Em 31 de outubro de 2018, aDiamond Aircraft Industries voou o HEMEP, financiado peloMinistério Federal para Assuntos Econômicos e Proteção Climática daAlemanha e pelaAustrian Research Promotion Agency, atingiu 130 kn (240 km/h) e 3.000 ft (910 m) em 20 minutos.[14] É umDiamond DA40 modificado com o seu motor de pistão único substituído por dois motores elétricosSiemens de 75 kW (101 cv) no nariz alimentados por um motorAustro Engine E4diesel de 110 kW (150 cv) ou duas baterias de 12 kWh (43 MJ), para uma resistência de 5 h ou 30 minutos apenas com baterias.[14]
Em janeiro de 2019, a startup estadounidenseAmpaire estava substituindo o motor de pistão traseiro Cessna 337 Skymaster, uma aeronave push-pull ("empurra-puxa") por um motor elétrico,para pilotar oprotótipo nas rotas de passageiros dahavaianaMokulele Airlines operadas comCessna Caravans.[15] Sete outras companhias aéreas estão interessadas nas conversões Caravan ouDe Havilland Canada DHC-6 Twin Otter:Kenmore Air deSeattle,Tropic Air deBelize,Vieques Air Link com sede emPorto Rico,Southern Airways Express deMemphis,Tennessee,Aurigny deGuernsey eStar Marianas Air, com sede nasIlhas Marianas do Norte, bem como aNoruega.[15] Os voos de teste terão lugar numa rota de 28 mi (45 km) ao longo de 15 minutos entre oaeroporto de Kahului, no centro deMaui, e oaeroporto de Hana, no lado leste.[16] O protótipo híbrido realizou seu primeiro voo de teste público em 6 de junho de 2019, antes do serviço programado planejado para 2021.[17] APersonal Airline Exchange (PAX) tornou-se o cliente de lançamento do Skymaster modificado de seis lugaresAmpaire Electric EEL, a ser certificado em 2021, com um pedido de 50 mais 50 opções.[18]
Em março de 2019, aUTC estava convertendo umBombardier Dash 8 Q100 de 39 assentos em um híbrido-elétrico para voos de demonstração a partir de 2022 dentro de seu Projeto 804.[19] O projeto de 2 MW (2.700 hp) é semelhante ao programaAirbus E-Fan X, mas visa a certificação e produção para uma oferta comercial subsequente.[19] UmturboélicePW121 de 2.150 cv (1.600 kW) será substituído por umaturbina a gás de 1 MW (1.300 cv) unida a um motor elétrico da mesma classificação, alimentado porbaterias de íons de lítio prontas paradecolagem e subida.[19] A turbina é usada sozinha em cruzeiro e aciona o motor-gerador para recarregar as baterias em descida.[19] Omotor de dimensões reduzidas funciona no seu nível ideal para uma poupança de combustível de 300–250 nmi (370–460 km).[19] O alcance é reduzido de 1.000 para 600 nmi (1.900 para 1.100 km) devido ao maior peso vazio e capacidade de combustível 50% menor.[19]
Em Março, a Faradair Aerospace lançou seu BEHA M1H de 18 assentos durante Revolution.aero. emLondres, com propulsão híbrida turboélice e capacidade de passageiro/carga de "troca rápida", visando os regulamentos da categoria de passageiros CS23/Part23. A aeronave E-STOL é capaz de operar empistas de pouso e decolagem de menos de 300m com carga útil de 5 toneladas a partir de sua exclusiva configuração detriplanapor impulsão com hélice silenciosa alojada num duto.[20]
NoShow Aéreo de Paris de junho de 2019,Daher,Airbus eSafran se uniram para desenvolver o demonstrador EcoPulse baseado noSOCATA TBM, com metade da demonstração de € 22 milhões (US$ 25 milhões) financiada pela DGAC (Direction générale de l'Aviation civile).[18] O voo inaugural está programado para o verão de 2022 antes de uma hipotética certificação 2025-30.[18] O motor existente da aeronave será complementado por seis motores elétricos de 45 kW (60 hp) na asa alimentados por umaAPU de 100 kW (130 cv) ou baterias.[18] Semelhante aoNASA X-57 Maxwell, apropulsão distribuída reduz osvórtices da ponta daasa e adicionasustentação de baixa velocidade soprando a asa, permitindo uma asa menor e menorarrasto.[18]
Uma pesquisa de meados de maio de 2019 para oUBS AG mostra que 38% dos estadounidenses e alemães disseram que provavelmente voariam em um avião híbrido-elétrico, aumentando para mais de 50% para jovens de 18 a 44 anos.[21] O UBS AG acredita que aeronaves híbridas para até nove passageiros em rotas curtas abaixo de 250 nmi (460 km) podem estar disponíveis a partir de 2022, e 2028 para aviões regionais de até 1 h de rota.[21] O UBS previu um mercado para 16.000 aviões híbridos-elétricos e US$ 178-192 bilhões ao longo de 2028-40, principalmente naaviação geral,jatos executivos leves e aeronaves regionais com custos operacionais 20% menores do que os atuais 50-70 assentos.[21]
Liderado pelaCranfield Aerospace Solutions (CAeS), o Projeto Fresson começou em 1º de outubro de 2019, para voar umBritten-Norman BN-2 Islander elétrico dentro de 30 meses antes de uma certificação daAESA dentro de mais 6-12 meses.[22] Ele visa uma resistência de 60 minutos mais reservas de 30 minutos e com energia cinco vezes mais barata do queAvgas e manutenção reduzida, o custo de conversão poderia ser recuperado em três anos e teria um motor de combustão extensor de autonomia.[22] Metade do financiamento de £ 18 milhões (US$ 22 milhões) vem dos parceiros e a outra metade do governo doReino Unido.[22] Dos 800 Islanders em serviço, cerca de 600 são usados para voos curtos.[22]Loganair deve usá-lo para conexões curtas ao largo do norte daEscócia.[22]
O desenvolvedor doAmpaire Electric EEL e a especializada em modificação de aeronavesIkhana Aircraft Services, estudam um híbridodiesel-elétrico de 19 assentosDe Havilland Canada DHC-6 Twin Otter.[23] Poderia usar certificação da Ikhana para um aumento do MTOW (peso máximo de decolagem) de 5.443 para 6.350 kg (12.000 para 14.000 lb), espera-se que o estudo seja concluído até o final de 2019.[23]
Apoiado por financiamentobávaro, oCentro Aeroespacial Alemão está modificando um de seus dois Do 228 em um demonstrador híbrido-elétrico.[24] O primeiro voo totalmente elétrico está planejado para 2020 e o primeiro voo híbrido-elétrico para 2021, aparentemente doAeroporto de Magdeburg–Cochstedt.[24] Os parceiros incluem aMTU Aero Engines e aSiemens, das quais aRolls-Royce plc está adquirindo a unidade de propulsão elétrica.[24]
Em Abril, o programa E-FanX apoiado pela Rolls-Royce plc, Airbus e Siemens foi cancelado.[25]
Em Julho, a Faradair Aerospace anuncia a mudança para o Duxford Airfield, Cambridgeshire, Reino Unido, em parceria com oMuseu Imperial da Guerra de Duxford e oGonville and Caius College (Cambridge), para desenvolver oprotótipo de aeronave regional elétrica híbrida BEHA M1H a partir de uma nova instalação de prototipagem sob medida como parte do novo campus de pesquisa e desenvolvimento aeroespacial Duxford Avtech. O primeiro voo está previsto para o final de 2023/início de 2024.[26]
Em Novembro, aEmbraer apresentou o projeto do TPNG (TurboProp Next Generation -Turboélice de Nova Geração), um avião regional que dispensou um sistema de propulsão híbrido-elétrico, já que os custos operacionais aumentariam de 15% para 5% da potência necessária em comparação com oturboélice convencional.[27]
AAliança Aeroespacial Berlim-Brandemburgo é umcluster industrial que inclui aRolls-Royce Deutschland, aMTU Aero Engines, a especialista emengenharia aeronáutica APUS e aStemme.[24] Ele planeja o projeto IBEFA-i6, um demonstrador de propulsão elétrica distribuída de 19 assentos para voar em 2021 com turbodiesel,turbina a gás e geradores decélula de combustível.[24]
Separado deste i-6, o APUS i-5 será um banco de testes de cauda dupla com assentos emtandem para um peso bruto de 4 t (8.800 lb).[28] Um turboeixo Rolls-Royce 250 acionará quatro hélices elétricas através de uma bateria, geradores, conversores e controles de energia.[28] Com o apoio do estado alemão deBrandemburgo e daUniversidade de Tecnologia de Brandemburgo, os voos devem começar após 2021.[28]
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Em 2019, oConselho Nacional de Pesquisa do Canadá começou a converter umCessna Skymaster, uma configuração push-pull, oHybrid Electric Aircraft Testbed.[29] Voou pela primeira vez em 7 de fevereiro de 2022.[30][31][32]
Em 19 de janeiro de 2023, aZeroAvia voou seu banco de testesDornier Do 228 com oturboélice substituído por umprotótipo de trem de força elétrico ahidrogênio nacabine, composto por duascélulas de combustível e umabateria de íon de lítio para potência de pico.[33] O objetivo é ter um sistema certificável até 2025 para alimentar aeronaves que transportem até 19 passageiros a mais de 300 nmi (560 km).[33]
Os melhores sucessos comerciais até o momento são de aeronaves pequenas, esportivas ou de passageiros:
Enquanto adensidade de energia dosacumuladores ainda não for suficiente para voos mais longos e aeronaves elétricas maiores, as aeronaves híbridas são uma espécie detecnologia de transição. Para aumentar a eficiência, a alta densidade energética dos combustíveis líquidos é vantajosamente combinada com a alta eficiência dos acionamentos elétricos.
Umconceito adequado resulta da combinação de umaturbina a gás movida aquerosene que aciona umgerador elétrico com o qual motores elétricos poderiam então ser usados para acionarhélices. As turbinas a gás têm uma alta densidade de potência com baixo peso e podem ser operadas por longas distâncias em uma faixa de eficiência favorável. Aenergia elétrica é armazenada temporariamente em umacumulador. Na maioria dos casos, a fim de alcançar a taxa de subida necessária, a bateria é ligada para o arranque. Uma vez que a aeronave tenha atingido sua altitude de cruzeiro, tudo o que resta é acionar a combinação motor a combustão/gerador. O motor de combustão, portanto, só teria que fornecer a potência necessária em voos de cruzeiro. Durante a descida ou quando a aeronave atingiu a altitude de cruzeiro, alguns modelos permitem que a energia seja realimentada nas baterias.
Além domotor de combustão interna, este método de acionamento requer dois motores elétricos, incluindo um motor elétrico relativamente grande e pesado. No entanto, o maior potencial de desenvolvimento é visto para a aplicação do trem de força serial no futuro.[38]
Na propulsão híbrida paralela, a propulsão da aeronave é fornecida por um motor de combustão interna ou um motor elétrico movido a bateria, ou ambos simultaneamente. A bateria pode ser recarregada durante o voo. Nesse processo, é necessário apenas um motor elétrico, que também pode ser selecionado menor que o motor elétrico no acionamento serial. A propulsão de aeronaves multimotores, em que motores individuais foram substituídos por motores elétricos, também é referida como híbrida paralela.
