500 Wh/kg - 1300 Wh/l !

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Philippe Dejean
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500 Wh/kg - 1300 Wh/l !

Message par Philippe Dejean »

Bonjour à tous,

C'est maintenant officiel, de nouvelles batteries au lithium "compactes" vont être commercialisées en 2024.
Il ne s'agit pas d'une publication universitaire ou bien d'une annonce d'une start-up, mais d'un poids lourd chinois de la fabrication de batteries au lithium : CATL, le fournisseur (entre autres) de Tesla.
Amprius, un autre fournisseur (américain) annonce également un produit de performances équivalentes : 500 Watt-heures par kilogramme et 1300 Watt-heures par

Le marché visé par ces produits est celui de l'aéronautique et, éventuellement, celui des véhicules terrestres (peut-être pour écouler les produits ne satisfaisant pas aux normes aéronautiques)...

Le prix de lancement n'est pas encore annoncé, mais quel qu'il soit, il devrait baisser dans le temps avec l'augmentation des volumes de production.

La vraie question technique qui se pose, c'est : Cela permet-il de faire un avion léger performant ?

Ceux qui sont allés jusqu'au bout du sujet sur l'avion amateur économique se souviennent peut-être que j'ai déjà posté une estimation sur la base de batteries avec une énergie massique de 200 W/kg.
J'ai complété ce calcul pour servir de base de comparaison :

Anciennes batteries 200 Wh/kg
Avion électrique 200Wpkg.png
Avion électrique 200Wpkg.png (42.27 Kio) Vu 4033 fois
Avec ce genre de batterie qui équipent déjà les voitures électriques disponibles sur le marché, on voit qu'on peut faire un avion de voyage raisonnablement performant : la distance franchissable sans vent avec 20% d'énergie résiduelle à l'arrivée varie d'un peu plus de 330 km pour le quadriplace à 400 km pour le biplace, à une vitesse de croisière économique variant de 144 km/h pour le biplace à 158 km/h pour le quadriplace.

On peut donc envisager de voyager avec ce type d'avion exactement comme avec une voiture électrique : Il faut prévoir de s'arrêter toutes les deux heures environ pour passer "un certain temps" à une borne de recharge rapide...

Si on veut voler plus vite, c'est exactement la même constatation qu'avec une voiture électrique sur l'autoroute à 130 km/h : l'autonomie est considérablement réduite.
Pour ces calculs, j'ai considéré la "vitesse de Carson" qui est d'après son inventeur " la vitesse la plus économique de gaspiller du carburant pour aller vite"

Voler à une peu plus de 100 kt est satisfaisant pour le pilote d'avion thermique, mais l'autonomie sans vent tombe aux environs de 200 km...

Nouvelles batteries 500 Wh/kg
Avion électrique 500Wh_kg.png
Avion électrique 500Wh_kg.png (42.55 Kio) Vu 4033 fois
Pour la comparaison, je n'ai presque rien changé à la définition de mon avion exemple (sauf les batteries bien sûr, 420 kg au lieu de 430 kg, pour dégager un peu de marge pour une motorisation plus puissante, et donc un peu plus lourde, qui supporte de voler vite en continu...)

Cette fois, on peut se permettre de voler à la vitesse de Carson, car la distance franchissable sans vent est encore de 475 à 570 km suivant les versions.
Pour peu qu'on trouve un terrain intermédiaire avec une borne de recharge rapide et un restaurant, on peut envisager faire une première moitié du trajet le matin, avitailler/ravitailler , et faire la seconde moitié du trajet l'après-midi...
Par exemple, avec le quadriplace faire environ 400 km le matin en deux heures, recharger l'avion (et se restaurer pour les humains) pendant deux heures , faire encore environ 400 km l'après-midi en deux heures également, donc un total de 800 km en 6 heures en tout.

Mais on peut aussi utiliser l'avion en vol économique en parcourant les 800 km d'une traite en environ 5 heures et quart, soit 3 quarts d'heures de moins avec le prix de la recharge en moins...
Ce type de vol n'est pas celui d'un pilote d'avion thermique, mais ne serait-ce pas également agréable de voler plus lentement, plus silencieusement et de regarder le paysage ?
(Bon, je sais, ça dépend beaucoup du paysage et de la qualité du sandwich comparé au repas au restaurant, mais financièrement, la différence est indéniable...)

Toujours-est-il que la barre de puissance massique disponible l’année prochaine permet véritablement d'envisager une aviation légère électrique, sans fumée et quasiment sans bruit.
En couplant cette évolution à des hangars couverts de panneaux photovoltaïque, nous arriverons peut-être à ne pas passer pour des nantis qui se moquent éperdument du changement climatique...

Bons Vols

Philippe Dejean

PS : je suis maintenant à la retraite, mais quand j'étais en activité, ma devise était "la puissance est au bout du fusible, la châtaigne aussi..." C'est encore vrai : Chauds les marrons !
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Philippe Dejean
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Re: 500 Wh/kg - 1300 Wh/l !

Message par Philippe Dejean »

Bonjour à tous...
Et Bonne Année 2024 (Voilà c'est fait !) :angel_not:

Pour en revenir au vol électrique, grâce aux nouvelles batteries annoncées à 500Wh/kg et 1300 Wh/l, certains objecterons (avec raison) que se payer 420 kg de batteries pour faire voler un avion d'une tonne et plus, ça va être cher...

Alors je me suis posé la question suivante : Un ULM (selon la réglementation française actuelle datant de 2019) électrique, c'est réaliste avec ces nouvelles batteries... ou pas ?
J'ai donc repris mes calculs avec de nouveaux paramètres... avec un petit complément sur la puissance en fonction du taux de montée.

1/ ULM Maximal

J'ai d'abord considéré un ULM dans les clous réglementairement, bien sûr, mais sans la moindre marge de charge utile : On embarque un pilote standard de 86 kg sur un monoplace et un équipage de deux personnes totalisant 156 kg, et strictement rien d'autre...
Comme précédemment pour l'avion, la finesse maximale est de 20, mais compte tenu de l'exigence réglementaire de vitesse minimale de vol plus faible (38 kt, soit 19,5 m/s), la vitesse de finesse maximale est réduite à 130 km/h, soit environ 36 m/s.
J'ai également choisi des masses de cellules atteignable (avec le parachute inclus).
La masse du GMP électrique est toujours bien plus faible que celle d'un GMP thermique, ce qui permet de dégager une bonne masse pour les batteries : 140 kg pour le monoplace, et 190 kg pour le biplace...

ULM_Elec_Max.png
ULM_Elec_Max.png (45.6 Kio) Vu 3972 fois
Les performances sont au rendez-vous : 550 km d'autonomie à 170 km/h, pour le monoplace et presque 500 km pour le biplace dans les mêmes conditions.
A la vitesse de vol la plus économique, les distances franchissables brutes sans vent atteignent même respectivement 950 km et 850 km,
Certes, dans ce cas, le vol dure respectivement 7h20 et 7h, mais quels sont les ULM thermiques sur le marché capables d'aller aussi loin en restant dans les limites de masse réglementaires ?
Et puis, pour aller aussi loin, il peut être judicieux de monter assez haut pour voler plus vite (TAS supérieure à la même IAS), toujours à la finesse maximale, et de mettre moins de temps.

Pour assurer un taux de montée minimal de 5 m/s pour la sécurité, la puissance minimale du moteur doit être de 39 HP pour le monoplace, et de 60 HP pour le biplace.
(Si ces puissances vous paraissent faibles, pensez que nous avons une aérodynamique atteignable, mais particulièrement soignée qui nous donne cette finesse de 20)
Si nous installons des moteurs correspondant à la limite réglementaire de 65 kW pour le monoplace, et 80 kW pour le biplace, l'excédent de puissance se transforme en taux de montée : plus de 2500 ft/min pour le monoplace, et encore plus de 2000 ft/ min pour le biplace...
Une telle motorisation peut sembler complètement inutile, mais en montagne et/ou avec un terrain particulièrement court avec un obstacle, il en va tout autrement.

2/ ULM Confortable

Tout en gardant une cellule à l'aérodynamique aussi soignée, j'ai cherché à dégager de la marge de masse pour (bagages , tente , vélo(s) pliant(s) , équipage particulièrement lourd - Rayez la mention inutile)
Donc la charge utile est maintenant de 100 kg pour le monoplace et 200 kg pour le biplace.

ULM_Elec_Conf.png
ULM_Elec_Conf.png (45.52 Kio) Vu 3972 fois
Évidemment, c'est la masse de batterie, et donc la distance franchissable qui est réduite... mais pas trop :
Encore presque 500 km d'autonomie à 170 km/h, pour le monoplace et 375 km pour le biplace dans les mêmes conditions.
A la vitesse de vol la plus économique, les distances franchissables brutes sans vent sont encore respectivement 850 km et 650 km...

Pour les performances de décollage et de montée, rien de changé, puisque l'aérodynamique et la masse totale sont les mêmes...

3/ ULM Ordinaire

Certains ne manqueront pas d'objecter que les performances des ULM ci-dessus sont dues à leurs qualités aérodynamiques, et ne sont donc pas représentatives des appareils existants.
Alors j'ai gardé les paramètres du cas N°2, mais en réduisant la finesse à 12, qui correspond à celle d'un bon ULM trois axes à aile haute haubanée en tube et toile que je ne nommerais pas.

ULM_Elec_Ord.png
ULM_Elec_Ord.png (45.44 Kio) Vu 3972 fois
Évidemment, les performances s'en ressentent grandement (Il n'y a pas de miracle) du moins en ce qui concerne la distance franchissable à 170 km/h qui s'effondre à un peu moins de 300 km pour le monoplace, et à 225 km pour le biplace.

Il est tout de même possible d'aller plus loin, respectivement 500 km et presque 400 km en volant à la vitesse de finesse maximale.
Là encore, en l'absence de vent contraire, il est intéressant de voler haut.

D'autant que les taux de montée sont encore très corrects : 2400 ft/min pour le monoplace et 1800 ft/min pour le biplace.

Premières conclusions :

L'exercice ci-dessus montre que :
- Un ULM électrique réellement performant est maintenant envisageable grâces aux batteries à 500 Wh/kg
- La qualité aérodynamique reste un impératif pour tout nouvel avion ou ULM électrique. Fort heureusement, les moteurs électriques génèrent extrêmement peu de trainée de refroidissement et ont un maitre-couple très réduit. Pour paraphraser un slogan plus que connu (en France) "L'énergie est lourde, économisons-la"

N'hésitez pas à me faire part de vos remarque, suggestions et critiques.

Bons vols,

Philippe Dejean
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Philippe Dejean
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Re: 500 Wh/kg - 1300 Wh/l !

Message par Philippe Dejean »

Bonjour à tous,

Il n'y a pas que dans l'aviation que la propulsion électrique peut être performante :

https://www.e1series.com/racebird

Remarque : Je n'ai pas d'informations précises sur les batteries utilisées, mais 35 kWh, ça ferait 70 kg de batteries à 500 Wh/kg... Et une bonne centaine de kg de plus avec des batteries à 200 Wh/kg : Différence pas du tout négligeable !

Bons Vols

Philippe Dejean
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