Avioanele ”verzi” nu mai sunt SF: hidrogenul, noul mod pe propulsie care schimbă industria

Airbus a anunțat recent că intenționează să proiecteze, să construiască și să demonstreze un „sistem de propulsie” destinat unei aeronave de pasageri la scară mare, cu tehnologie de celule de combustibil cu hidrogen cu stocare criogenică de hidrogen, în mai puțin de patru ani.

Acest lucru nu înseamnă că un avion de linie cu pile de combustibil cu hidrogen este pe drum în acel interval de timp sau că firma vede tehnologia celulelor de combustibil ca un înlocuitor complet pentru motoarele cu reacție. Dar ar putea înlocui unele motoare cu reacție la o scară mai mică cu mult înainte ca motorul cu ardere internă să fie complet alungat din mașini.

Compania spune că „ar putea fi testată în zbor până la mijlocul acestui deceniu – în jurul anului 2026” și numește hidrogenul „o opțiune foarte convingătoare” în încercarea companiei de a aduce pe piață aeronave cu emisii zero până în 2035.

După cum subliniază compania, are efectiv trei opțiuni cu hidrogen. Poate arde hidrogenul în motoarele cu turbine cu gaz modificate; poate folosi pile de combustibil cu hidrogen pentru a crea energie electrică; sau poate folosi o combinație a ambelor.

Pentru oricare dintre aceste căi, ar putea să producă hidrogen din energie regenerabilă, cum ar fi eolianul și solarul, dar mergând pe traseul celulelor de combustibil-EV înseamnă că astfel de avioane ar avea efectiv zero emisii.

Standarde înalte pentru mașini, de ce nu  și pentru avioane?

Acest lucru ar ajuta la rezolvarea unui adevăr incomod – că mașinile, camioanele și autobuzele nu sunt singura problemă de emisii din transport. Călătoriile aeriene comerciale reprezintă aproximativ 2% din emisiile de gaze cu efect de seră la nivel global sau, în SUA, mai mult de 3% din emisiile de GES și aproximativ 10% din emisiile totale din transporturi. Dacă emisiile automobilelor pot face progrese puternice în ceea ce privește electrificarea, de ce producătorii de avioane nu își pot intensifica jocul?

Acest lucru se datorează în parte pentru că cealaltă parte incomodă este aceasta: tehnologia actuală a bateriilor auto nu este încă atât de densă în energie pe cât ar trebui să fie pentru a zbura pe rute comerciale lungi sau avioane mai mari. Chiar și stocarea hidrogenului va avea nevoie de un nou tip de soluție pentru a profita de densitatea energetică de care are nevoie o aeronavă.

Airbus, în aceste anunţuri recente, spune că ambarcaţiunea va încorpora un rezervor de stocare a hidrogenului criogenic, care funcţionează la -253 de grade Celsius. Depozitarea hidrogenului la o presiune foarte mare de 700 de bari nu ar fi suficientă, se spune, dar la temperaturi, acel hidrogen rece devine un lichid mai dens energetic. Chiar și atunci, patru litri de hidrogen lichid sunt echivalentul a doar un litru de combustibil standard pentru avioane, spune Airbus. Deci, nu te aștepta să rivalizeze cu un Boeing 777 sau un Airbus A350.

Cerințele de siguranță și durabilitate sunt mai stricte decât ar putea fi pentru lansatoarele spațiale, spune Airbus, deoarece aeronavele comerciale ar trebui nu numai să suporte 20.000 de decolări și aterizări, dar ar trebui să rețină hidrogenul lichid pentru mai mult timp. Pentru acea soluție, lucrează la o abordare cu materiale compozite.

Demonstratorul de celule de combustibil are încă mulți pași de parcurs în dezvoltare și testare. Acesta va fi construit pe „platforma de testare multimodală” a Airbus A380 MSN001 și va fi modificat extern pentru a transporta podul motorului cu celule de combustibil.

Airbus este în parteneriat cu furnizorul de automobile Elring Klinger și face parte dintr-o asociere cu acea companie numită Aerostack pentru stivele de celule de combustibil, care generează electricitate (plus puțină apă și căldură) din hidrogen printr-o reacție electrochimică gestionată îndeaproape.

Este probabil, la fel ca în mașinile cu celule de combustibil, cum ar fi Toyota Mirai, că un pachet de baterii litiu-ion va juca un rol în a ajuta la amortizarea energiei sau, în acest caz, pentru a asigura coborârea de urgență dacă stiva se oprește.

Elice

Avioanele cu hidrogen ar fi similare din punct de vedere estetic cu avioanele tradiționale, deși cu o lungime puțin mai mare necesară. Avioanele mai mici ar folosi probabil elice, cu celule de combustie alimentate cu hidrogen care furnizează propulsie electrică pentru a întoarce elicele. Avioanele mai mari ar putea arde hidrogen pentru a alimenta motoarele cu reacție.

Raportul Comisiei Europene privind aviația alimentată cu hidrogen, spunea că hidrogenul ar putea fi fezabil utilizat până în 2035 pentru a propulsa o aeronavă comercială de pasageri pe un zbor de până la 3.000 de kilometri. Până în 2040 sau mai departe, ar trebui să fie posibil și un zbor cu rază medie de până la 7.000 de kilometri, lăsând doar zboruri cu rază lungă pentru aviația tradițională.

„Până în 2035 ar trebui să fie posibil un avion de zbor cu rază scurtă de acțiune”, a declarat Dr. Bart Biebuyck, director executiv al Întreprinderii Comune pentru Pile de Combustie și Hidrogen, un parteneriat european public-privat pentru a accelera introducerea pe piață a acestor tehnologii. „Asta înseamnă că pe pământ european, puteți conecta toate orașele mari din Europa folosind avioane alimentate cu hidrogen. Până în 2050, scenariul ambițios este ca 40 % din flota (aeriană europeană) să fie alimentată cu hidrogen.”

Atingerea acestor obiective se va baza pe o serie de factori. În primul rând, tehnologiile de stocare a hidrogenului trebuie să avanseze pentru a transporta suficient hidrogen lichid în avioane pentru aceste călătorii. Vor trebui concepute noi modalități de transport a hidrogenului către aeroporturi, astfel încât avioanele să poată fi alimentate pe piste. Și vor fi necesare reproiectări ale interioarelor avioanelor pentru a afla cum să integreze toate sistemele și tuburile necesare pentru a rula avioanele comerciale pe hidrogen.

„Prin integrare, încă nu s-a făcut nimic pe un avion mare”, a spus Dr. Biebuyck. „Va fi o mare provocare. Și încă trebuie să pregătim o mulțime de standarde, coduri și reglementări. De exemplu, care ar fi cerințele pentru testarea rezervoarelor de hidrogen pentru aviație? Încă o mare parte din această cercetare nu a fost făcută.”

S-au făcut progrese, totuși, în dezvoltarea tehnologiei de bază a avioanelor cu hidrogen. În 2008, Boeing a zburat cu primul avion din lume alimentat cu hidrogen de pe un aerodrom de lângă Madrid, Spania, un vehicul monoloc care a dovedit că tehnologia este posibilă. Și în 2016, primul avion cu patru locuri pe hidrogen, construit în Germania de către agenția germană de cercetare aeronautică (DLR), Universitatea din Ulm și o companie numită H2FLY, a decolat de pe aeroportul din Stuttgart.

Patru componente

Avioanele cu hidrogen au, în esență, patru componente majore – un sistem de stocare pentru a stoca în siguranță hidrogenul lichid, pile de combustibil pentru a transforma hidrogenul în electricitate, un dispozitiv pentru a controla puterea celulelor și apoi un motor pentru a transforma o elice. Pentru a realiza avioane comerciale complete, toate aceste patru zone trebuie dezvoltate suficient.

În Spania, un proiect numit HEAVEN lucrează la integrarea acestor componente într-un plan experimental. Ea dezvoltă un grup motopropulsor care să rotească elicele la viteză mare folosind energie electrică, împreună cu sisteme de stocare a hidrogenului lichid similare celor care au fost folosite în mașini.

„Acesta va fi primul sistem de stocare a hidrogenului lichid (pentru avioane), care va fi conectat cu o celulă de combustibil și un motor electric și apoi va fi zburat într-un test de zbor”, a spus dr. Josef Kallo de la DLR și membru al HEAVEN. „Depozitul de hidrogen (realizat de firma franceză Air Liquide) este construit și va fi finalizat anul acesta. Anul viitor va fi momentul integrării. Și apoi, la sfârșitul lui 2022, vom pleca în zbor.”

Sistemul de propulsie dezvoltat de proiect transformă hidrogenul în cuplu pentru a transforma elicea. Este foarte eficient și, de asemenea, silențios de rulat, producând aproximativ aceeași cantitate de zgomot ca un motor cu ardere internă dintr-o mașină – ceea ce înseamnă că pasagerii ar trebui să aibă un zbor plăcut și liniștit.

Pentru o aeronavă cu 45 de locuri, un avion cu elice alimentat cu hidrogen va fi capabil să atingă viteze de până la 600 de kilometri pe oră, comparativ cu 850 de kilometri pe oră pentru un Boeing 747, potrivit doctorului Kallo.

În timp ce în acest moment se pune accentul pe elice, se lucrează și pentru dezvoltarea turbinelor alimentate cu hidrogen, care sunt mai eficiente la viteze mai mari. „Un pas (paralel) ar fi folosirea propulsiei de tip turbină, folosind motoare de mare viteză, care au un zgomot relativ scăzut”, a adăugat dr. Kallo.

Aviație verde

Cea mai mare parte a hidrogenului mondial de astăzi este produs prin reformarea metanului din gazul natural – un combustibil fosil – care produce dioxid de carbon. Totuși, sunt în desfășurare eforturi pentru a dezvolta hidrogenul verde prin utilizarea unui curent electric dintr-o sursă regenerabilă pentru a transforma apa în oxigen și hidrogen și pentru a reduce emisiile în producția sa. Dacă acest lucru este posibil, împreună cu nicio emisie de la avioanele în sine, aviația ar putea deveni o formă de călătorie cu adevărat ecologică.

„Până în 2050 trebuie să devenim o societate neutră din punct de vedere al carbonului, iar sectorul aviației trebuie să contribuie”, a spus dr. Biebuyck. „Desigur, nu numai aviația va trebui să se adapteze. Cu toții trebuie să lucrăm împreună. Dar nu putem învinge schimbările climatice fără ca aviația să fie decarbonizată.”

Europa pare setată să aibă un rol major în acest sens, conducând dezvoltarea multor tehnologii bazate pe hidrogen, inclusiv avioane cu hidrogen. „Europa este foarte în față”, a spus dr. Kallo. „Sunt câteva proiecte în SUA și China. Dar ei nu au arătat nivelul de progres pe care îl avem.”

Și s-ar putea foarte bine ca, în următoarele decenii, zborul tău de la Paris la Madrid sau de la Munchen la Roma să fie cu o mașină zburătoare verde, curată, una care nu produce emisii și nu are impact asupra schimbărilor climatice – o privire interesantă asupra viitorului decarbonizat.

„Aceasta este într-adevăr o șansă de a trece de la aviația bazată pe hidrocarburi la aviația pe bază de hidrogen”, a spus dr. Kallo.