Loty wodorowe zrewolucjonizują podróże lotnicze

Do 2045 r. prawie wszystkie loty krótkiego zasięgu będą mogły być napędzane wodorem, a znaczący postęp w technologii zwiększy wydajność i zasięg. Szwecja może rozpocząć loty wodorowe do 2028 r., a celem jest jego powszechne przyjęcie na całym świecie do 2050 r.

Loty napędzane wodorem zapewniłyby nowe możliwości podróżowania bez paliw kopalnych, a postęp technologiczny w tej dziedzinie postępuje szybko. Nowe badania z Politechnika Chalmers w Szwecji wskazują, że do 2045 r. prawie wszystkie podróże lotnicze w promieniu 1200 km będą mogły odbywać się samolotami napędzanymi wodorem. Dodatkowo, dzięki nowatorskiemu wymiennikowi ciepła, który jest obecnie w fazie opracowywania, zakres ten może być jeszcze większy.

„Jeśli wszystko się ułoży, komercjalizacja lotów wodorowych może teraz przebiegać naprawdę szybko. Już w 2028 r. pierwsze komercyjne loty wodorowe w Szwecji mogłyby odbyć się w powietrzu” – mówi Tomas Grönstedt, profesor na Politechnice Chalmers i dyrektor centrum kompetencyjnego TechForH2* w Chalmers.

Ten postęp technologiczny można zaobserwować w tunelach aerodynamicznych Chalmers, gdzie badacze testują warunki przepływu powietrza w najnowocześniejszych obiektach. Tutaj opracowywane są bardziej energooszczędne silniki, które torują drogę do bezpiecznego i wydajnego lotu wodorowego dla pojazdów ciężkich.

Potencjał lotnictwa napędzanego wodorem

Najbliższe realizacji są loty napędzane wodorem na krótkim i średnim zasięgu. Niedawno opublikowane badanie przeprowadzone przez firmę Chalmers pokazuje, że loty napędzane wodorem mogą do roku 2045 zaspokoić potrzeby 97 procent wszystkich wewnątrznordyckich tras lotów i 58 procent liczby pasażerów w Skandynawii.

Na potrzeby tego badania naukowcy założyli maksymalny dystans lotu wynoszący 1200 km i wykorzystanie istniejącego modelu samolotu przystosowanego do zasilania wodorowego. Badanie, prowadzone przez doktoranta Christiana Svenssona z grupy badawczej Grönstedta, pokazało również nowy zbiornik paliwa, który może pomieścić wystarczającą ilość paliwa, jest wystarczająco izolowany, aby pomieścić superzimny ciekły wodór, a jednocześnie jest lżejszy niż dzisiejsze paliwa kopalne systemy zbiorników paliwa.

Wodór i lot wodorowy:

• Wodór H2 to niewidzialny, bezwonny, lotny gaz, który skrapla się w temperaturze około -250 stopni Celsjusz (20 Kelwinów).
• Jeśli wodór jest wytwarzany przy użyciu energii odnawialnej, jest wolny od emisji dwutlenku węgla. Nazywa się to „zielonym wodorem”.
• Loty wodorowe mogą być napędzane elektrycznie, przy użyciu ogniw paliwowych, które przekształcają wodór w energię elektryczną w procesie katalizy, lub za pomocą silników odrzutowych, w których wodór jest spalany w turbinie gazowej.
• Wodór zawiera więcej energii na kilogram niż dzisiejsza nafta, a także ma tę zaletę, że pozostałościowym produktem spalania jest głównie para wodna.
• Gaz jest wysoce łatwopalny po zmieszaniu z powietrzem, dlatego konieczne są czujniki o wysokiej wydajności.
• W przemyśle wodór wykorzystuje się obecnie do produkcji np. stali niekopalnej.

Innowacyjny rozwój wymienników ciepła

Wymienniki ciepła są istotną częścią lotnictwa wodorowego i kluczowym elementem zachodzącego postępu technologicznego. Aby układy paliwowe były lekkie, wodór musi mieć postać ciekłą. Oznacza to, że wodór jest utrzymywany w samolocie w stanie przechłodzonym, zwykle około -250 stopni Celsjusza. Odzyskując ciepło z gorących spalin silników odrzutowych i chłodząc silniki w strategicznych lokalizacjach, stają się one bardziej wydajne. Aby przenieść ciepło pomiędzy przechłodzonym wodorem a silnikiem, potrzebne są nowatorskie typy wymienników ciepła.

Aby sprostać temu wyzwaniu, naukowcy z Chalmers od kilku lat pracują nad opracowaniem zupełnie nowego typu wymiennika ciepła. Technologia, oczekująca obecnie na opatentowanie przez partnera GKN Aerospace, wykorzystuje niską temperaturę przechowywania wodoru do chłodzenia części silnika, a następnie wykorzystuje ciepło odpadowe ze spalin do wstępnego podgrzania paliwa o kilkaset stopni przed wtryskiem do komory spalania.

„Każdy stopień wzrostu temperatury zmniejsza zużycie paliwa i zwiększa zasięg. Udało nam się wykazać, że samoloty krótko- i średniodystansowe wyposażone w nowy wymiennik ciepła mogą zmniejszyć zużycie paliwa o prawie osiem procent. Biorąc pod uwagę, że silnik lotniczy to dojrzała i ugruntowana technologia, jest to bardzo dobry wynik z pojedynczego komponentu” – mówi Carlos Xisto, profesor nadzwyczajny w Zakładzie Mechaniki Płynów w Chalmers i jeden z autorów badania.

Naukowcy zauważają również, że przy większej optymalizacji tego typu technologia wymiennika ciepła w zwykłym komercyjnym samolocie Airbus A320 może zapewnić większy zasięg nawet o dziesięć procent, czyli równowartość trasy Göteborg–Berlin (około 700 km).

Wspólne wysiłki i perspektywy branżowe

Prace nad opracowaniem rozwiązań dla przyszłego lotnictwa wodorowego toczą się na szerokim froncie, przy współpracy rządów, uniwersytetów i firm prywatnych. W Szwecji klaster innowacji Szwedzkie Centrum Rozwoju Wodoru (SHDC) zrzesza kluczowych graczy, w tym liderów branży i ekspertów ze środowisk akademickich. Na niedawnym seminarium SHDC naukowcy z Chalmers zaprezentowali swoje prace, a kilka firm komercyjnych złożyło zeznania o dużych inwestycjach w loty wodorowe w nadchodzących latach. Chociaż technologia jest bardzo zaawansowana, wyzwania polegają raczej na wymaganych dużych inwestycjach oraz na rozwoju infrastruktury, modeli biznesowych i partnerstw, aby móc produkować, transportować i magazynować wodór, tak aby możliwe było przejście na loty wodorowe. Oczekuje się, że całkowita transformacja będzie wymagać około 100 milionów ton zielonego wodoru rocznie.

„Branża oczekuje, że do 2050 r. 30–40 procent światowego lotnictwa będzie napędzane wodorem. Jest prawdopodobne, że przez wiele nadchodzących lat będziemy potrzebować połączenia samolotów zasilanych energią elektryczną i mniej szkodliwych dla środowiska pojazdów elektrycznych. paliwo do silników odrzutowych i wodór. Jednak każdy samolot, który może być zasilany wodorem pochodzącym z energii odnawialnej, zmniejsza emisję dwutlenku węgla” – mówi Grönstedt.

W ramach TechForH2 istnieją dobre warunki do podjęcia wyzwania wodorowego, a przy budżecie wynoszącym 162 mln SEK (równowartość 15,5 mln USD) centrum kompetencyjne może przyczynić się do rozwoju szeregu różnych obszarów badawczych łączących wodór i transport ciężki .

Referencje:

„Kompaktowe wymienniki ciepła do chłodzenia i rekuperacji silników lotniczych zasilanych wodorem” Alexandre Capitao Patrao, Isak Jonsson, Carlos Xisto, Anders Lundbladh i Tomas Grönstedt, 28 stycznia 2024 r., Stosowana Inżynieria Cieplna.
DOI: 10.1016/j.applthermaleng.2024.122538

„Samolot z wodorowymi ogniwami paliwowymi na rynek skandynawski” autorstwa Christiana Svenssona, Amira AM Oliveiry i Tomasa Grönstedta, 4 marca 2024 r., International Journal of Hydrogen Energy.
DOI: 10.1016/j.ijhydene.2024.02.382

Finansowanie: Szwedzka Agencja Energetyczna, Program Ramowy „Horyzont 2020”, Szwedzka Rada ds. Badań Naukowych