Inginerii britanici au demarat dezvoltarea celui mai puternic sistem de propulsie electrică pe bază de hidrogen criogenic pentru avioanele mai mari

Propulsia electrică pe bază de baterii are deocamdată o viabilitate foarte limitată în lumea aviaţiei, din cauza greutăţii încă mari a bateriilor, care nu pot pur fi pur şi simplu scalate, pentru că se ajunge la un punct în care avionul nu mai are suficientă sarcină utilă şi ajunge la limita fizică a portanţei sale. Combustibilul sintetic de aviaţie e văzut de multe ori drept cea mai simplă soluţie, care ar fi compatibilă şi cu avioanele actuale, dar şi hidrogenul e o tehnologie care e în plină dezvoltare de către mai multe echipe de ingineri din lume, care cred că aceasta ar fi o soluţie de a asigura aviaţiei un impact de zero CO2 final, graţie producţiei de hidrogen din energie regenerabilă. Acum câteva echipe de ingineri britanici, de la GKN Aerospace, Universitatea din Nottingham şi alte câteva laboratoare şi universităţi, au demarat un efort comun de a dezvolta un nou sistem de propulsie electrică pe bază de hidrogen, sistem care ţinteşte să devină cel mai puternic din lume, cam de două ori mai puternic decât încercările actuale, astfel încât să fie compatibil şi cu avioanele mai mari, folosite pentru zboruri regionale şi chiar continentale.

Hidrogenul are o densitate energetică excelentă, mai ales dacă e stocat sub formă lichidă. E adevărat că hidrogenul are nevoie de -253 grade Celsius pentru a fi păstrat lichid, însă în cazul unui avion, el îşi consumă combustibilul în doar câteva ore de obicei, iar cu un rezervor izolat termic, după principiul termosului, păstrarea acestei temperaturi timp de câteva ore ar fi mult mai posibilă, mai ales luând în considerare că la altitudinea de zbor temperatura aerului este de circa -55 grade Celsius de obicei. Chiar dacă ar exista un sistem de management termic care să asigure păstrarea temperaturii necesare, el ar necesita un minim de energie. În schimb 1 kg de hidrogen are 33,3 kWh de energie utilizabilă în el, în timp ce combustibilul actual de aviaţie are circa 11,95-11,99 kWh/kg de energie utilizabilă în el.

Totuşi într-un volum de un litru, combustibilul actual de aviaţie are o greutate de până la 0,82 kg, în timp ce hidrogenul, chiar şi lichid, cântăreşte doar 0,07 kg. Ca să vorbim în kWh per litru, ar însemna că actualul combustibil de aviaţie are circa 9,84 kWh într-un volum de un litru, în timp ce hidrogenul lichid ar avea doar 2,33-2,36 kWh de energie. Deci ar fi nevoie de volume de rezervoare de peste 4 ori mai mari la bordul avionului, ca să se conţină aceeaşi valoare energetică.

Doar că hidrogenul de obicei nu intră în combustie directă în motoare cu reacţie, aşa cum se întâmplă la avioanele obişnuite. La motoare cu reacţie, cel mai bun randament ar fi de circa 50%, deci jumătate din conţinutul energetic din combustibil se pierde. La hidrogen, sistemul de propulsie electrică poate da un randament de peste 95%, însă producţia de electricitate din hidrogen, pe baza pilelor de combustie, are şi ea un randament similar de circa 50-55%. Abia acum câteva zile scriam despre o instalaţie de pile de combustie, ce promite un randament record de 60%. Până atunci, însă, cam 50-55% e eficienţa obţinută în celulele electrochimice.

Deci, per total, randamentul e similar în ambele cazuri şi rămâne necesitatea volumelor mai mari de rezervoare, ceea ce înseamnă că densitatea energetică volumetrică a hidrogenului nu e tocmai excelentă pentru aviaţie, însă marele avantaj e la greutate, un factor mult mai important pentru aviaţie. Pentru că acelaşi conţinut energetic va cântări de 2,77 ori mai puţin pe un avion cu hidrogen decât unul actual cu combustibil obişnuit de aviaţie. La un Boeing 737-800, spre exemplu, combustibilul poate cântări 20,8 tone la decolare. Un avion de aceeaşi dimensiuni, dar cu hidrogen, care ar lua la bord aceeaşi valoare energetică de combustibil, dar sub formă de hidrogen, ar avea greutatea combustibilului de doar 7,5 tone, nu 20,8 tone. Iar asta e o diferenţă imensă, care ar determina şi un consum mai mic, şi atunci n-ar fi nevoie de 7,5 tone, spre exemplu, ci 6,5 tone.

Ei bine, tocmai aceste calităţi ale hidrogenului îl fac atractiv pentru aviaţie, mai ales dacă îl comparăm cu bateriile mult mai grele. Inginerii Airbus au dezvoltat un sistem de propulsie similar cu ceea ce vor să facă britanicii acum, doar că l-au făcut la 1 MW putere a electromotorului şi 1,2 MW putere a instalaţiei cu pile de combustie. Instalaţia cu pile e integrată în carcasa din spatele elicei şi fiecare motor ar avea câte o instalaţie de pile de combustie. Deci, un avion poate avea spre exemplu 2 sau 4 asemenea motoare.

Foto: Instalaţia Airbus cu hidrogen

Un alt sistem de 1 MW putere al electromotorului a fost elaborat de o echipă de ingineri americani. Însă, dacă inginerii Airbus au făcut teste la sol şi cu hidrogen gazos, urmând ca în final sistemul să folosească oricum hidrogen lichid, atunci cei americani au aplicat din start hidrogen lichid, criogenic, acordând o mare atenţie sistemului care menţine această temperatură criogenică.

Inginerii britanici de acum vor să pună un accent la fel de mare pe sistemul criogenic, dar puterea electromotorului va fi de 2 MW. Tot ei spun că vor ţinti un randament record al instalaţiei cu pile de combustie, care va opera la temperaturi foarte coborâte, iar inginerii spun că astfel ar putea nu doar atinge 60% randament, ci chiar să depăşească acest indicator record.

Însă, fiind vorba de instalaţii atât de puternice, el nu vor mai încăpea în construcţia tubulară din spatele elicei, şi vor trebui să ocupe un volum destul de mare în interiorul fuzelajului. De fapt, imaginile proiectate pentru avioane cu 18-48 pasageri arată că aproape jumătate din spaţiul interior al avionului e consumat de rezervoare de hidrogen şi instalaţiile cu pile cu combustie cu celule electrochimice.

Foto: Instalaţiile cu pile de combustie şi rezervoarele de hidrogen ocupă aproape jumătate din spaţiul interior al fuzelajului

Scopul final al fi ca această nouă instalaţie să ajungă pe avioane mai mari, însă la 2 MW putere, chiar dacă ar fi 2 sau 4 motoare la bord, puterea e încă mică pentru a vorbi despre avioane cu 180 pasageri, spre exemplu, şi e aplicabilă mai degrabă avioanelor regionale.

Deci, avioanele de talia lui Boeing 737-800 sau chiar Airbus A320 au nevoie de mult mai multă putere şi ea ar putea fi atinsă probabil doar cu viitoare iteraţii la scară mai mare, ale acestor sisteme de propulsie cu hidrogen criogenic. GKN Aerospace, însă, e o companie cu multe inovaţii realizate în aviaţie în trecut, iar noul proiect al inginerilor a primit acum o finanţare foarte generoasă, prin urmare putem acorda un credit de încredere că într-un final vor fi anunţate şi sisteme inovative, care să creeze un impact major în aviaţie.