Cos'è l'aereo a celle a combustibile: 11 fatti interessanti da sapere

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Che cos'è un aereo a celle a combustibile?

Velivoli a celle a combustibile a idrogeno

L'industria aeronautica ha cercato ampiamente di diventare ecologica in termini di consumo di carburante. Sono in corso studi e analisi per identificare l'idrogeno come una valida alternativa. Concept design e modelli sono stati dimostrati da alcune delle migliori compagnie aeree, quindi è importante che ci aggiorniamo con le loro ricerche. Cominciamo con la terminologia 'Fuel Cell Aircraft'.

Un aereo che utilizza il carburante a idrogeno come principale fonte di energia è chiamato aereo a celle a combustibile. Sia il motore a reazione che un altro tipo di motore a combustione interna possono bruciare idrogeni o usarli per alimentare una cella a combustibile per generare energia per un'elica. A differenza della maggior parte dei velivoli che utilizzano ali di stoccaggio del carburante, i velivoli a celle a combustibile a idrogeno sono tipicamente sviluppati nella fusoliera in serbatoi di carburante a idrogeno.

aerei a celle a combustibile
Aereo a celle a combustibile HY4; Fonte immagine: DLR, CC-BY 3.0, HY4 2016 ueber Flughafen Stoccarda, CC DI 3.0 DE

Che cos'è la cella a combustibile a idrogeno?

Cella a combustibile a idrogeno

Questo è uno tecnologia importante con potenzialità che offre una gamma delle industrie, comprese quelle automobilistiche e della trasmissione pesante, notevoli vantaggi in termini di efficienza energetica e decarbonizzazione. Oggi la tecnologia del petrolio a idrogeno viene utilizzata per vari scopi, che comprendono la fornitura di capacità di backup di emergenza per strutture critiche come gli ospedali, la sostituzione dell'elettricità di rete per strutture di carico essenziali come i data center.

Le celle a combustibile a idrogeno possono essere utilizzate negli aerei? | Gli aeroplani usano le celle a combustibile? ?

Nel prossimo futuro, tutto, dalle aree urbane a basse emissioni di carbonio ai computer portatili ai futuri velivoli a celle a combustibile a emissioni zero, potrebbe essere potenzialmente alimentato. Diversi studi di ricerca hanno dimostrato che i grandi velivoli commerciali a celle a combustibile a idrogeno sono pratici da costruire entro il 2020. Tuttavia, sarà probabilmente in servizio solo verso il 2030. L'interesse per l'utilizzo di velivoli a celle a combustibile come velivoli personali è cresciuto nel prossimo futuro.

Nel progetto di ricerca europeo, sono state valutate la fattibilità tecnica e meccanica, la prospettiva di sicurezza, le compatibilità ambientali e le fattibilità economiche dell'uso dell'idrogeno fluido (H2) come carburante per aerei in collaborazione con Airbus, insieme a 33 organizzazioni partner contenute in un carburante velivoli cellulari e soprannominato CRYOPLANE, un rapporto dettagliato è stato pubblicato nell'anno 2003.

Come è nata la cella a combustibile a idrogeno?

Storia della cella a combustibile a idrogeno

Sir William Grove, un giudice diventato scienziato, ideò un'idea unica nel 1838: costruire una cella con due compartimenti sigillati indipendenti, ciascuno alimentato da idrogeno o ossigeno. All'epoca chiamò il suo dispositivo una "batteria voltaica a gas". Purtroppo, non ha generato abbastanza elettricità per essere utile. Dopo qualche tempo, l'ingegnere inglese Francis Thomas Bacon si interessò e, nel 1932, creò la prima cella a combustibile idrogeno-ossigeno al mondo per realizzarla, che viene utilizzata oggi per costruire il concetto dell'aereo a celle a combustibile. La cella a combustibile di Bacon è diventata un successo nell'industria spaziale, dove è stata utilizzata per alimentare satelliti e razzi per operazioni di esplorazione spaziale come Apollo 11.

Nel febbraio 1957, un NACA Martin B-57B fu sperimentato e fatto volare per 20 minuti a idrogeno invece che a carburante per uno dei suoi due motori Wright J65. Il Tu-155, un aereo di linea Tu-154 aggiornato, ha volato per la prima volta il 15 aprile 1988, come primo aereo sperimentale a celle a combustibile alimentato a idrogeno.

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velivoli a celle a combustibile; Fonte immagine: aeroprints.com, CCCP-85035 Tupolev Tu.155 (7286104458), CC BY-SA 3.0

Boeing a celle a combustibile a idrogeno | Boeing a celle a combustibile

Boeing ha prodotto e gestito il primo aereo al mondo alimentato a idrogeno nel 2008. Durante il decollo e la salita, le celle a combustibile dell'aereo monoposto sono state potenziate con l'elettricità delle batterie agli ioni di litio. Il Phantom Eye (destinato a svolgere missioni di ricognizione di quattro giorni all'altezza di 20,000 metri), un velivolo senza pilota alimentato a idrogeno liquido, è stato presentato quattro anni dopo. Tuttavia, Boeing non ha potuto vendere l'UAV ai militari, ed è ora esposto in un museo solo come veicolo aereo alimentato ad idrogeno liquido.

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Image Source: Adambro, Dimostrazione di celle a combustibile Boeing AB1, CC BY-SA 3.0

vesciche di celle a combustibile per aerei

Perché le celle a combustibile non sostituiscono i motori a reazione?

L'uso dell'idrogeno come carburante per aerei è stato dimostrato da Boeing attraverso il suo concetto di Phantom Eye. Tuttavia, secondo Mike Sinnett (VP, Product Development, Boeing Aviation) ha commentato che sono necessarie ulteriori ricerche per valutare il fattore sicurezza affinché la struttura di un aeromobile e i serbatoi di carburante funzionino in modo sicuro come gli aerei di linea di oggi.

Quindi questo implica che il carburante a idrogeno non sarà impiegato negli aerei Boeing a celle a combustibile per più di due decenni da oggi, e che i motori per gli aerei tra un decennio sono già in costruzione.

Sviluppo di Phantom Eye

Il Phantom Eye ha sviluppato il precedente risultato di Boeing con il Boeing Condor a pistone, che ha stabilito più altitudini e record di resistenza alla fine degli anni '1980. Boeing ha anche lavorato sull'UAV Phantom Ray come banco di prova volante per tecnologie innovative, nonché su un velivolo senza pilota HALE più grande che può volare per oltre dieci giorni e trasportare carichi utili di 900 chilogrammi o più.

Il sistema di propulsione del Phantom Eye (progettato in connessione con il sistema di propulsione e la cellula) ha superato un test della camera di altitudine di 80 ore il 1 marzo 2010.  The Ball Aerospace, Aurora Flight Sciences, Ford Motor Company e MAHLE Power Train hanno collaborato al progresso tecnologico per creare il Phantom Eye, finalmente svelato il 12 luglio 2010.

Darryl Davis, il capo della sezione di idee avanzate di Phantom Works di Boeing, ritiene che il 'Phantom Eye dimostratore' sia un modello in scala accurato del 60-70% di un sistema di obiettivi. Con solo quattro aerei, il prototipo Phantom Eye potrebbe portare a un sistema di obiettivi in ​​grado di fornire una copertura per tutto l'anno di una vasta area.

Come funzionerà la cella a combustibile a idrogeno?

Una cella a combustibile a idrogeno convenzionale per un aeromobile a celle a combustibile è costituita da due elettrodi (un anodo e un catodo) staccati da una membrana elettrolitica. Questo funziona come segue:

  1. L'idrogeno entra nella cella a combustibile attraverso l'anodo. Elettroni e protoni si formano per divisione degli atomi di idrogeno, a causa della loro reazione con un catalizzatore. Il catodo, d'altra parte, consente l'ingresso di ossigeno dall'aria adiacente.
  2. I protoni caricati positivamente viaggiano al catodo attraverso la membrana elettrolitica permeabile. L'elettrone caricato negativamente esce dalla cella, fornendo una corrente in grado di alimentare un sistema di propulsione elettrico o ibrido.
  3. I protoni e l'ossigeno si combinano nel catodo per formare l'acqua.
Schema della cella a combustibile a idrogeno
Image Source: Emma Ambrogio, Schema della cella a combustibile a idrogeno, CC BY-SA 4.0

Proprietà dell'idrogeno

L'energia specifica dell'idrogeno è tre volte quella del normale carburante per aerei, sebbene abbia una densità energetica inferiore. I serbatoi in fibra di carbonio, che possono resistere a una pressione di 700 bar, sono utilizzati negli aerei. È anche possibile impiegare idrogeno liquido criogenico.

Supponiamo che l'idrogeno sia prontamente disponibile da una fonte di energia a basse emissioni di carbonio come il vento o il nucleare. In tal caso, emetterà meno gas serra, tra cui vapore acqueo e una piccola quantità di ossido di azoto negli aerei, rispetto ai casi esistenti. Attualmente, solo una piccola quantità di H2 è prodotto utilizzando una fonte di energia a basse emissioni di carbonio e ci sono diversi ostacoli significativi all'uso dell'idrogeno negli aerei. L'idrogeno è più costoso dei combustibili fossili a causa del suo metodo di produzione e delle sue relative inefficienze utilizzando le tecnologie attuali.

Il LH2 è uno dei refrigeranti tecnici più efficaci. È stato proposto di raffreddare l'aria aspirata per velivoli molto veloci o anche la pelle dell'aereo stesso, in particolare per gli aerei a reazione scram.

Peso e densità energetica

Sia in forma gassosa che liquida, il peso aggiuntivo necessario per lo stoccaggio del carburante è il principale ostacolo al volo a idrogeno negli aerei a celle a combustibile. Realizzare serbatoi leggeri isolati sotto vuoto che mantengano l'idrogeno liquido al di sotto del punto di ebollizione di 20 Kelvin sarà il problema per l'idrogeno liquido. Poiché i serbatoi devono sopportare alte pressioni da 250 a 350 bar, il gas ha una maggiore penalità di peso.

La densità energetica dell'idrogeno liquido è 2.8 volte quella della benzina per aviazione. Tuttavia, secondo l'Argonne National Laboratory, il carburante per aerei supera l'idrogeno di un fattore 1.6 in termini di carburante combinato e peso del serbatoio. A differenza del carburante per aviazione, che costituisce circa il 78% del peso complessivo del serbatoio e del carburante, l'idrogeno liquido costituisce solo il 18% del peso totale nei moderni sistemi di stoccaggio. Si sostiene che la frazione in peso del combustibile deve raggiungere almeno il 28% per competere con i combustibili fossili. L'idrogeno liquido ha un'energia per unità di volume molto inferiore rispetto agli idrocarburi.

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Densità energetica dei combustibili – orizzontale per massa, verticale per volume; Fonte immagine: quadrante Scott, Densita 'energia, contrassegnato come dominio pubblico, maggiori dettagli su Wikimedia Commons

Tuttavia, secondo Phillip Ansell, direttore dell'Università dell'Illinois presso il Champaign's Centre for High-Efficiency Electrical Technologies for Aircraft, finanziato dalla NASA, diverse parti dell'aereo come le ali e la fusoliera possono essere modificate individualmente o collettivamente per contrastare il aumento della resistenza aerodinamica, derivante dalla superficie esterna extra necessaria per ospitare serbatoi di idrogeno più grandi.

Vantaggi della cella a combustibile a idrogeno

Le celle a combustibile (che utilizzano idrogeno puro, quindi prive di carbonio), sono una fonte di energia pulita poiché producono elettricità attraverso una reazione elettrochimica. Di seguito sono riportati alcuni vantaggi più importanti delle celle a combustibile:

  1. Le celle a combustibile, a differenza delle batterie, non richiedono ricarica e possono continuare a creare energia finché è disponibile una fonte di combustibile (idrogeno).
  2. Le singole celle a combustibile possono essere "impilate" per creare sistemi più grandi in grado di generare più energia, consentendo la scalabilità. Gli stack di celle a combustibile possono essere accoppiati per formare sistemi multi-megawatt su larga scala, mentre una singola cella a combustibile è in grado di generare elettricità sufficiente per consentire l'applicazione specifica.
  3. Le celle a combustibile sono silenziose e affidabili poiché non hanno parti mobili.

L'idrogeno è un carburante praticabile per gli aerei?

Tre concetti unici sono stati realizzati da Airbus per aeromobili a celle a combustibile a idrogeno che possono trasportare fino a 200 passeggeri e coprire un'autonomia che si avvicina a 2000 miglia nautiche (3700 chilometri). Ciascuno di essi comprende un sistema ibrido concettuale contenente turbine a combustione e motori a celle a combustibile. In un sistema turboelettrico, una turbina a gas alimentata a idrogeno alimenta un generatore elettrico, mentre un motore elettrico aziona la ventola.

Airbus prevede di alimentare i suoi futuri aerei di linea a lungo raggio da 300 a 400 posti utilizzando combustibili sintetici derivati ​​da fonti rinnovabili anziché idrogeno. Adattare l'idrogeno agli aerei che verranno svuotati e riforniti numerose volte al giorno sarà una nuova sfida per l'azienda, anche se ha già esperienza con il carburante nelle applicazioni aerospaziali.

Riparazione di celle a combustibile per aerei | Manutenzione delle celle a combustibile per aeromobili

La presenza di carburante fuoriuscito sul fondo dell'aereo è solitamente il primo segno di una perdita. Durante la ricerca della fonte della perdita, è necessario notare che il carburante potrebbe percorrere una certa distanza prima di raggiungere una posizione di uscita. A causa di ciò, può essere difficile individuare la fonte della perdita. È necessario seguire il percorso della perdita prima di nutrire qualsiasi sospetto, senza presumere che la cella a combustibile che perde si trovi nelle immediate vicinanze della perdita visibile.

Le perdite devono essere controllate nelle connessioni, nei tubi flessibili e nelle zone di sfiato. Vale anche la pena notare che solo perché una cella a combustibile perde non dà luogo alla necessità di sostituzione. Su una cella a combustibile, ci sono alcune perdite che possono essere riparate come:

  1. Le fascette stringitubo sono troppo lente
  2. Le viti sul trasmettitore sono allentate.
  3. Guarnizioni difettose
  4. Bulloni con piastra allentata o bocchettone di riempimento
  5. Il bocchettone di riempimento o il tubo presentano delle crepe.

Le connessioni a doppio serraggio delle celle a combustibile evitano perdite nelle celle più vecchie, ma è anche utile per le celle più recenti con grandi interconnessioni. La gomma si depositerà dopo che i morsetti sono stati serrati. Di conseguenza, un'ora dopo l'installazione iniziale, è una buona idea serrare nuovamente tutti i morsetti.

Nastro per celle a combustibile per aerei

Esaminare la regione intorno all'alloggiamento della cella a combustibile per individuare eventuali perdite di corrosione. Rimuovere eventuali residui di nastro e residui. MEK può essere utilizzato per rimuovere facilmente i residui di nastro. Rimuovere tutti i FOD, in particolare i trucioli di metallo, che possono danneggiare rapidamente una cella a combustibile appena installata.

Fare attenzione a utilizzare il nastro per celle a combustibile mentre si fissa il rivestimento. L'idoneità del nastro adesivo o del nastro isolante non giustifica la sostituzione del nastro per celle a combustibile. Il nastro e l'adesivo utilizzati nella cella a combustibile sono notevolmente intatti durante l'evento di una fuoriuscita di carburante, in questa situazione, nastro adesivo, nastro elettrico e altri nastri non funzioneranno.

Tutti i rivetti e i bordi devono essere fissati con nastro adesivo per celle a combustibile. Lavorare con brevi sezioni di nastro (lunghe circa 6 pollici) di solito è più facile che lavorare con sezioni lunghe, particolarmente vero se il nastro si trova in regioni difficili da raggiungere alla cieca. In luoghi difficili, uno specchio potrebbe anche aiutarti a vedere cosa stai facendo.

Detergente per celle a combustibile per aerei

Eliminare il carburante rimanente dalla cella a combustibile prima dell'imballaggio per la spedizione. La cella a combustibile deve essere pulita con acqua calda e sapone liquido per i piatti, secondo Hartwig Aircraft Fuel Cell Repair. Il processo di pulizia e asciugatura deve essere seguito dalla piegatura e dall'imballaggio della cella per la spedizione alle strutture di riparazione. Prima della spedizione, alcuni meccanici aggiungono un film d'olio alla cella per preservare la cella. Eagle Fuel Cells sconsiglia vivamente di farlo, affermando che non è necessario rivestire la cella con olio a spese di manodopera aggiuntiva.

Saldatura di celle a combustibile per aeromobili | Saldatura a celle a combustibile in alluminio per aeromobili

La comune torcia a ossicombustione (saldatura a ossicombustione o OFW) è stata un importante pilastro nel processo di giunzione dell'alluminio. Nel 1850, l'ossi-idrogeno creato dall'elettrolisi veniva utilizzato per saldare a fiamma metalli con punti di fusione bassi, come oro, argento, rame e platino. La scoperta dell'acetilene è degna di nota perché legata alla ricerca di un nuovo metodo per realizzare il metallo dell'alluminio.

Nell'industria aeronautica, l'ossi-idrogeno è più comunemente collegato all'OFW rispetto all'ossi-acetilene, ma non per alcun vantaggio tecnico. L'acetilene è stato razionato espressamente per l'uso nei cantieri navali a causa dell'economia del tempo di guerra, lasciando l'idrogeno come unica alternativa. Poiché la miscelazione degli avanzi di acetilene con il gas idrogeno può provocare un disastro accidentale, l'utilizzo dell'idrogeno come carburante richiede un serbatoio, un regolatore, un tubo flessibile e una torcia completamente separati.

Inoltre, l'idrogeno non produce fuliggine, che potrebbe essere utile come indicatore di temperatura durante la ricottura della lamiera di alluminio. I costi di produzione del carburante (con un possibile impianto di elettrolisi) e un aspetto della zona di saldatura un po' più pulito (a causa dell'assenza di carbonio nella regione della fiamma) possono essere vantaggi dell'idrogeno.

Qual è la durata di conservazione delle celle a combustibile?

Durata di conservazione delle celle a combustibile per aerei

La maggior parte degli aeroplani in uso oggi è sopravvissuta alla vita prevista per la progettazione. Molti di questi aerei hanno subito una o più modifiche alla cellula o all'avionica. La durata di una cella a combustibile, d'altra parte, è spesso trascurata perché non è inclusa in numerosi documenti governativi, manuali di aeromobili o TO di aeromobili.

I fattori variabili cruciali tra le flotte comprendono le ore di volo, le condizioni ambientali e i cicli di rimozione e reinstallazione. Di conseguenza, è impossibile prevedere la vita utile di una cella a combustibile. Le celle a combustibile rigenerate, ricondizionate o revisionate non sono possibili. La rappresentazione di celle a combustibile come tali è errata.

Tuttavia, possiamo dire che qualsiasi cella a combustibile che abbia più di 15 anni in un aeromobile a celle a combustibile dovrebbe essere valutata per la sostituzione. Ciò è particolarmente importante se l'aereo sta subendo modifiche importanti che richiedono la rimozione della cella. Va sottolineato che, a seconda del programma aereo, le forze statunitensi hanno concluso che la vita di servizio tipica dovrebbe essere compresa tra 10 e 12 anni. In generale, riparazioni estese su qualsiasi cella a combustibile più vecchia di 12 anni e che dovrebbe rimanere in servizio per più di 12 mesi sono uno spreco di denaro.

Qual è il futuro carburante per gli aerei?

Carburante per aviazione emergente

I vantaggi dell'idrogeno sono emersi di recente e l'industria del trasporto aereo ne sta prendendo atto. Secondo Fymat, Airbus vuole produrre 1 al mondost  aereo commercializzato a zero emissioni entro il 2035.

Secondo fonti, ZeroAvia, un'azienda con sede negli Stati Uniti, vuole produrre un aereo a celle a combustibile a idrogeno per circa 20 passeggeri entro il 2024. Ha già ottenuto $ 5 milioni di sussidi da tre programmi del governo del Regno Unito e ha attirato con successo l'interesse di 12 vettori regionali da Regno Unito, Stati Uniti e Unione Europea.

Ora che hai imparato a conoscere l'idrogeno come potenziale carburante per l'aviazione, naviga per conoscere il sistema di stoccaggio del carburante- Sistema di serbatoi di carburante per aerei.

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