L’idrogeno in aviazione, con la sua elevata energia chimica specifica, potrebbe essere l’alternativa più promettente al carburante fossile usato attualmente per alimentare il volo degli aerei. Un progetto del College of Engineering dell’Università della Florida si spinge oltre. Come? Co un sistema di stoccaggio, gestione termica e controllo del trasferimento dell’idrogeno liquido, per un aereo a emissioni zero. “Il nostro progetto sfrutta la potenza di raffreddamento dell’idrogeno liquido per gestire la temperatura e i carichi termici sui componenti essenziali del sistema di alimentazione“.
Aereo a emissioni zero: prototipo avveniristico
Si tratta veramente di un’idea prototipale che potrebbe cambiare il futuro dell’aviazione civile. Ed incidere sull’impatto ambientale del trasporto aereo. Infatti lo studio, pubblicato su Applied Energy, riguarda un aereo ibrido-elettrico da 100 passeggeri, alimentato sia da celle a combustibile a idrogeno che da generatori superconduttori azionati da turbine a idrogeno. I ricercatori dimostrano, in linea teorica, che l’idrogeno liquido può essere immagazzinato in modo efficiente. Poi trasferito in sicurezza e utilizzato per raffreddare i sistemi critici di bordo. E nello stesso tempo viene supportato il fabbisogno energetico durante le diverse fasi del volo, come decollo, crociera e atterraggio.
“Il nostro obiettivo era creare un unico sistema in grado di gestire più attività critiche: stoccaggio, raffreddamento e controllo dell’erogazione del carburante“, ha affermato Wei Guo, professore presso il Dipartimento di Ingegneria Meccanica e autore corrispondente dello studio. “Questo progetto getta le basi per sistemi aeronautici a idrogeno destinati al mondo reale. Regolando la pressione nel serbatoio di stoccaggio, dimostriamo la fattibilità di fornire le portate massiche di idrogeno richieste, fino a 0,25 kg/s, per soddisfare un picco di potenza richiesto di 16,2 MW per un prototipo di aereo ibrido-elettrico da 100 passeggeri, raffreddando al contempo in modo efficiente il sistema di alimentazione tramite scambiatori di calore pratici“.
Serbatoi criogenici e nuovo indice gravimetrico
L’idrogeno, come è noto, è considerato un combustibile pulito perché non emette anidride carbonica. Ma è anche molto meno denso dei tradizionali carburanti, il che significa che occupa più spazio. A meno che non venga conservato come liquido a temperature estremamente basse (-253 °C).
Per affrontare questa sfida, il team ha sviluppato un sistema per progettare i serbatoi criogenici e i relativi sottosistemi. Invece di concentrarsi esclusivamente sul serbatoio, hanno definito un nuovo indice gravimetrico, che rappresenta il rapporto tra la massa del carburante e l’intero sistema di alimentazione. Regolando i parametri chiave, hanno identificato la configurazione che produce la massima massa di combustibile rispetto alla massa totale del sistema. La configurazione ottimale risultante è pari al 62% del peso totale del sistema costituito da idrogeno utilizzabile, un miglioramento significativo rispetto ai progetti convenzionali.
L’altra funzione chiave del sistema è la gestione termica. Anziché installare un sistema di raffreddamento separato, il progetto prevede che l’idrogeno ultra-freddo attraversi una serie di scambiatori di calore che rimuovono il calore disperso dai componenti di bordo come generatori superconduttori, motori, cavi ed elettronica di potenza. Man mano che l’idrogeno assorbe questo calore, la sua temperatura aumenta gradualmente, un processo necessario poiché l’idrogeno deve essere preriscaldato prima di entrare nelle celle a combustibile e nelle turbine.
Come funziona l’aereo a idrogeno
“In precedenza, non si sapeva come trasportare efficacemente l’idrogeno liquido in un aereo e se fosse possibile utilizzarlo anche per raffreddare il componente del sistema di alimentazione”, ha affermato Guo. “Non solo abbiamo dimostrato che è fattibile, ma abbiamo anche dimostrato che per questo tipo di progetto è necessaria un’ottimizzazione a livello di sistema.”
Per trasportare l’idrogeno liquido nel serbatoio, le pompe tradizionali non sono l’ideale perché troppo pesanti e in un ambiente super freddo come quello dell’idrogeno liquido, potrebbero guastarsi o scaldarsi troppo, il che sarebbe pericoloso. Per risolvere questo, gli ingegneri hanno pensato a un sistema più intelligente. Ma senza pompe. Controllano la pressione all’interno del serbatoio dell’idrogeno: se serve più idrogeno, aumentano la pressione aggiungendo un po’ di idrogeno gassoso da una piccola bombola. Se ne serve di meno, rilasciano un po’ di “vapore” di idrogeno.
Una serie di sensori misura pressione e quantità di idrogeno richiesta dall’aereo in base a ciò che sta facendo. Decollando, volando in crociera o atterrando. In questo modo, l’idrogeno arriva sempre alla giusta velocità e quantità, garantendo che i motori abbiano sempre l’energia necessaria. Le simulazioni mostrano che questo sistema è abbastanza potente anche per un decollo o una manovra di emergenza.
Ma non è finita qui. L’idrogeno liquido è incredibilmente freddo, e questa sua caratteristica viene sfruttata per raffreddare i componenti caldi dell’aereo mentre viaggia verso le celle a combustibile, dove viene trasformato in elettricità. Insomma un sistema complesso, che restituisce all’idrogeno diverse funzioni, massimizzando l’efficienza dell’intero aereo.