Możliwość lotów zasilanych wodorem oznacza większe możliwości podróży bez paliw kopalnych, a postęp technologiczny, który ma to umożliwić, szybko się rozwija. Nowe badania przeprowadzone przez Chalmers University of Technology w Szwecji pokazują, że do 2045 r. niemal wszystkie podróże lotnicze w promieniu 750 mil (1200 km) mogłyby odbywać się samolotami zasilanymi wodorem, a dzięki nowatorskiemu wymiennikowi ciepła, który jest obecnie w fazie rozwoju, zasięg ten mógłby być jeszcze większy.
„Jeśli wszystko pójdzie dobrze, 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 Chalmers University of Technology i dyrektor centrum kompetencji TechForH2* w Chalmers.
Niektóre z tych postępów technologicznych można zobaczyć w tunelach aerodynamicznych Chalmers, gdzie naukowcy testują warunki przepływu powietrza w najnowocześniejszych obiektach. Tutaj opracowywane są bardziej energooszczędne silniki, które torują drogę do bezpiecznego i wydajnego lotu wodorowego dla pojazdów ciężarowych.
Przyszłość krótkodystansowego lotnictwa wodorowego dla krajów nordyckich
W przypadku lotnictwa zasilanego wodorem loty krótko- i średniodystansowe są najbliższe realizacji. Niedawno opublikowane badanie Chalmersa pokazuje, że loty zasilane wodorem mają potencjał, aby zaspokoić potrzeby 97 procent wszystkich tras lotniczych wewnątrz krajów nordyckich i 58 procent nordyckiej liczby pasażerów do 2045 r.
W tym badaniu naukowcy założyli maksymalny dystans lotu 750 mil i wykorzystali istniejący model samolotu dostosowany do zasilania wodorem. Badanie, prowadzone przez doktoranta Christiana Svenssona z grupy badawczej Tomasa Grönstedta, pokazało również nowy zbiornik paliwa, który mógł pomieścić wystarczającą ilość paliwa, był wystarczająco izolowany, aby pomieścić superzimny ciekły wodór, a jednocześnie był lżejszy niż dzisiejsze systemy zbiorników paliwa oparte na paliwach kopalnych.
Nowe wymienniki ciepła zapewniające lepsze zużycie paliwa
Wymienniki ciepła są istotną częścią lotnictwa wodorowego i stanowią kluczowy element postępu technologicznego. Aby utrzymać lekkość układów paliwowych, wodór musi być w postaci ciekłej. Oznacza to, że wodór jest utrzymywany w samolocie w stanie przechłodzonym, zwykle w temperaturze około -250 stopni Celsjusza. Odzyskując ciepło z gorących spalin silników odrzutowych i chłodząc silniki w strategicznych miejscach, stają się one bardziej wydajne. Aby przenieść ciepło między przechłodzonym wodorem a silnikiem, potrzebne są nowe typy wymienników ciepła.
Aby sprostać temu wyzwaniu, naukowcy z Chalmers od kilku lat pracują nad opracowaniem zupełnie nowego typu wymiennika ciepła. Technologia, która jest obecnie objęta patentem przez partnera GKN Aerospace, wykorzystuje niską temperaturę magazynowania wodoru do chłodzenia części silnika, a następnie wykorzystuje ciepło odpadowe z gazów spalinowych do wstępnego podgrzania paliwa o kilkaset stopni przed wtryśnięciem go do komory spalania.
„Każdy stopień wzrostu temperatury zmniejsza zużycie paliwa i zwiększa zasięg. Udało nam się wykazać, że samoloty krótkodystansowe i średniodystansowe wyposażone w nowy wymiennik ciepła mogą zmniejszyć zużycie paliwa o prawie osiem procent. Biorąc pod uwagę, że silnik samolotu jest dojrzałą i dobrze ugruntowaną technologią, jest to bardzo dobry wynik z jednego komponentu” — mówi Carlos Xisto, adiunkt w Division of Fluid Mechanics w Chalmers i jeden z autorów badania.
Naukowcy zauważyli również, że dzięki dalszej optymalizacji ten typ technologii wymiennika ciepła w zwykłym samolocie pasażerskim Airbus A320 mógłby zapewnić zasięg zwiększony nawet o dziesięć procent, czyli ekwiwalent trasy Göteborg-Berlin (około 450 mil).
Szwecja obiecuje duże inwestycje pomimo wyzwań
Prace nad opracowaniem rozwiązań dla lotnictwa wodorowego przyszłości są prowadzone na szerokim froncie, przy współpracy rządów, uniwersytetów i firm prywatnych. W Szwecji klaster innowacji, Swedish Hydrogen Development Centre (SHDC), skupia kluczowych graczy, w tym liderów branży i ekspertów ze środowiska akademickiego. Na niedawnym seminarium SHDC, naukowcy z Chalmers przedstawili swoje prace, a kilka firm komercyjnych potwierdziło duże inwestycje w loty wodorowe w nadchodzących latach. Podczas gdy technologia jest dobrze zaawansowana, wyzwania leżą raczej w wymaganych dużych inwestycjach oraz w rozwijaniu infrastruktury, modeli biznesowych i partnerstw, aby móc produkować, transportować i przechowywać wodór, tak aby przejście na loty wodorowe było możliwe. Oczekuje się, że całkowite przejście będzie wymagało około 100 milionów ton zielonego wodoru rocznie.
„Istnieją oczekiwania branży, że do 2050 r. 30–40 procent światowego lotnictwa będzie zasilane wodorem. Prawdopodobnie przez wiele kolejnych lat będziemy potrzebować mieszanki samolotów zasilanych energią elektryczną, mniej szkodliwym dla środowiska paliwem e-jet i wodorem. Jednak każdy samolot, który może być zasilany wodorem z odnawialnych źródeł energii, zmniejsza emisję dwutlenku węgla” — mówi Tomas Grönstedt.
W ramach TechForH2 istnieją dobre warunki do podjęcia wyzwania wodorowego, a dzięki budżetowi w wysokości 162 milionów SEK (równowartość 15,5 miliona USD) centrum kompetencji może przyczynić się do rozwoju szeregu różnych obszarów badawczych, które łączą wodór i ciężki transport.
Więcej o TechForH2
TechForH2 to centrum kompetencyjne multidyscyplinarnych badań nad wodorem, którego ogólnym celem jest opracowanie nowej technologii napędu wodorowego dla cięższych pojazdów jako ważnego kroku w przejściu na system transportu bez paliw kopalnych. TechForH2 zostało założone przez Chalmers University of Technology w Szwecji i jest spółką joint venture z Rise, Volvo, Scania, Siemens Energy, GKN Aerospace, PowerCell, Oxeon, Insplorion, Johnson Matthey i Stena. Dzięki finansowaniu z Chalmers University of Technology, Swedish Energy Agency i partnerów centrum, całkowity budżet centrum wynosi prawie 162 mln SEK w okresie pięciu lat w pierwszej fazie, z możliwością przedłużenia o kolejne pięć lat. Centrum prowadzi badania w wielu obszarach, takich jak rozwój materiałów, produkcja, zarządzanie ciepłem, ogniwa paliwowe, systemy pojazdów, czujniki, bezpieczeństwo i szereg aspektów społecznych przejścia na eksploatację ciężkiego transportu na paliwo wodorowe.
Więcej o wodorze i lotach na wodór:
Wodór, H2, jest niewidocznym, bezwonnym, lotnym gazem, który skrapla się w temperaturze około -250 stopni Celsjusza (20 kelwinów). Jeśli wodór jest wytwarzany przy użyciu energii odnawialnej, nie emituje dwutlenku węgla. Jest to znane jako „zielony wodór”. Loty wodorowe mogą być napędzane elektrycznie, przy użyciu ogniw paliwowych, które zamieniają wodór na energię elektryczną poprzez katalizę, lub za pomocą silników odrzutowych, gdzie wodór jest spalany w turbinie gazowej. Wodór zawiera więcej energii na kilogram niż dzisiejsza nafta, a także ma tę zaletę, że produktem resztkowym spalania jest głównie para wodna. Gaz jest wysoce łatwopalny, jeśli zostanie zmieszany z powietrzem, dlatego niezbędne są czujniki o wysokiej wydajności. W przemyśle wodór jest obecnie wykorzystywany do produkcji na przykład stali bez paliw kopalnych.