Il governo svedese ha presentato un’iniziativa per decarbonizzare completamente l’aviazione regionale entro il 2030 e un obiettivo più ambizioso di decarbonizzare tutti i voli in partenza all’interno dei suoi confini entro il 2045.
Il combustibile per l’aviazione sostenibile (SAF) e i miglioramenti tecnologici nei sistemi di propulsione attuali sono proposti come percorsi a breve termine per raggiungere questo obiettivo.
Nel lungo periodo, invece, si intende sostituire gli aerei che utilizzano come combustibili il cherosene con aerei completamente elettrici e a idrogeno.
Gli obiettivi di emissione per il 2030 e il 2045 devono essere raggiunti senza danneggiare la crescita economica e la globalizzazione.
Si stima che gli aeromobili regionali abbiano un’intensità di CO2 dell’80 % superiore rispetto agli aeromobili a fusoliera stretta e larga.
L’intensità di CO2 si riferisce semplicemente alla massa di CO2 prodotta per passeggero-chilometro per un aeromobile completo.
Si ritiene che gran parte di questa differenza di efficienza sia dovuta ai maggiori sforzi di miglioramento compiuti dagli aeromobili a fusoliera stretta e larga.
Inoltre, si stima che più di un terzo delle emissioni globali di CO2 possa essere attribuito ai voli passeggeri di lunghezza inferiore a 2.000 km.
Dovrebbe, pertanto, essere possibile motivare uno sforzo mirato per ridurre l’impatto sul clima degli aeromobili ottimizzati per voli inferiori a 2.000 km.
Il fatto che anche gli aerei a corto raggio offrano un migliore potenziale di elettrificazione motiva lo studio combinato di aerei ad alta efficienza destinati all’elettrificazione.
Mentre gli aeromobili regionali a idrogeno potrebbero non offrire la stessa gamma dei loro omologhi a cherosene, le emissioni di CO2 zero in volo promettono di essere molto preziose per ridurre l’impatto climatico.
Un nuovo studio della Chalmers University of Technology
Gli scienziati svedesi della Chalmers University of Technology, in un nuovo studio, hanno affermato che la maggior parte dei viaggi aerei, entro un raggio di 750 miglia (1200 km), potrebbe essere sviluppato con aerei alimentati a idrogeno entro il 2045.
Tomas Grönstedt, professore alla Chalmers University of Technology, e direttore del centro di competenza TechForH2 di Chalmers, ha dichiarato: “Se tutto procede nella direzione giusta, la commercializzazione del volo ad idrogeno può andare molto veloce. Già nel 2028, potremmo assistere ai primi voli commerciali di idrogeno in Svezia”.
Le proiezioni che hanno affidato a uno studio pubblicato sull’International Journal of Hydrogen Energy mostrano, però, che c’è ampio spazio per lo sviluppo del settore.
I voli a idrogeno potrebbero coprire il 97% delle rotte intra-nordiche e il 58% del volume di passeggeri entro il 2045.
L’idrogeno liquido richiede un volume di serbatoi più grande rispetto al cherosene dell’aviazione di oggi, ma allo stesso tempo è più leggero e contiene più energia per chilogrammo di carburante.
Un nuovo scambiatore di calore potrebbe essere un punto di svolta per gli aerei alimentati a idrogeno.
Nelle gallerie del vento di Chalmers, i ricercatori stanno sviluppando motori ad alta efficienza energetica potenziati, che consentono voli a idrogeno sicuri ed efficienti per i veicoli pesanti.
I nuovi scambiatori di calore in attesa di brevetto, in fase di sviluppo da parte della Chalmers University of Technology, mirano a trasferire il calore tra l’idrogeno supercool e il motore.
La tecnologia dello scambiatore di calore è in fase di sviluppo in collaborazione con GKN Aerospace, sfruttando la bassa temperatura di stoccaggio dell’idrogeno per raffreddare le parti del motore.
Utilizza, quindi, il calore di scarto dei gas di scarico per preriscaldare il combustibile diverse centinaia di gradi prima di essere iniettato nella camera di combustione.
“Ogni aumento di livello della temperatura riduce il consumo di carburante e aumenta l’autonomia”, ha dichiarato Carlos Xisto, professore associato presso la Divisione di Meccanica dei Fluidi della Chalmers University of Technology e uno degli autori dello studio.
“Siamo in grado di dimostrare che gli aerei a corto e medio raggio equipaggiati con il nuovo scambiatore di calore potrebbero ridurre il consumo di carburante di quasi l’8%. Considerando che un motore aeronautico è una tecnologia matura e consolidata, è un ottimo risultato di un singolo componente”.
L’ulteriore ottimizzazione di questa tecnologia di scambiatori di calore potrebbe migliorare l’autonomia di un aeromobile commerciale Airbus A320 standard fino al 10%, il che equivale a circa 450 miglia, la distanza tra Goteborg e Berlino.
Gli aerei ad idrogeno
L’uso dell’idrogeno negli aerei è studiato sin dalla seconda guerra mondiale.
Gli studi di progettazione condotti sulle cellule, sull’accumulo dell’idrogeno e sulla tecnologia dei motori hanno fatto molta strada e vengono proposti concetti che vanno dal corto al lungo raggio. Durante la crisi petrolifera degli anni ’70, il Centro di ricerca di Langley della NASA commissionò a Lockheed-Martin di effettuare studi su aeromobili subsonici per il trasporto di passeggeri, alimentati a a idrogeno liquido.
I serbatoi criogenici erano parte integrante della fusoliera e si trovavano davanti e dietro l’abitacolo. I serbatoi, costruiti in alluminio e dotati di uno strato isolante di schiuma plastica a celle chiuse, sono ottimizzati per una evaporazione minima.
Il velivolo a corto raggio ha mostrato una diminuzione del peso lordo dell’11% e un aumento del 3% nel peso a vuoto. Riduzione della superficie alare e della larghezza del vano rispettivamente del 2% e del 6%.
Tuttavia, c’è una diminuzione del 18% nel carico di crociera che è stato notato a causa dell’aumento della fusoliera bagnata.
Alla fine degli anni ’80, Tupolev ha utilizzato il Tu-155, un aereo da trasporto modificato, che sperimentava l’uso dell’idrogeno.
Il combustibile criogenico viene immagazzinato in un serbatoio da 15m3 montato a poppa.
I risultati del progetto Tupolev sono stati riportati al progetto tedesco-russo Cryoplane alla fine degli anni ’90 e sono stati studiati sia il design dell’aeromobile LH2 che gli aspetti di sicurezza.
All’inizio del 2000 la Commissione europea ha avviato un ampio studio sugli aerei LH2 in un progetto, anch’esso denominato Cryoplane.
Sono stati proposti sia progetti convenzionali con “minimo cambiamento” di velivoli esistenti, che progetti non convenzionali. La proposta di progettazione della flotta convenzionale consisteva in aeromobili regionali, a medio e lungo raggio.
Il “piccolo aereo regionale e di affari” aveva serbatoi montati dietro la paratia posteriore a pressione e una fusoliera più larga del solito, per evitare un eccessivo spostamento del centro di gravità durante il volo. Rispetto al suo omologo cherosene, si prevede un aumento del 14% nel consumo di energia.
La configurazione “regionale fino a 100 posti” aveva un serbatoio di poppa e dei serbatoi montati sulla parte superiore della cabina.
L’aumento del consumo energetico è stato del 14% per la configurazione turboelica e del 18% per la versione turbofan.
Gli “aerei a corto e medio raggio” avevano configurazioni di serbatoi simili agli aerei precedentemente menzionati, e gli “aerei a lungo raggio e a lunghissima distanza”, invece, avevano grandi serbatoi anteriori e posteriori, ma non ci sono serbatoi montati sulla sommità. Come gli studi di Lockheed, Cryoplane è stata in grado di dimostrare la redditività tecnologica, ma ha ritenuto che i costi di produzione, stoccaggio e distribuzione dell’LH2 fossero il principale ostacolo.
Più recentemente, Boeing ha proposto il suo Phantom Eye, un UAV a lunga durata dotato di serbatoio di idrogeno liquido e di un sistema di propulsione a pistone.
Nel 2012 l’aeromobile ha operato per quattro giorni consecutivi a un’altitudine di 65.000 piedi.
ZeroAvia, società che si concentra sugli aerei elettrici a celle a combustibile ad idrogeno, ha effettuato il primo volo a idrogeno-cella di combustibile della compagnia, nel 2020 su un Piper Malibu, che è durato otto minuti.
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