MIT смотрит в будущее авиации на водороде

Эта статья является частью нашего эксклюзивного Серия просмотра журнала IEEE Journal в партнерстве с IEEE Xplore.

В качестве инвестиций в полет на водороде расширяетсяСегодня аэропорты и авиаперевозчики понимают, что недостаточно модернизировать или спроектировать новые самолеты для работы на водородной энергии. Таким образом, в то время как исследователи и компании, большие и малые, инвестируют в безуглеродное будущее этой области, другие начинают изучать, какие материалы и инфраструктура на земле также потребуются, чтобы сделать водородную авиацию реальностью.

«Водород, возможно, и хорош, но на него нужно смотреть на уровне всей системы, верно?» — спрашивает профессор. Р. Джон Хансманпрофессор аэронавтики и астронавтики Массачусетского технологического института и директор университета Международный центр воздушного транспорта. «Потому что она не будет работать, если у вас нет всех компонентов, позволяющих ей работать как операционная система. Необходимо разработать множество технологий».

Чикаго О’Хара потребует эквивалент 719 тонн жидкого водорода в день.

Первой проблемой является производство водорода. А бумага написанная в соавторстве с Хансманом и несколькими студентами Массачусетского технологического института и представленная этим летом на Международная конференция IEEE по будущим энергетическим решениям в Университете Вааса в Финляндии — рассматривался случай снабжения жидким водородом достаточного количества для 100 аэропортов по всему миру, каждый из которых выполняет дальнемагистральные рейсы. (Только несколько сотен аэропортов поддерживают рейсы на расстояние более 4800 километров по всему миру.)

Идея, по словам Хансмана, заключалась в том, чтобы сосредоточиться на меньшем количестве аэропортов и теоретически ограничить потенциальную новую инфраструктуру, которая может потребоваться для полетов на водородном топливе. Но только поддержка дальнемагистральных рейсов на жидком водороде в этих аэропортах составит более 30 процентов текущего мирового спроса. ядерная энергия производства в день, по подсчетам исследователей. Чикаго О’Хара, например, потребует эквивалент 719 тонн жидкого водорода в день.

И водород придется производить либо с помощью экологически чистой энергии, либо с помощью ядерной энергии, чтобы обеспечить реальные климатические выгоды, отмечается в документе.

Исследование намекнуло и на другие логистические проблемы, включая эффективную транспортировку и хранение водорода. Например, по мнению исследователей, для хранения двухдневного запаса жидкого водорода для дальнемагистральных рейсов в Чикаго О’Хара потребуется пять резервуаров для хранения, равных по размеру водороду. Резервуар для хранения жидкого водорода в Космическом центре Кеннеди НАСА— крупнейший в мире по состоянию на 2021 год.

Исследователи добавили, что некоторые аэропорты могут производить водород на месте, но у других может не хватить места.

Жидкий водород также может потребовать нового процесса загрузки. По словам ученых, для заправки водородом способом, аналогичным стандартному авиационному топливу, может потребоваться криогенное оборудование, поскольку жидкий водород необходимо будет транспортировать при чрезвычайно низких температурах. Арно Намерглавный операционный директор компании Универсальный водород, транспортный стартап, ориентированный на водород. По его словам, это оборудование может быть дорогим и тяжелым, а транспортировка водорода таким способом также может создать риск потерь, что приведет к неидеальной безопасности и последствиям для климата.

Одна компания разрабатывает модульные водородные капсулы, каждая из которых может вмещать около 200 килограммов жидкого водорода — «модель Nespresso».

В аналогичном духе А. бумага 2022 года Исследователи из Германии, анализируя логистику заправки водородом, рассмотрели потенциальные преимущества нескольких различных систем заправки, таких как грузовики, трубопроводы и гидранты. Основной метод, которого ожидал Юлиан Хёльцен, один из авторов этого проекта, — это грузовики.

«Они почти доступны [and] сегодня они коммерциализируются, легко масштабируются, требуют относительно низких капитальных затрат, а в аэропортах без ограничений движения они являются идеальным первым шагом для дозаправки самолетов LH2», — сказал Хёльцен в электронном письме. «Вариант с трубопроводом и гидрантом — лучший вариант с инженерной точки зрения. Но может не обеспечивать экономичность для аэропортов среднего размера и иметь меньшую гибкость».

Заправка поднимает еще один открытый вопрос. Водород, добавляет Хансман, чрезвычайно легко воспламеняется, а это означает, что топливопроводы необходимо будет очистить. Хотя НАСА обычно использует гелий, для коммерческой авиации может потребоваться новый способ продувки топливопроводов.

«Скажем так, вы хотите заправить самолет через час или два, верно? Ну, оказывается, сделать это сложно», — сказал он.

Сейчас есть и другие идеи, но они могут подойти не для всех видов полетов. Universal Hydrogen разрабатывает модульные водородные капсулы, каждая из которых может перевозить около 200 килограммов жидкого водорода. Хотя Хансман отмечает, что этот подход может быть неприменим для дальнемагистральных рейсов, Намер говорит, что эту технологию можно использовать на самолетах любого размера.

«Это похоже на Модель Неспрессо. Фактически вы используете капсулы, в которые вы наполняете водород на производственной площадке», — объясняет Намер. «В этом смысле не нужно развивать инфраструктуру в аэропортах или наземном обслуживании, потому что вы перевозите топливо так же, как и грузы, с помощью такого же оборудования».