I ricercatori della FAMU-FSU hanno progettato un sistema di stoccaggio e distribuzione dell’idrogeno criogenico per rendere l’industria aeronautica più sostenibile.
I ricercatori del College of Engineering della FAMU-FSU, in Florida, hanno progettato un sistema di stoccaggio e distribuzione di idrogeno liquido che potrebbe contribuire a rendere l’aviazione a emissioni zero una realtà. Il loro lavoro delinea un sistema scalabile e integrato che affronta diverse sfide ingegneristiche contemporaneamente, consentendo l’utilizzo dell’idrogeno come combustibile pulito e anche come mezzo di raffreddamento integrato per i sistemi di alimentazione critici a bordo di aerei a propulsione elettrica.
Lo studio, pubblicato su Applied Energy, presenta un progetto su misura per un aereo ibrido-elettrico da 100 passeggeri che trae energia sia da celle a combustibile a idrogeno che da generatori superconduttori azionati da turbine a idrogeno. Il risultato mostra come l’idrogeno liquido possa essere immagazzinato in modo efficiente, trasferito in sicurezza e utilizzato per raffreddare i sistemi critici di bordo, supportando 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 del carburante, raffreddamento e controllo della distribuzione. Questo progetto getta le basi per i sistemi di aviazione a idrogeno del mondo reale” afferma Wei Guo, professore presso il Dipartimento di Ingegneria Meccanica e autore corrispondente dello studio.
L’idrogeno come combustibile
L’impiego di carburanti meno inquinanti rederebbe l’aviazione più sostenibile, insieme all’uso di materiali più leggeri. L’idrogeno è considerato un promettente combustibile pulito per l’aviazione perché contiene più energia per chilogrammo rispetto al carburante per aerei e non emette anidride carbonica. Ma è anche molto meno denso, quindi occupa più spazio, a meno che non venga conservato come liquido super freddo a -253 °C.
Per affrontare questa sfida, i ricercatori della FAMU-FSU hanno condotto un’ottimizzazione completa a livello di sistema per progettare i serbatoi criogenici e i relativi sottosistemi. Invece di concentrarsi esclusivamente sul serbatoio, hanno definito un nuovo indice gravimetrico, che è il rapporto tra la massa del carburante e l’intero sistema di alimentazione. L’indice include la massa dell’idrogeno, la struttura del serbatoio, l’isolamento, gli scambiatori di calore, i dispositivi circolatori e i fluidi di lavoro.
L’erogazione di idrogeno liquido all’interno dell’aeromobile presenta le sue sfide. Le pompe meccaniche aggiungono peso e complessità e possono generare calore indesiderato o rischiare guasti in condizioni criogeniche. Per evitare questi problemi, il team FAMU-FSU ha sviluppato un sistema senza pompa che utilizza la pressione del serbatoio per controllare il flusso di idrogeno.
Gli scambiatori di calore sono disposti in sequenza a stadi. Mentre l’idrogeno fluisce attraverso il sistema, raffredda innanzitutto i componenti ad alta efficienza che operano a temperature criogeniche, come generatori e cavi superconduttori ad alta temperatura. Quindi assorbe calore dai componenti a temperatura più elevata, inclusi motori elettrici, azionamenti motore ed elettronica di potenza. Infine, prima di raggiungere le celle a combustibile, l’idrogeno viene preriscaldato per raggiungere le condizioni ottimali di ingresso delle celle a combustibile.
Questa integrazione termica a stadi consente all’idrogeno liquido di fungere sia da refrigerante che da combustibile, massimizzando l’efficienza del sistema e riducendo al minimo la complessità dell’hardware.
“In precedenza, non si sapeva come trasportare efficacemente l’idrogeno liquido in un aereo e se fosse possibile utilizzarlo anche per raffreddare i componenti del sistema di alimentazione. Non solo abbiamo dimostrato che è fattibile, ma abbiamo anche dimostrato che è necessario” conclude Guo.
In foto rendering di un aereo ibrido-elettrico da 100 passeggeri che utilizza l’idrogeno come carburante. (Jonathan C. Gladin /Georgia Tech)
