Nel settore aeronautico la decarbonizzazione dei sistemi propulsivi sta definitivamente puntando verso l’utilizzo di idrogeno all’interno dei motori termici. Soluzione non scevra da sfide tecniche ma in grado di assicurare performance e autonomie uguali a quelle dei motori alimentati con combustibili di derivazione fossile
Negli ultimi anni, l’industria aeronautica ha accelerato lo sviluppo di tecnologie propulsive volte a utilizzare l’idrogeno quale carburante da bruciare nei motori termici al posto dei combustibili di derivazione fossile. Sebbene tale vettore ben si presti a obiettivi di elettrificazione dei sistemi propulsivi utilizzando celle a combustibile per la produzione di elettricità, il suo uso quale vettore energetico a combustione diretta permette di lasciare quasi invariato il layout della catena propulsiva delle turbine. Certamente le celle a combustibile potrebbero rappresentare una soluzione alternativa per velivoli di piccole e medie dimensioni, ma la combustione dell’idrogeno liquido si sta affermando come l’opzione più efficace per aeromobili di grandi dimensioni, consentendo voli più lunghi con minori emissioni rispetto ai combustibili fossili.
Aziende come Rolls-Royce, Pratt & Whitney, Safran e Airbus stanno investendo nello sviluppo di motori alimentati con idrogeno con l’obiettivo di rendere l’aviazione a emissioni zero una realtà entro il 2050.
Pratt & Whitney nello specifico ha sviluppato l’architettura “HySiite”, Hydrogen Steam Injected, Inter-cooled Turbine Engine, che promette un miglioramento dell’efficienza energetica fino al 35 per cento e una riduzione del 99 per cento delle emissioni di ossidi di azoto. Il sistema sfrutta le proprietà criogeniche dell’idrogeno liquido e utilizza il recupero del vapore acqueo per migliorare il rendimento termodinamico, riducendo al minimo le emissioni nocive. Integra inoltre un evaporatore, un condensatore e un separatore d’acqua che utilizzano il calore dei gas di scarico per generare vapore, reintrodotto poi nel processo termodinamico dell’unità. Sempre Pratt & Whitney sta anche testando la combustione dell’idrogeno su un motore turboprop “Pw127xt” nell’ambito del progetto “HyAdes”, “Hydrogen Advanced Design Engine Study” finanziato dal Governo canadese, che prevede inizialmente test con idrogeno gassoso e successivamente prove con idrogeno liquido.
Con il progetto “Turbine Engine Advanced Materials for Efficiency” l’Azienda sta poi esplorando anche nuovi materiali atti a migliorare l’efficienza termica dei motori a turbina. Anche Airbus sta valutando diverse configurazioni propulsive per l’introduzione dell’idrogeno sugli aerei di linea, con obiettivo di introdurre le prime tecnologie sul mercato prima del 2035. Il primo test con un turbofan modificato per essere alimentato con idrogeno sarà condotto su una turbina General Electric serie “Passport” montata su un “A380” nel 2026 e la modifica del motore è gestita da Cfm International, una joint venture tra Ge Aerospace e Safran Aircraft Engines. Safran, dal canto suo, sta sviluppando in Francia turbine a idrogeno per l’aviazione generale e ha completato con successo il primo test a terra di un motore “Tp-R90” alimentato con idrogeno gassoso nell’ambito del progetto “BeautHyFuel”.
Sebbene l’idrogeno gassoso sia più semplice da gestire, la sua conservazione in serbatoi pressurizzati rappresenta comunque una sfida tecnologica vicina a quella che si deve affrontare per gestire l’idrogeno liquido però vanta una maggiore densità energetica e una migliore compatibilità con le esigenze aeronautiche. Rolls-Royce invece sta investendo nella combustione dell’idrogeno per i business jet e gli aerei di linea dopo l’annullamento dei progetti legati all’introduzione di unità propulsive elettriche.
Dopo aver testato con successo un motore turbofan “Pearl 700” alimentato con idrogeno gassoso, l’Azienda ha avviato la costruzione di un banco di prova presso il Nasa Stennis Space Center, in Mississippi, per testare un motore “Pearl 15” modificato. Rolls-Royce ha inoltre condotto test con un turboprop “Ae 2100 A” alimentato con idrogeno verde e, insieme a EasyJet, fa parte della Hydrogen in Aviation Alliance per lo sviluppo di un motore a idrogeno per aerei narrow-body come l’Airbus “A320”.
Parallelamente, Gkn Aerospace sta lavorando a soluzioni di stoccaggio criogenico dell’idrogeno e a progetti come “H2FlyGht” che mira a realizzare un sistema di propulsione a idrogeno-elettrico da due megawatt installabile su aerei regionali. Dal punto di vista delle celle a combustibile per aeromobili eVtol invece Joby Aviation ha invece testato un prototipo capace di un’autonomia di 850 chilometri, oltre cinque volte quella proposta della versione dello stesso vettore alimentato con batteria.
“Hyades”, acronimo di Hydrogeno Advanced Design Engine Study e finanziato dal governo canadese
ZeroAvia sta sviluppando un sistema propulsivo full electric definito “Za600” da 600 chilowatt di potenza per aerei regionali e prevede di ottenere la certificazione entro il 2025. L’azienda lavora anche su un sistema da due megawatt di potenza per aerei da 80/90 posti. Nonostante il potenziale dell’idrogeno, le sfide tecniche rimangono però significative. Lo stoccaggio in primis in quanto richiede serbatoi criogenici o pressurizzati complicando non poco anche la logistica di rifornimento negli aeroporti . L’idrogeno infatti ha una densità energetica volumetrica inferiore rispetto ai combustibili fossili e quindi richiede unità di contenimento più grandi o pressurizzate per assicurare autonomie comparabili a quelle di motori utilizzanti combustibili fossili. Inoltre la conservazione deve essere avanzata a temperature criogeniche, meno 253 gradi al fine di mantenerlo in forma liquida, cosa che complica non poco la progettazione dei serbatoi e dei sistemi di isolamento termico.
La sicurezza è un’altra preoccupazione, data l’alta infiammabilità dell’idrogeno che impone elevati standard di controllo e procedure specifiche in tutte le fasi di gestione del carburante, comprese le fasi di trasferimento. Questo senza contare che si rendono necessari anche sistemi che impediscano la perdita dell’elemento, per sua natura estremamente diffusivo, e che la sua combustione genera vapore acqueo che potrebbe aumentare la formazione di scie di condensazione con effetti sul clima. Motivo per cui, come accennato, sono in fase di studio sistemi che mitighino il problema recuperando parte del vapore prodotto.
Nel complesso, il settore aeronautico sta compiendo progressi significativi verso l’adozione dell’idrogeno come carburante alternativo, con un mix di soluzioni basate su celle a combustibile e combustione diretta. Se la transizione all’idrogeno richiederà ingenti investimenti in infrastrutture e sviluppo tecnologico, il suo impiego rappresenta una delle strategie più promettenti per decarbonizzare il trasporto aereo e raggiungere gli obiettivi di neutralità carbonica entro il 2050.
Titolo: Motori, l’idrogeno prende il volo
Autore: Redazione
