Idrogeno e “celle a combustibile” per avionica

Le celle a combustibile trasformano l’energia dell’Idrogeno in energia elettrica separando i protoni dell’Idrogeno, tramite un catalizzatore (platino), che separa la molecola di Idrogeno  H2 in due protoni H+.

I protoni H+ attraversano una membrana conduttiva, che lascia passare solo i protoni, che reagiscono con l’Ossigeno dell’aria, formando acqua con la liberazione degli elettroni che producono il potenziale elettrico necessario per il funzionamento degli attuatori elettrici; il sottoprodotto di scarto è acqua pura.

L’utilizzo dell’Idrogeno per gli “eVTOL”, è la soluzione ecologica necessaria per l’utilizzo dei mezzi volanti dell’imminente futuro.

A parità di peso, un aereo percorre la metà dello spazio quando è alimentato con l’energia ricavata dalle celle a combustibile.Il trasporto aereo richiede alta potenza e elevata densità di carica, che ne le moderne batterie al Litio e neppure le attuali celle a combustibile sono in grado di fornire contemporaneamente.

HyPoint afferma che il suo sistema energetico, del peso complessivo di 590 Kg fornisce l’ energia, necessaria per il decollo verticale di un eVTOL, lasciando sufficiente energia per un volo di circa 2 ore, eliminando la necessità della batteria di buffer, perché il sistema è in grado, in casa di difficoltà di volo, di reagire in 5 secondi.

La società HyPoint, ha ideato un sistema pressurizzato di “celle a combustibile”, che funziona anche con Idrogeno al 99%, triplica il rendimento, aumenta la durata nel tempo e riduce il peso, rendendo competitivo l’utilizzo dell’idrogeno in applicazioni aereonautiche, rispetto gli idrocarburi.

Raffreddando le celle a combustibile con aria compressa mantenuta a 3 atmosfere elimina l’aria povera di ossigeno sostituendola con aria nuova.

L’aria ottenuta, arricchita di ossigeno incontrando i protoni al catodo della cella a combustibile HyPoint, triplica la potenza ottenibile; circa 2KWh ogni Kg di peso (batterie al Litio circa 1KWh/Kg).

A causa del basso rendimento rispetto gli idrocarburi, l’utilizzo del sistema “Idrogeno + cella a combustibile”, stenta  a diffondersi

Il sistema funziona con Idrogeno al 99%, evitando di dover caricare le bombole con Idrogeno di purezza superiore , molto più instabile e a rischio di esplosione.

fuel cell

Idrogeno liquido

Un gruppo di studenti olandesi, con il progetto “Phoenix”, sta affrontando il problema sviluppando un contenitore criogenico mantenuto a -253°C.

L’Idrogeno liquido è riscaldato a 0°C e inviato alle celle a combustibile che caricano le batterie che alimentano i motori elettrici dell’aereo.

  Airbus Ascend

Alimentare un aeroplano con Idrogeno liquido può sembrare un’utopia a causa del peso e dell’ingombro del sistema criogenico necessario per mantenerlo allo stato liquido.

con questo studio di fattibilità, il progetto “Ascend” di Airbus analizza i pro e contro.

In teoria, avere a bordo di un aereo un sistema criogenico potrebbe introdurre benefici grazie all’utilizzo dei superconduttori, con una notevole riduzione di peso e aumento di efficienza dei sistemi di propulsione e alla riduzione delle perdite elettriche ed elettroniche dei sistemi di controllo.

AAM – Advance air mobility - motore a Idrogeno

 

AAM è un programma di sviluppo di nuovi sistemi di trasporto aero locale, regionale,  intraregionale e urbano che utilizza nuove tecnologie, ore divenute possibili.

Il programma AAM, con l’acronimo VFS (Vertical Flight Society) raccoglie 400 nuove adesioni settimanali.

L’analisi dei progetti, pubblicati con l’indice di valutazione da 0 a 1 (ARI), in continuo aggiornamento, fornisce una guida di semplice interpretazione, che aiuta gli investitori a valutare che le nuove possibilità di investimento.

si tratta di un piccolo e economico motore, costa meno di 100€,  a combustione che pesa circa 10 kg con 43 hp di potenza meccanica; costituito da un unico pistone che scivola avanti e indietro nel cilindro, pensato per essere utilizzato come micro generatore funzionante a combustibili di origine fossile.

La società “Acquarius”, ha modificato il suo motore per funzionare a Idrogeno in modo, per evitare ulteriore inquinamento da CO2 pensato per essere una valida alternativa alle Fuel Cells anche se quest’ultime non producono CO2 e neppure Nox; il problema degli ossidi di Azoto può essere eliminato  con un filtro per eliminare l’Azoto presente nell’aria.

NOx

Acquarius Engine

Rapporto Energia immagazzinabile/peso

Combustibile fossile:            12000 Wh/kg

Batterie:                                 450 Wh/kg

Idrogeno:                                33600 Wh/kg

 

Universal Hydrogen | Fueling Carbon-Free Flight

 

Per favorire una veloce adozione dell’Idrogeno, c’è chi si è organizzato per fornire contenitori, sostituibili, riempiti con H2 gassoso, prevedendo di rimpiazzarli in seguito con quelli riempiti con Idrogeno liquido.

la società sta studiando un kit di conversione per rimpiazzare i motori termici con quelli elettrici funzionanti a Idrogeno.

 

Tra le varie società che si stanno attrezzando per volare in maniera ecologicamente sostenibile, c’è la società Zeroavia, che prevede di iniziare i voli commerciali con l’Alaska Airline, nel 2023.

https://www.zeroavia.com/alaskaair

La società intende equipaggiare il “De Havilland Q400 turboprop”, alimentato a combustibile fossile, capace di trasportare 90 passeggeri per circa 2000 chilometri, sostituendo i propulsori con quelli a Idrogeno, riducendo i posti a 76 e la percorrenza a 800 km.

 

https://hydrogen.aero/

https://h2fly.de/

https://www.deutscheaircraft.com/news/deutsche-aircraft-and-h2fly-join-forces-to-explore-hydrogen-powered-flight

https://www.magnix.aero/

 

Non solo Idrogeno per l’avionica

Wright Electric

 

Entro il 2026 con un aereo da 100 posti a sedere, la compagnia “Wright Electric”, prevede di iniziare i suoi voli a zero emissioni, della durata di un’ora, equivalenti a circa 1000 km di percorrenza, con l’utilizzo di batterie Alluminio-aria che la società chiama celle a combustibile (“aluminium fuel cell”), perché devono essere ricaricate con elettrolita fresco e scaricate dall’idrossido di Alluminio che si è formato come sottoprodotto.

La società intende utilizzare il BAE146, eliminando alcuni posti per far spazio al “Megawatt-scale motor” e l’inverter, necessari per sostituire i motori alimentati a carburanti di origine fossile.

Attualmente sta valutando i pro e contro dell’utilizzo di idrogeno e celle a combustibile e le batterie Alluminio-aria, considerando la scarsità di Ossigeno ad alta quota.

considerazioni

in termini di peso, l’Idrogeno è un eccellente sistema di immagazzinamento dell’energia (33.313,9 Wh/kg) se paragonato al combustibile fossile (circa 12.000 Wh/kg).

In termini di volume, l’Idrogeno liquido (2.358,6 Wh/litro), occupa quasi quattro volte lo spazio necessario per trasportare la stessa quantità di energia in combustibile fossile (circa 9.000 Wh/litro).

L’utilizzo di Alluminio, è certamente competitivo in termini di peso e volume rispetto al combustibile fossile, l’Idrogeno liquido e le batterie Li-Ion (8,611,1 Wh/kg e 23.277,9 Wh/litro).

Il catodo e l’elettrolita aumentano il peso di tutto il sistema, limitando al 60/70 percento l’effettivo rendimento del sistema.

batterie Alluminio-aria

https://en.wikipedia.org/wiki/Aluminium%E2%80%93air_battery

 

Volare Green

Questo documento, analizza in profondità, la possibilità di volare con emissioni zero, entro il 2030; senza emettere nell’atmosfera Anidride carbonica , ossido di Carbonio e ossidi di Azoto ( NOx).

Densità energetica

Idrogeno liquido :          120 MegaJoules / kg

idrocarburi :                   44MJ / kg

Batterie al litio:              1,7 MJ / kg

 

Un passo in avanti verso la riduzione di peso e di volume, con l’aumento della densità energetica delle batterie agli ioni di Litio, è pronto per la commercializzazione di una nuova tecnologia in grado di immagazzinare 450 Wh per ogni kg di peso equivalente a 1150 Wh per litro.

aggiornato a febbraio 2022

Prova di fattibilità di utilizzo dell’Idrogeno   febbraio 2022

 

Serbatoio criogenico per l’Idrogeno liquido

La società HyPoint, già nota per le sue celle a combustibile “turbo air-cooled fuel cell technology”, utilizzando la nuova membrana conduttiva di scambio protonico (Celtec),  prodotta dalla Basf, ottiene un rendimento di 3.000 W/Kg, superiore di almeno il 50% di quelle attualmente in uso.

Presenta un nuovo serbatoio criogenico fatto in composito con fibre di grafite, ultraleggero e resistente, da utilizzare in ambito avionico, costruito in collaborazione della “Tenessee company Gloyer-Taylor laboratories” (GTL).

Le due società vantano la leggerezza e robustezza del loro serbatoio che incide solo per il 10% del peso dell’Idrogeno liquido (9 Kg per chilogrammo di H2), in competizione con l’uso del kerosene utilizzato nei motori a reazione; la società dichiara che, a parità di peso, è possibile percorrere più del doppio della distanza di percorrenza, con notevole riduzione del costo per passeggero e senza emettere CO2 nell’atmosfera.

aprile 2022

https://aviationh2.com.au/?msclkid=2a1e05c0cfa111ec982016f029f8c271

La società australiana Aviation H2, propone di convertire gli attuali motori Jet-A che utilizzano combustibili fossili, in modo che possano funzionare con Ammoniaca (NH3), più facile e sicuro, da trasportare e immagazzinare dell’Idrogeno gassoso o criogenico.

L’Ammoniaca è utilizzata per alimentare, direttamente, gli attuali motori a reazione, facendo bruciare la molecola con l’aria atmosferica, con produzione di acqua e degli inevitabili ossidi di Azoto; la società sta lavorando per minimizzare la produzione di quest’ultimi.

 

Ci sono altri gruppi che pensano di utilizzare l’Ammoniaca come vettore di trasporto per l’Idrogeno.

https://www.ammoniaenergy.org/topics/ammonia-aviation/?msclkid=90bbad0acfa611ecacdfe6018bf92a45

 

Utilizzo della Ammoniaca (NH3)

rick-3Riccardo Monti