Pierwszy pilotażowy lot elektrycznego samolotu na ciekły wodór
Choć sektor lotniczy w Unii Europejskiej odpowiada za zaledwie 3 % ogółu światowych emisji, jego ogólny wpływ na zmianę klimatu jest większy ze względu na drugorzędne mechanizmy oddziaływania. Samoloty wyposażone w wodorowo-elektryczne układy napędowe stanowią bardziej ekologiczną alternatywę dla tradycyjnych konstrukcji spalających paliwo lotnicze – zestaw ogniw paliwowych generuje energię elektryczną w wyniku reakcji chemicznej zachodzącej między wodorem i tlenem, a jej jedynym produktem ubocznym jest para wodna. Dodatkową zaletą jest niski poziom hałasu w czasie lotu. „Spełnienie wymogów norm w zakresie niezawodności, bezpieczeństwa i wagi rozwiązań wymaga jednak wprowadzenia szeregu kluczowych usprawnień związanych z działaniem ogniw paliwowych, w szczególności obiegu powierza, paliwa oraz wody, a także zapewniania odpowiedniej temperatury”, wyjaśnia Maria Sol Rau, koordynatorka finansowanego ze środków Unii Europejskiej projektu HEAVEN. Konsorcjum projektu odniosło sukces w zakresie opracowania prototypowego hybrydowo-elektrycznego układu napędowego, w którego skład wszedł system ogniw paliwowych o wysokiej gęstości mocy oraz kriogeniczny zbiornik wodoru zapewniający wysoką gęstość energii. „Wykorzystaliśmy najważniejsze innowacje dotyczące ogniw paliwowych i stosowania ciekłego wodoru opracowane na potrzeby sektorów motoryzacji oraz kosmicznego w lotnictwie, tworząc nową wiedzę oraz weryfikując osiągi, zasięg, sprawność i emisje zanieczyszczeń”, wyjaśnia Rau, przedstawicielka spółki H2FLY odpowiedzialnej za koordynowanie prac w ramach projektu. We wrześniu 2023 roku zespół projektu HEAVEN przeprowadził na terenie portu lotniczego Maribor w Słowenii pierwszy w historii lot eksperymentalnym samolotem HY4 wykorzystującym ciekłe paliwo wodorowe.
Sukces nowego układu napędowego
Wykorzystanie układu ogniw paliwowych w samolocie przystosowanym do wykorzystania kriogenicznego ciekłego wodoru zamiast wodoru w stanie gazowym stanowi duże wyzwanie. Dostępne komponenty i podzespoły często nie spełniają wymogów, co prowadzi do konieczności opracowania wyjątkowych rozwiązań. Ponadto dostępna infrastruktura musi umożliwiać montaż systemów magazynowania wodoru i ich wentylowanie, budowę sieci przesyłowych oraz stworzenie systemów tankowania w ośrodkach badawczych i na lotniskach. „Wymaga to dużych nakładów finansowych, starannej koordynacji i innowacyjnych rozwiązań inżynieryjnych. Skuteczne wdrożenie tych rozwiązań może jednak zaowocować prawdziwie konkurencyjną alternatywą wobec konwencjonalnych silników spalinowych, zapewniającą niższe koszty eksploatacji, zmniejszenie emisji CO2 oraz możliwość obsługi nowych połączeń”, dodaje Rau. W ramach projektu spółka Air Liquide Advanced Technologies (ALAT) zaprojektowała, zbudowała i zoptymalizowała zbiornik ciekłego wodoru, wraz z niezbędnymi urządzeniami naziemnymi (w tym mechanizmem odpowietrzającym) na potrzeby tankowania samolotów w oparciu o wymagania opracowane przez zespół spółki H2FLY. Spółka Pipistrel Vertical Solutions realizowała prace w zakresie instalacji zbiornika ciekłego wodoru w samolocie testowym, przeprowadzając konieczne modyfikacje płatowca i testy bezpieczeństwa strukturalnego. Następnie zespół spółki H2FLY połączył zbiornik z układem ogniw paliwowych samolotu w ośrodku badawczym ALAT na terenie Francji. Zasilany wodorem elektryczny samolot testowy HY4, zakupiony przez spółkę H2FLY w związku z realizacją wcześniejszych projektów, takich jak finansowany ze środków Unii Europejskiej projekt MAHEPA, został wykorzystany w celu prezentacji możliwości prototypowego układu napędowego opracowanego w ramach projektu HEAVEN późnym latem 2023 roku. Członkowie konsorcjum projektu wykonali łącznie siedem lotów testowych, wykorzystując wodór w stanie gazowym w czasie trzech z nich. W przypadku pozostałych czterech paliwem był ciekły wodór, a zespołowi udało się wykazać, że jego zastosowanie może podwoić maksymalny zasięg samolotu HY4 z 750 do 1 500 kilometrów. „Czas lotu w ramach jednego z testów wyniósł przeszło trzy godziny, a osiągnięty sukces i doskonałe wyniki przybliżają nas do rzeczywistości, w której loty na średnich i długich dystansach będą realizowane przez bezemisyjne samoloty”, mówi Rau.
Większe samoloty, dalsze loty
Zastosowanie skroplonego wodoru w temperaturach kriogenicznych jako alternatywy dla wodoru w postaci gazowej pozwala na obniżenie masy i objętości zbiornika, jednocześnie pozwalając na zwiększenie zasięgu i ładowności samolotu. „Prace poświęcone magazynowaniu ciekłego wodoru i odpowiedniej infrastruktury na potrzeby lotnictwa przyczyniły się do realizacji unijnych ambicji dotyczących ekosystemu czystej energetyki wodorowej i wykorzystania go w różnych sektorach, a także celu Europejskiego Zielonego Ładu, jakim jest osiągnięcie neutralności klimatycznej do 2050 roku", podsumowuje Rau. Zespół nadal rozwija ogniwa paliwowe i systemy oparte na ciekłym wodorze, aby umożliwić ich zastosowanie w większych samolotach o większym zasięgu. Sukces samolotów wodorowo-elektrycznych będzie zależał jednak także od rozwoju infrastruktury na lotniskach, a także dostępu do produkcji, możliwości magazynowania oraz dystrybucji ciekłego wodoru.
Słowa kluczowe
HEAVEN, wodór, samolot, statek powietrzny, układ napędowy, lotnictwo, ogniwo paliwowe, kriogeniczne, lot, gaz cieplarniany
