سوخت هیدروژن، آینده سفرهای هوایی را متحول می‌کند

به گزارش خبرنگار علمی ایونا به نقل از مجله آزمایشگاه دایرکت,هیدروژن مایع به حجم مخزن بزرگتری نسبت به نفت سفید امروزی نیاز دارد، اما در عین حال سبکتر است و انرژی بیشتری در هر کیلوگرم سوخت دارد. اعتبار: دانشگاه کرانفیلد

تا سال 2045، تقریباً تمام پروازهای کوتاه مسافت با پیشرفت های چشمگیر در بهره وری و فناوری برد، می توانند با انرژی هیدروژن تامین شوند. سوئد می تواند تا سال 2028 پروازهای هیدروژنی را آغاز کند و هدف آن پذیرش گسترده جهانی تا سال 2050 است.

پرواز با انرژی هیدروژن فرصت های جدیدی را برای سفرهای بدون سوخت فسیلی ارائه می دهد و پیشرفت های فناوری در این زمینه به سرعت در حال توسعه است. مطالعات جدید از دانشگاه صنعتی چالمرز در سوئد نشان می دهد که تا سال 2045، تقریباً تمام سفرهای هوایی در شعاع 750 مایلی می تواند توسط هواپیماهای هیدروژنی انجام شود. علاوه بر این، با یک مبدل حرارتی جدید که در حال حاضر در حال توسعه است، این محدوده می تواند حتی بیشتر باشد.

“اگر همه چیز سر جای خود قرار گیرد، تجاری سازی پروازهای هیدروژنی می تواند خیلی سریع انجام شود. در اوایل سال 2028، اولین پروازهای تجاری هیدروژن سوئد ممکن است در هوا باشد.»

این پیشرفت‌های فناوری را می‌توان در تونل‌های باد Chalmers مشاهده کرد، جایی که محققان شرایط جریان هوا را در تاسیسات پیشرفته آزمایش می‌کنند. موتورهای کم مصرف بیشتری در اینجا ساخته می شوند و راه را برای پرواز ایمن و کارآمد هیدروژن برای وسایل نقلیه سنگین هموار می کنند.

پتانسیل هوانوردی با انرژی هیدروژنی

پروازهای کوتاه و متوسط ​​با انرژی هیدروژنی نزدیکترین پروازها به تحقق هستند. مطالعه‌ای که اخیرا توسط چالمرز منتشر شده است نشان می‌دهد که پروازهای هیدروژنی این پتانسیل را دارند که نیازهای ۹۷ درصد از پروازهای داخل اسکاندیناوی و ۵۸ درصد از حجم مسافران اسکاندیناوی را تا سال ۲۰۴۵ برآورده کنند.

برای این مطالعه، محققان حداکثر فاصله پروازی 750 مایلی و استفاده از یک هواپیمای مدل موجود را که برای انرژی هیدروژنی سازگار شده است، در نظر گرفتند. این مطالعه که توسط دانشجوی دکتری کریستین سونسون در گروه تحقیقاتی گرونستد هدایت شد، همچنین مخزن سوخت جدیدی را نشان داد که می تواند سوخت کافی را در خود نگه دارد، به اندازه کافی عایق شده بود تا هیدروژن مایع فوق سرد را در خود نگه دارد و در عین حال سبک تر از سوخت فسیلی امروزی بود. سیستم های مخزن سوخت

پرواز هیدروژن و هیدروژن:

• هیدروژن، H2، یک گاز نامرئی، فرار و بی بو است که در حدود 250- درجه مایع می شود. درجه سانتیگراد (20 کلوین).
• اگر هیدروژن با استفاده از انرژی های تجدیدپذیر تولید شود، تولید دی اکسید کربن ندارد. این به “هیدروژن سبز” معروف است.
• پروازهای هیدروژن می تواند به صورت الکتریکی، با استفاده از سلول های سوختی که هیدروژن را از طریق کاتالیز به الکتریسیته تبدیل می کنند، یا با موتورهای جت، که در آن هیدروژن در یک توربین گاز سوزانده می شود، تامین شود.
• هیدروژن در هر کیلوگرم انرژی بیشتری نسبت به نفت سفید امروزی دارد و همچنین این مزیت را دارد که محصول باقیمانده احتراق عمدتاً بخار آب است.
• این گاز در صورت مخلوط شدن با هوا بسیار قابل اشتعال است، به همین دلیل به سنسورهای بسیار کارآمد نیاز است.
• در صنعت، هیدروژن در حال حاضر در تولید، به عنوان مثال، فولاد بدون سوخت های فسیلی استفاده می شود.

توسعه مبدل حرارتی نوآورانه

مبدل‌های حرارتی بخش مهمی از هوانوردی هیدروژنی هستند و بخش مهمی از پیشرفت‌های فناوری هستند. برای روشن نگه داشتن سیستم سوخت، هیدروژن باید به شکل مایع باشد. این به این معنی است که هیدروژن در هواپیما در حالت فوق خنک نگه داشته می شود، معمولاً در حدود -250 درجه سانتیگراد. با بازیابی گرما از گازهای داغ خروجی موتورهای جت و با خنک کردن موتورها در مکان های استراتژیک، کارایی آنها بیشتر می شود. انواع جدیدی از مبدل های حرارتی برای انتقال گرما بین هیدروژن فوق خنک و موتور مورد نیاز است.

برای رویارویی با این چالش، محققان Chalmers چندین سال است که روی توسعه یک نوع کاملاً جدید مبدل حرارتی کار می کنند. این فناوری که اکنون توسط شریک GKN Aerospace در حال ثبت اختراع است، از دمای ذخیره سازی پایین هیدروژن برای خنک کردن قطعات موتور استفاده می کند و سپس از گرمای اتلاف گازهای خروجی برای گرم کردن سوخت تا چند صد درجه قبل از تزریق به محفظه احتراق استفاده می کند. .

«هر درجه افزایش دما باعث کاهش مصرف سوخت و افزایش مسافت پیموده شده است. ما توانستیم نشان دهیم که هواپیماهای کوتاه و متوسط ​​مجهز به مبدل حرارتی جدید می توانند مصرف سوخت را تقریباً هشت درصد کاهش دهند. کارلوس شیستو، دانشیار دپارتمان مکانیک سیالات در چالمرز و یکی از نویسندگان این مطالعه، می گوید: با توجه به اینکه موتور هواپیما یک فناوری بالغ و جاافتاده است، این نتیجه بسیار خوبی از یک جزء است.

محققان همچنین خاطرنشان می کنند که با بهینه سازی بیشتر، این نوع فناوری مبدل حرارتی در یک هواپیمای تجاری معمولی ایرباس A320 می تواند برد بهبود یافته ای تا ده درصد یا معادل مسیر گوتنبرگ-برلین (تقریباً 450 مایل) ایجاد کند.

تلاش های مشترک و دیدگاه های صنعت

کار برای توسعه راه حل هایی برای هوانوردی هیدروژنی در آینده در یک جبهه گسترده با همکاری دولت ها، دانشگاه ها و شرکت های خصوصی انجام می شود. در سوئد، خوشه نوآوری، مرکز توسعه هیدروژن سوئد (SHDC)، بازیگران کلیدی از جمله رهبران صنعت و کارشناسان دانشگاهی را گرد هم می آورد. در کارگاه اخیر SHDC، محققان Chalmers کار خود را ارائه کردند و چندین شرکت تجاری به سرمایه گذاری های عمده در پروازهای هیدروژن در سال های آینده شهادت دادند. اگرچه فناوری پیشرفت کرده است، اما چالش‌ها بیشتر در سرمایه‌گذاری‌های کلان مورد نیاز و توسعه زیرساخت‌ها، مدل‌های تجاری و مشارکت‌ها برای تولید، حمل و نقل و ذخیره هیدروژن است تا انتقال به پرواز هیدروژن امکان‌پذیر باشد. انتظار می رود که انتقال کامل به حدود 100 میلیون تن هیدروژن سبز در سال نیاز داشته باشد.

• آغاز عصر جدید پرواز: هواپیماهای هیدروژنی تا سال 2045

•  

“انتظارات صنعت وجود دارد که 30 تا 40 درصد هوانوردی جهانی تا سال 2050 با انرژی هیدروژنی تامین شود. این احتمال وجود دارد که در چند سال آینده به ترکیبی از هواپیماهایی نیاز داشته باشیم که با برق کار کنند، سوخت جت های الکترونیکی آسیب کمتری به محیط زیست وارد کنند. هیدروژن گرونستد می‌گوید، اما هر هواپیمایی که بتواند با هیدروژن از انرژی‌های تجدیدپذیر نیرو بگیرد، انتشار دی‌اکسید کربن را کاهش می‌دهد.

در TechForH2، شرایط خوبی برای مقابله با چالش هیدروژن وجود دارد و با بودجه 162 میلیون کرون (معادل 15.5 میلیون دلار)، مرکز صلاحیت می‌تواند در توسعه تعدادی از حوزه‌های تحقیقاتی مختلف که هیدروژن و حمل‌ونقل سنگین را به هم مرتبط می‌کنند، کمک کند. .

مراجع:

«مبدل‌های حرارتی فشرده برای خنک‌سازی و بازیابی موتور هواپیما با سوخت هیدروژن» توسط الکساندر کاپیتائو پاترائو، آیزاک جانسون، کارلوس شیستو، آندرس لوندبلاد و توماس گرونستد، 28 ژانویه 2024، مهندسی حرارت کاربردی.
DOI: 10.1016/j.applthermaleng.2024.122538

“هواپیمای پیل سوختی هیدروژنی برای بازار اسکاندیناوی” توسط کریستین سونسون، امیر AM Oliveira و Thomas Grönstedt، 4 مارس 2024، مجله بین المللی انرژی هیدروژن.
DOI: 10.1016/j.ijhydene.2024.02.382

تامین مالی: آژانس انرژی سوئد، برنامه چارچوب افق 2020، شورای تحقیقات سوئد