Aviones propulsados ​​por hidrógeno
De Wikipedia, la enciclopedia libre
Saltar a navegación Saltar a búsqueda
En 2008, el Demostrador de Celdas de Combustible de Boeing logró un vuelo de nivel recto en una misión tripulada propulsada por una celda de combustible de hidrógeno . [1]

Un avión propulsado por hidrógeno es un avión que utiliza combustible de hidrógeno como fuente de energía. El hidrógeno se puede quemar en un motor a reacción u otro tipo de motor de combustión interna , o se puede utilizar para alimentar una celda de combustible para generar electricidad para impulsar una hélice . A diferencia de la mayoría de los aviones, que almacenan combustible en las alas, los aviones propulsados ​​por hidrógeno generalmente se diseñan con los tanques de combustible de hidrógeno dentro del fuselaje.

Según una investigación de la Universidad Estatal de Pensilvania en 2006, se podrían construir grandes aviones comerciales de hidrógeno para 2020, pero "probablemente no entrarán en servicio hasta más cerca de 2040". [2] [ necesita actualización ] A corto plazo, ha aumentado el interés en utilizar aviones de pila de combustible como vehículos aéreos personales .

El proyecto de investigación de la Unión Europea en cooperación con Airbus y otras 34 empresas asociadas denominado CRYOPLANE evaluó la viabilidad técnica, la seguridad, la compatibilidad medioambiental y la viabilidad económica del uso de hidrógeno líquido como combustible de aviación. Esto se concluyó en 2002 (con el informe final publicado en 2003). [3]

A partir de 2021, ZeroAvia está desarrollando activamente aviones con un sistema de propulsión de pila de combustible "capaz de transportar hasta 20 pasajeros a unas 350 millas náuticas". [4] Airbus presentó tres aviones de concepto, que planea implementar alrededor de 2035: un turbohélice de 100 pasajeros, un turbofan de 200 pasajeros y un diseño futurista basado en un cuerpo de ala combinada . [4] Los aviones de hidrógeno que utilizan un diseño de pila de combustible tienen cero emisiones en funcionamiento, mientras que los aviones que utilizan hidrógeno como combustible para un motor a reacción o un motor de combustión interna tienen cero emisiones de CO2 pero no de NOx. [a]

Propiedades del hidrogeno

Densidad energética de los combustibles: horizontal por masa, vertical por volumen.

El hidrógeno tiene una energía específica que es 3 veces más alta que el combustible para aviones tradicional , pero una densidad de energía más baja . En los aviones se utilizan tanques de fibra de carbono , que pueden soportar una presión de 700 bar. También se utiliza hidrógeno líquido criogénico .

Si se dispone de hidrógeno en cantidad procedente de fuentes de energía bajas en carbono, como la eólica o la nuclear, su uso en aviones producirá menos gases de efecto invernadero (vapor de agua y una pequeña cantidad de óxido de nitrógeno) que los aviones actuales. Actualmente, se produce muy poco hidrógeno utilizando fuentes de energía bajas en carbono, y existen varios obstáculos serios para el uso de hidrógeno en aviones y otros vehículos. [6] Debido a la forma en que se produce y las ineficiencias relativas de su producción dada la tecnología actual, el hidrógeno es más caro que los combustibles fósiles.

El hidrógeno líquido es uno de los mejores refrigerantes utilizados en ingeniería, y se ha propuesto utilizar esta propiedad para enfriar el aire de admisión de aeronaves de muy alta velocidad (ver motor a reacción preenfriado ), o incluso para enfriar la propia piel de la aeronave, particularmente para scramjet. aviones propulsados. [7]

Consideraciones de diseño

El hidrógeno líquido tiene aproximadamente cuatro veces el volumen para la misma cantidad de energía que el combustible para aviones a base de queroseno . Además, su naturaleza altamente volátil impide almacenar el combustible en las alas, como ocurre con los aviones de transporte convencionales. [ cita requerida ]Por lo tanto, la mayoría de los diseños de aviones de hidrógeno líquido almacenan el combustible en el fuselaje, lo que lleva a un fuselaje de mayor longitud y diámetro que un avión convencional alimentado con queroseno. Esto reduce el rendimiento debido a la zona de exceso de humedad del fuselaje. El tamaño más grande del fuselaje provoca más arrastre por fricción en la piel y arrastre por ondas. Por otro lado, el hidrógeno es aproximadamente un tercio del peso del combustible de aviación de queroseno para la misma cantidad de energía. Esto significa que para el mismo rango y rendimiento (ignorando el efecto del volumen), el avión de hidrógeno tendría aproximadamente un tercio del peso del combustible. Para un Boeing 747-400tipo avión, esto reduciría el peso bruto de despegue de 360.000 a 270.000 kg (800.000 a 600.000 lb). Por lo tanto, el rendimiento de una aeronave propulsada por hidrógeno es una compensación entre el área humedecida más grande y el menor peso del combustible. Esta compensación depende esencialmente del tamaño de la aeronave.

Historia

El prototipo Tu-155 propulsado por hidrógeno realizó su primer vuelo el 15 de abril de 1988.

En febrero de 1957, un Martin B-57 B de la NACA voló con hidrógeno durante 20 minutos para uno de sus dos motores Wright J65 en lugar de combustible para aviones. [8] El 15 de abril de 1988, el Tu-155 voló por primera vez como el primer avión experimental propulsado por hidrógeno, [9] un avión Tu-154 adaptado .

Boeing convirtió un Diamond DA20 de 2 asientos para que funcionara con una pila de combustible . [10] Voló por primera vez el 3 de abril de 2008. [11] El Antares DLR-H2 es un avión propulsado por hidrógeno de Lange Aviation y el centro aeroespacial alemán . [12] En julio de 2010, Boeing dio a conocer su UAV Phantom Eye de hidrógeno , que utiliza dos motores de pistón de Ford Motor Company convertidos . [13]

En 2010, el Rapid 200FC concluyó seis pruebas de vuelo alimentadas por hidrógeno gaseoso . El avión y el sistema eléctrico y la energía se desarrolló dentro de la Unión Europea 's ENFICA-FC proyecto coordinado por la Universidad Politécnica de Turín . [14] El hidrógeno gaseoso se almacena a 350 bar, alimentando una celda de combustible de 20 kW (27 hp) que alimenta un motor eléctrico de 40 kW (54 hp) junto con una batería de polímero de litio de 20 kW (27 hp) .

El 11 de enero de 2011, un avión no tripulado AeroVironment Global Observer completó su primer vuelo propulsado por un sistema de propulsión de hidrógeno. [15]

el HY4 impulsado por pila de combustible de hidrógeno

Desarrollado por el Instituto DLR de Ingeniería Termodinámica de Alemania , el DLR HY4 de cuatro plazas fue impulsado por una celda de combustible de hidrógeno, su primer vuelo tuvo lugar el 29 de septiembre de 2016. [16] Tiene la posibilidad de almacenar 9 kg (20 lb) de hidrógeno, 4 pilas de combustible de 11 kW y 2 pilas de 10 kWh. [17] [se necesita una mejor fuente ]

En agosto de 2021, el gobierno del Reino Unido afirmó que era el primero en tener una estrategia de hidrógeno. Este informe incluyó una estrategia sugerida para aviones propulsados ​​por hidrógeno junto con otros modos de transporte. [18]

Avión propuesto

Histórico

  • Lockheed CL-400 Suntan concepto de avión de hidrógeno líquido de 1950 que se abandonó a favor del SR-71
  • Se propuso el uso de hidrógeno líquido en el Avión Aeroespacial Nacional basado en scramjet .
  • Observador global de AeroVironment
  • Tupolev Tu-155

Actual

  • Proyecto Fresson
  • Motores de reacción Avión de reacción orbital de hidrógeno Skylon
  • Reaction Engines A2 avión de pasajeros hipersónico antípoda
  • DLR Smartfish
  • Boeing Phantom Eye
  • El Cryo-V [19]
  • ZeroAvia HyFlyer (pila de combustible) [20]
  • Hidrógeno universal
  • Aerodelft

En septiembre de 2020, Airbus anunció planes para tres conceptos diferentes de hidrógeno, conocidos colectivamente como ZEROe, con el objetivo de desarrollar aviones de emisión cero que pudieran entrar en servicio comercial en 2035. [21] Los aviones funcionan con combustión interna de hidrógeno (gas turbina) en lugar de pilas de combustible de hidrógeno. [22]

En marzo de 2021, Cranfield Aerospace Solutions (CAeS), la PYME del Reino Unido que lidera el consorcio Project Fresson, anuncia que explotará los avances recientes en la tecnología de celdas de combustible de hidrógeno para desarrollar una solución de tren motriz modernizada y comercialmente viable para el avión Britten-Norman Islander de nueve pasajeros. para septiembre de 2022. [23]Demostrando que la tecnología de propulsión sostenible tiene una ruta clara hacia el mercado, el programa de tecnología del consorcio liderado por Cranfield Aerospace Solutions acelerará el viaje hacia un servicio de transporte de pasajeros sin emisiones. El Proyecto Fresson está respaldado por el Programa ATI, una inversión conjunta del gobierno y la industria para mantener y hacer crecer la posición competitiva del Reino Unido en el diseño y fabricación aeroespacial civil. El programa, entregado a través de una asociación entre el Instituto de Tecnología Aeroespacial (ATI), el Departamento de Negocios, Energía y Estrategia Industrial (BEIS) e Innovate UK, aborda los desafíos de la tecnología, la capacidad y la cadena de suministro.

Ver también

  • Aviones eléctricos
  • Combustibles de aviación emergentes
  • Hyfish

Notas

  1. ^ la quema de hidrógeno en el aire conduce a la producción de NOx. Es decir, la reacción H2 + O -> H20 en un ambiente rico en nitrógeno también provoca la producción de NOx. [5]

Referencias

  1. ↑ Robertson, David (3 de abril de 2008). "Boeing prueba el primer avión propulsado por hidrógeno" . The Times . Londres.
  2. ^ Maniaci, David C. "Predicción del rendimiento operativo de un transporte comercial impulsado por hidrógeno" Documento de simposio de 2006 Archivado 2006-09-05 en la Wayback Machine.
  3. ^ Airbus Deutschland "Aviones alimentados con hidrógeno líquido - Informe técnico final de CRYOPLANE" 2003
  4. ↑ a b Henderson, Caspar (7 de abril de 2021). "La revolución del hidrógeno en los cielos" . bbc.com . BBC . Consultado el 5 de agosto de 2021 .
  5. ^ Mike Menzies (23 de septiembre de 2019). "Hidrógeno: la cuestión candente" . El ingeniero químico . Institución de Ingenieros Químicos .
  6. ^ "Avión de hidrógeno" . Vehículos H2 . Archivado desde el original el 18 de junio de 2012 . Consultado el 6 de mayo de 2016 .
  7. ^ Segal, Corin (2010). Procesos y características del motor Scramjet . Prensa de la Universidad de Cambridge. pag. 4. doi : 10.1017 / CBO9780511627019 . ISBN 9780511627019.
  8. ^ Guy Norris (1 de octubre de 2020). "¿Las estelas de vapor serán el talón de Aquiles del combustible de hidrógeno?" . Semana de la aviación .
  9. ^ Dieter Scholz, Universidad de Ciencias Aplicadas de Hamburgo (19 de noviembre de 2020). "Diseño de aviones de pasajeros de hidrógeno" (PDF) .
  10. ^ "Boeing prepara el avión de demostración de pila de combustible para pruebas en tierra y vuelo" (Comunicado de prensa). Boeing. 27 de marzo de 2007.
  11. ^ "Boeing vuela primer avión de pila de combustible" (Comunicado de prensa). Boeing. 3 de abril de 2008.
  12. ^ "El planeador a motor DLR Antares despega en Hamburgo, impulsado por una pila de combustible" (PDF) (Comunicado de prensa). DLR. 7 de julio de 2009.
  13. ^ "Boeing presenta un demostrador de ojo fantasma no tripulado" (Comunicado de prensa). Boeing. 12 de julio de 2010.
  14. ^ "ENFICA-FC" .
  15. ^ "Global Observer, el sistema de aeronaves no tripuladas de resistencia extrema de AeroVironment, logra el histórico primer vuelo propulsado por hidrógeno" (Comunicado de prensa). AeroVironment. 11 de enero de 2011.
  16. ^ "Avión de pila de combustible HY4 hace vuelo inaugural" . El ingeniero . 30 de septiembre de 2016.
  17. ^ "Vil ha kortdistanse flytrafikk sobre på hidrógeno" (en noruego). Teknisk Ukeblad . 21 de junio de 2017.
  18. ^ "Estrategia de hidrógeno del Reino Unido" (PDF) . Gobierno del Reino Unido . Agosto de 2021.
  19. ^ El informe DSE final de Cryo-V , 30 de junio de 2020
  20. ^ ZeroAvia realiza el primer vuelo eléctrico a escala comercial del Reino Unido , 23 de junio de 2020
  21. ^ "Airbus revela un nuevo concepto de avión de cero emisiones" (Comunicado de prensa). Aerobús. 21 de septiembre de 2020.
  22. ^ Tidey, Alice (21 de septiembre de 2020). "Airbus presenta conceptos para aviones de cero emisiones propulsados ​​por hidrógeno" . euronews .
  23. ^ "PROYECTO FRESSON PARA PROPORCIONAR EL PRIMER MUNDO VERDADERAMENTE ECOLÓGICO DE PASAJEROS QUE LLEVAN SERVICIOS DE LÍNEA AÉREA UTILIZANDO TECNOLOGÍA DE CÉLULAS DE COMBUSTIBLE DE HIDRÓGENO" (Comunicado de prensa). CAeS. 30 de marzo de 2021.

enlaces externos

  • Bjorn Fehrm (7 de febrero de 2020). "El rincón de Bjorn: Por qué e en ePlane significa medio ambiente, Parte 8" . Noticias de Leeham .
  • Dan Thisdell (9 de julio de 2020). "Olvídese de las baterías, ¿es el hidrógeno el santo grial de la aviación comercial libre de carbono?" . Flightglobal .
Obtenido de " https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Hydrogen-powered_aircraft&oldid=1054940844 "
Contribute a better translation