REPORT – Perchè Boeing potrebbe decidere di sviluppare un velivolo di questo tipo. / Aeropolis
Dopo i nostri precedenti interventi, proponiamo alcune considerazioni di analisti del settore su quello che potrebbe essere il nuovo progetto di turboprop a propulsione Ibrida della “new company” Boeing Embraer.
La proposta come è noto è dei brasiliani alla società di Seattle, e attualmente sarebbe allo studio dei tecnici e manager delle due aziende aeronautiche..
In questo report vi proponiamo alcune considerazioni su quali potrebbero essere i motivi che potrebbero indurre Boeing a inoltrarsi in questa fascia di mercato anche in considerazione dei risultati che hanno prodotto gli studi condotti da costruttori aeronautici ed enti di ricerca su velivoli con questa nuova propulsione.
Quello dei turboprop regionali è un settore nuovo per la compagnia di Seattle, mentre la propulsione ibrida è già una tecnologia in cui l’azienda si cimenta a livello sperimentale da qualche tempo attraverso una sua startup, la Zunum Aero, il cui aereo dovrebbe volare nei prossimi anni (e.i.s. 2022).
L’interesse di Boeing per i velivoli regionali a propulsione ibrida-elettrica probabilmente, secondo analisti molto accreditati nell’ambiente, nasce anche a causa dei problemi in house legati al programma 737 Max. (La perdita di cassa attuale è stimata in almeno 25 miliardi US$.) e tenderà ad aumentare nel prossimo futuro. La collaborazione con Embraer, da questo punto di vista, ridurrebbe lo stress finanziario a breve termine della compagnia che ha, tra l’altro, avviato una fase di revisione dei suoi progetti in corso “Middle of the Market” e “New Single Aisle”.
Gli addetti ai lavori prevedono, oggi, che Boeing riacquisti un flusso di cassa positivo a metà 2022, anche inibendo (i.e. bloccando) i suoi investimenti in ricerca e sviluppo per i prossimi 2 anni e più. Avrà bisogno, per quella data, di alcuni veicoli ad ala fissa a corridoio singolo, pratici ma strategici, di 2 o 3 grandezze. La proposta di un nuovo velivolo avanzata da Embraer rappresenta, quindi, potrebbe rispondere a necessità attuali del costruttore statunitense.
D’altra parte l’evoluzione tecnologica della propulsione ibrida ed i risultati della sperimentazione fin qui ottenuti lasciano ben sperare che nel medio termine (entro il 2030) sarà possibile ottenere un vantaggio, in termini di prestazioni e consumi, ben superiore a quello che si otterrà dalla maturazione della tecnologia dei motori a turbina tradizionali. Questo principalmente nella classe dei turboprop regionali.
Appena un decennio fa, la maggior parte degli addetti ai lavori dubitava che aerei elettrici potessero mai trasportare passeggeri a pagamento. Attualmente i primi aerei completamente elettrici in grado di portare 2-4 persone su tratte urbane (i.e. Lilium aircraft della Lilium GmbH, Germania) sono in via di certificazione. I velivoli ibridi elettrici progettati per voli subregionali con 6-9 passeggeri sono in fase di prova (Zunum Aero). E aerei regionali a corto raggio con un massimo di 19 posti e propulsione elettrica sono in fase di progettazione.
La propulsione ibrida è un’opzione praticabile per migliorare la “sostenibilità” dell’aviazione?
Gli aeromobili commerciali di grandi dimensioni rappresentano circa il 93% del consumo globale annuo di carburante aeronautico. Circa il 57% del carburante viene bruciato da velivoli a lungo raggio a doppio corridoio, che sono ampiamente considerati fuori discussione per la propulsione elettrica, almeno per diversi decenni, a causa dell’enorme quantità di energia necessaria per far volare centinaia di passeggeri per migliaia di miglia.
Gli aerei di linea a corridoio singolo quotano il 37% del carburante consumato ogni anno e gli aerei regionali il 6%. Per queste classi di velivoli, i risultati di numerosi studi suggeriscono che l’ibridazione potrebbe, entro il 2030, fornire un vantaggio in termini di prestazioni superiore a quanto previsto in base ai progressi ottenuti nelle tecnologie delle strutture e dei motori a turbina.
L’entità di tale vantaggio potrebbe dipendere dal mercato, dalla missione,
dalla tecnologia e dai compromessi che produttori e dagli operatori sono
disposti a raggiungere.
Le tecnologie disponibili
Quando si tratta di propulsione ibrida-elettrica, ci sono due scelte principali: parallela e seriale. In un ibrido parallelo, sia un motore termico che un motore elettrico azionano lo stesso albero, ruotando un fan o un’elica. Il motore termico funziona con carburante e l’elettrico con batterie.
In un ibrido seriale, solo il motore elettrico aziona l’albero, alimentato dall’elettricità che proviene sia dalle batterie che da un generatore azionato da un motore termico. In entrambi i casi, l’energia viene fornita sia dal carburante che dalle batterie.
I programmi di ricerca
Attualmente due sono i programmi di ricerca chiave in corso che potrebbero determinare il futuro della propulsione elettrica per aeromobili regionali e a corridoio singolo:
L’E-Fan X, un dimostratore regional jet ibrido-seriale da 2 megawatt prodotto da Airbus, che dovrebbe volare nel 2021. E il Progetto 804, della United Technologies Corp. (UTC, un turbopropulsore regionale “testbed” ibrido parallelo da 2 megawatt, il cui primo volo è previsto nel 2022, anche se le evoluzioni societarie dell’UTC potrebbero rallentare il progetto.
Airbus sta lavorando in collaborazione con Rolls-Royce, che
fornisce il motore a turbina e il generatore, motore elettrico e controller,
nonché il fan. Gestito dalla Skunk Works di UTC, come United Technologies
Advanced Projects (UTAP), il Progetto 804 unisce le competenze sistemistiche
di Collins Aerospace con l’esperienza motoristica di Pratt
& Whitney Canada.
Il Progetto 804 prevede di modificare un Dash 8-100 de Havilland Canada da 39 passeggeri sostituendo uno dei suoi turbopropulsori Pratt & Whitney PW121 da 2.150 shp con un nuovo motore di potenza nominale di 1 megawatt (1.300 shp) e un motore elettrico da 1 megawatt, alimentato da un pacco batterie da 200 kWh, 1 kv posto nel bagagliaio del pianale, che azionano entrambi l’elica per mezzo di un riduttore “di accoppiamento”.
Il turboprop e il motore elettrico forniranno 2 megawatt combinati al decollo. La potenza erogata dal motore elettrico si ridurrà durante la salita fino a quando, in crociera, tutta la potenza verrà fornita dal solo motore termico. Questo potrà funzionare nel suo punto di rendimento ottimale, producendo 1 MW costante fino al momento di iniziare la discesa. In questo modo peso e dimensioni del motore termico saranno significativamente ridotti
UTAP calcola che ciò ridurrà il consumo di carburante del 30% e il consumo complessivo di energia, compresa l’energia elettrica a minor costo, del 26% su voli fino a 250 nm. La chiave di questa prestazione è il grado di ibridazione. In termini di potenza, l’ibridazione è del 50%, con il motore termico e il motore elettrico che forniscono ciascuno metà della potenza di picco al decollo. Ma in termini di energia, l’ibridazione è moderata: le batterie forniscono solo il 6% dell’energia necessaria alla missione. Ciò riduce al minimo l’aggravio di peso dovuto alla densità energetica molto bassa delle batterie. Inoltre Il dimensionamento del sistema di propulsione elettrica consente di ridurre in peso e quantità i componenti elettrici, il che significa una richiesta relativamente bassa di di energia accumulata, e quindi batterie più piccole.
“Non stiamo solo sostituendo il carburante con le batterie, ma lo stiamo facendo in un modo che migliorerà entrambi gli aspetti (ndr. di peso e consumo)“, afferma Todd Spierling, direttore delle tecnologie avanzate di UTAP. “Miglioriamo il motore termico riducendo al minimo l’energia della batteria e, francamente, fino a quando le batterie non miglioreranno, uno dei nostri migliori approcci è quello di non usarle più del necessario.”
Una conversione del Dash 8, consistente nella sostituzione dei suoi turbopropulsori con due motori termici da 1.000 CV assistiti da due motori elettrici da 750 kW, richiederebbe un accumulo di energia di 500 kWh. Le batterie peserebbero 3.099 kg (6.830 libbre) ad una densità di energia di 363 Wh/kg, che UTAP presume sarà disponibile entro la metà degli anni 2020.
Vantaggi e svantaggi della propulsione ibrida nei velivoli regionali
Uno dei motivi per cui gli aeromobili regionali sono i candidati migliori per la propulsione ibrida, rispetto a quelli con corridoi gemelli, è la bassa efficienza delle turbine a gas, di dimensioni più piccole. Laddove gli ultimi turbofan ad alta potenza e bypass hanno un’efficienza termica superiore al 55%, i turbopropulsori del Dash 8 sono al 30%.
In crociera, il motore termico sviluppato per il Progetto 804 avrà un rendimento termico del 40% e un consumo specifico di carburante inferiore del 24% rispetto al PW121. UTAP non sta rivelando i dettagli di questo motore, ma afferma che l’uso del motore elettrico consente di riprogettare il motore a turbina, per ottimizzarne l’efficienza nel punto di crociera, cambiando il ciclo termico. Questo evita di considerare le condizioni “fuori progetto” che hanno guidato la progettazione dei motori odierni.
Le tecnologie che dovrebbero essere disponibili entro i prossimi 5-10 anni costringeranno, comunque, ad alcuni compromessi. L’UTAP prevede un rapporto potenza/peso di 13 kW/kg e un’efficienza del 97% per il motore elettrico e 20 kW/kg e il 98% per l’elettronica di potenza. Questi sono i target di ricerca e sviluppo in corso in Collins e altrove, supportati dalla NASA.
Per la batteria, UTAP sta assumendo una densità di energia circa il doppio di quella attualmente disponibile, in base agli obiettivi del consorzio Battery500. Lanciato nel 2016 e finanziato dal Dipartimento dell’Energia degli Stati Uniti, sta sviluppando un programma di cinque anni per sviluppare batterie al litio-metallo con una densità di energia di 500 Wh/kg e una durata di 1.000 cicli.
L’utilizzo di tecnologie che dovrebbero raggiungere un “readiness level” di 6 entro la metà del 2020 richiede che il carico di carburante e il “range” di missione siano ridotti per compensare il maggior peso della trasmissione elettrica. Di conseguenza il raggio operativo del Dash 8 si ridurrà a 250 nm rispetto alle precedenti 1.000 nm, ma UTAP sostiene che anche così il velivolo copre ancora più della metà delle missioni svolte da questo tipo di aeromobile.
“Avrà una tratta più breve e una crociera leggermente più lenta, quindi questo non è un “pranzo” gratuito”, afferma Spierling. “Ma crediamo che tali operazioni siano accettabili sul mercato. . . [e che], per gli aeromobili con più di 30 posti, l’ibrido parallelo abbia il miglior potenziale a medio termine”.
Il Progetto 804 ha superato le sue verifiche di progetto e business a novembre 2019 e UTC è già in contatto con potenziali clienti, afferma Mauro Atalla, leader del dipartimento di ingegneria e tecnologia di Collins Aerospace.
Lo stesso approccio può essere applicato agli aerei di linea a corridoio singolo?
Gli aerei regionali rappresentano solo il 6% del carburante utilizzato. Nell’ambito di un accordo di ricerca con la NASA, United Technologies Research Center (UTRC) ha studiato la propulsione ibrida parallela a breve-medio termine (2030) per airliners a corridoio singolo.
In questa architettura, un motore elettrico a batteria alimenta l‘albero di bassa pressione del motore turbofan ed entrambi azionano il fan. Similmente al sistema del Project 804, il motore elettrico viene utilizzato per aumentare la potenza per il decollo e la salita, consentendo di ridimensionare il motore ottimizzato, così, per la crociera.
Nei velivoli da 154 posti studiati, è necessaria una trasmissione elettrica da 4,5 megawatt, comprendente due motori da 2,1 megawatt, ingaggiati sull’albero di bassa pressione di ciascun motore in ala, un sistema di distribuzione da 1 kv e una batteria da 1.500 kWh.
Due sono le missioni, da 900 nm ciascuna, considerate nello studio. Nella prima, il velivolo trasporta solo la massa del pacco batteria necessaria per supportare il decollo e la salita, con tutta l’energia necessaria per la crociera fornita dal carburante. Ciò si traduce in un’ibridazione energetica di appena il 3,9%. Per questa missione, sono previste riduzioni del 4,2% nel consumo di carburante e dello 0,3% nel consumo complessivo di energia.
Nella seconda missione, la massa della batteria viene aumentata per portare l’aeromobile al suo massimo peso al decollo e supportare con i motori elettrici i turboprop durante la crociera. Ciò aumenta l’ibridazione energetica al 9,9%, ma il peso aggiuntivo riduce il risparmio di carburante del 2,8%, mentre il consumo totale di energia aumenta del 2,7%, quindi sostanzialmente non ci sono benefici.
Lo studio evidenzia un vantaggio inaspettato. L’aggiunta di un motore da 2 megawatt sull’albero di bassa pressione consente di azionare il fan senza avviare il motore e rende il rullaggio elettrico un’opzione interessante, afferma Chuck Lents, ingegnere capo della ricerca di UTRC. In fase di rullaggio, l’accelerazione del velivolo nella corsa di decollo dimensiona il sistema. Ma la potenza necessaria rientra ampiamente nelle capacità dei motori elettrici installati.
L’UTRC calcola che la fase movimento a terra richiede 62 kWh di energia erogata dalla batteria, per alimentare sia i motori elettrici, agenti sugli alberi di bassa pressione del propulsore, che i sottosistemi del velivolo a motori spenti. Questo rappresenta poco più del 4% dell’energia totale consumata durante il taxi, il decollo e la salita. Le batterie vengono, quindi, ricaricate in crociera per il rullaggio in atterraggio.
In questo studio, il taxiing elettrico fornisce la maggior parte della riduzione del consumo di carburante frutto dell’ibridazione. “Il vantaggio deriva principalmente dall’e-taxi”, afferma Lents. “Vi è un leggero risparmio in salita e il consumo specifico di carburante aumenta durante la crociera, ma vi è un notevole risparmio in rullaggio: circa il 3,5% in uscita e lo 0,5% in entrata.”
Ci sono altri modi per usare l’ibridazione parallela, afferma Lents. L’inserimento di motori/generatori su entrambi gli alberi motore di un turbofan consentirebbe di estrarre o immettere rapidamente energia elettrica per migliorarne il controllo e ridurre i margini che devono essere tenuti in conto nelle condizioni di stallo e di altre fuori progetto. Operando più vicino ai suoi limiti, il motore può essere più piccolo ed efficiente.
I fattori chiave della ricerca
Ci sono diverse ipotesi chiave di cui tenere conto nella maggior parte degli studi di ibridazione. La maggiore riguarda la densità di potenza dei motori elettrici e dell’elettronica di potenza, nonché la densità di energia delle batterie. Gli obiettivi a breve termine della NASA sono almeno 13 kW/kg per un motore da 1 megawatt e 19 kW/kg per un convertitore (alternatore/inverter). Questi valori sembrano realizzabili.
I progressi nei motori elettrici sono stati rapidi. La divisione eAircraft di Siemens, ora parte della Rolls-Royce, ha fatto volare un motore da 260 kW a 5,2 kW / kg nel 2016. Ora sta testando al banco il motore da 2 megawatt per l’E-Fan X a 10 kW/kg. Nell’ambito di un programma quinquennale con la NASA, la Ohio State University sta sviluppando un sistema di propulsione di classe “megawatt” con densità superiori a 14 kW/kg per il motore elettrico e 25 kW/kg per l’elettronica di potenza.
Le batterie sono meno sicure. L’obiettivo di celle da 500 Wh/kg del consorzio Battery500 “non è irrealistico, ma difficile”, afferma Yet-Ming Chiang, professore al Massachusetts Institute of Technology (MIT). Sono in fase di test celle al litio-zolfo e litio-metallo di 300-400 Wh/kg, ma senza alcuna garanzia di quando si potrebbero utilizzare per batterie d’impiego aerospaziale con elementi con densità di energia e durata del ciclo adeguate.
Gli aerei a propulsione elettrica ridurranno le emissioni del trasporto aereo?
L’utilizzo della propulsione ibrida-elettrica sugli aerei di linea regionali è ormai a portata di mano, ma questi rappresentano solo una piccola percentuale del carburante utilizzato. La mobilità aerea urbana e i voli regionali a corto raggio potrebbero essere completamente elettrici, e potrebbero aumentare significativamente il rapporto passeggeri/miglia volate, “estraendo” le persone fuori da automobili e autobus, come afferma Brian German, professore alla Georgia Tech University.
I motori elettrici sono efficienti, ma non lo è la rete elettrica, alimentata in larga misura a combustibile fossile, utilizzata per caricare le batterie. Circa i due terzi dell’energia viene persa durante la generazione e la distribuzione. La maggior parte delle analisi si concentra sulla riduzione delle emissioni generate dal veicolo o presume che gli aeroporti utilizzeranno energia rinnovabile, che è più pulita ed efficiente ma potrebbe richiedere investimenti significativi.
E gli operatori devono essere disposti a utilizzare aeromobili con una autonomia significativamente inferiore rispetto agli odierni aerei di linea. Il fatto che accettino la complessità di avere una flotta separata di aeromobili elettrificati a corto raggio e a bassa velocità probabilmente dipenderà da quanto i loro voli trarranno beneficio dalle riduzioni delle emissioni. EasyJet, ad esempio, afferma che utilizzare la propulsione elettrica sulla breve ma affollata rotta Londra-Parigi ha un forte fascino.
Riassumendo…“E’ la somma che fa il totale….”
A parte questi caveat, sembra esserci qualche promessa nell’ibridazione degli aerei commerciali. La tecnologia si basa sui progressi compiuti dall’industria automobilistica e sembra essere alla portata degli anni 2030. Gli esistenti progetti di aeromobili potrebbero essere adattati – o anche modificati – con propulsori ibridi-elettrici, evitando la sfida di certificare configurazioni “non convenzionali” con propulsione distribuita.
E la propulsione elettrica non deve essere considerata isolatamente. Gli aerei stanno già diventando più elettrici: il Boeing 787 ha a bordo 1,5 megawatt di generazione elettrica. “Un numero maggiore di aeromobili elettrici è un motivo per lavorare su motori/generatori fino a circa 1 megawatt”, afferma Alan Epstein, professore emerito presso il MIT ed ex responsabile della tecnologia e della strategia ambientale della Pratt & Whitney. Le batterie necessarie per una ibridazione leggera “potrebbero essere ‘pagate’ da altre cose”, afferma.
La riduzione del consumo di carburante derivante da una ibridazione leggera può essere solo di qualche percento, ma non dovrebbe essere scontato. Il vantaggio potrebbe andare al di là di quelli ottenuti dall’aerodinamica a bassa resistenza e dalle strutture leggere, nonché dai continui miglioramenti attesi nelle prestazioni delle turbine a gas.
Ciascuno in sé potrebbe rappresentare solo alcuni punti percentuali di miglioramento. Ciò che conta per la sostenibilità dell’aviazione …“E’ la somma che fa il totale….”.
O.c.