L’industria europea, saranno a idrogeno i velivoli del futuro? – AEROPOLIS Associazione italiana dell'aerospazio

Airbus accelera la ricerca di soluzioni efficienti, pulite ed economiche per il trasporto aereo del futuro.

REPORT – Un paio di settimane fa, con gran risalto, è stata data su tutti media la notizia che Airbus ha allo studio tre progetti di velivoli di nuova generazione a bassa emissione di CO2 in volo [1]. L’azienda, in effetti, in un evento on-line aveva giusto presentato l’iniziativa dichiarando che i velivoli potrebbero entrare in servizio nel 2035. Si tratta di una famiglia completa di velivoli comprendente un aereo turbofan per il medio/lungo raggio (classe 321neo), un “blended-wing body“ dalle forme avveniristiche caratterizzato dalla fusoliera particolarmente spaziosa, e di un velivolo ad elica, con capacità di 100 pax, per il medio/corto raggio. Tutti i velivoli sono caratterizzati da propulsori turbofan turboprop ibridi alimentati ad idrogeno [2,3,4].

I serbatoi, pressurizzati, e i sistemi di distribuzione sono posizionati in fusoliera, posteriormente (zona non pressurizzata), o sotto l’ala (nel velivolo blended-wing body).

Two hybrid-hydrogen turboprop engines, which drive eight-bladed propellers, provide thrust. The liquid hydrogen storage and distribution system is located behind the rear pressure bulkhead.
The exceptionally wide interior opens up multiple options for hydrogen storage and distribution. Here, the liquid hydrogen storage tanks are stored underneath the wings. Two hybrid hydrogen turbofan engines provide thrust.
Two hybrid-hydrogen turbofan engines provide thrust. The liquid hydrogen storage and distribution system is located behind the rear pressure bulkhead.

In effetti la pubblicizzazione di questi nuovi progetti, in un momento di profonda crisi del trasporto aereo, ancorché ancora vaghi, sembra essere legata non tanto alla legittima

e giusta attività di R&S che il colosso dell’aviazione persegue in vista degli sviluppi futuri del mercato del trasporto aereo, ma il tentativo dell’industria aeronautica europa di distanziare quella americana nel suo momento di maggiore difficoltà.

La Comunità Europea avvia una nuova fase di ricerca ripartendo dalle attività Clean Sky che sono ormai al traguardo della fase 2 [5].

Il ruolo della Comunità Europea nella ricerca di nuove soluzioni per il trasporto aereo

In effetti la EU ha lanciato il 26 agosto scorso una nuova call [6], aperta a tutti gli stakehoders del settore, per la presentazione di nuove idee/proposte da utilizzare per il raggiungimento di una riduzione sostanziale delle emissioni inquinanti nei prossimi anni. L’obbiettivo è di accelerare lo sviluppo – e la dimostrazione di fattibilità – di tecnologie aeronautiche integrate verso una profonda de-carbonizzazione garantendo al contempo sicurezza e protezione. Inoltre, si conta di rafforzare l’attenzione sugli aspetti della sostenibilità e delle tecnologie rispettose dell’ambiente e di coinvolgere nuovi soggetti attivi nel campo dell’elettrificazione e della digitalizzazione. Il termine della presentazione delle domande è il 30 novembre prossimo.

Operativamente, è stato formato un gruppo di lavoro (il CS3PG , Clean Sky 3 Preparatory Group) che sarà responsabile di fornire in modo tempestivo, aperto e trasparente – come riporta la presentazione del progetto – una posizione unitaria degli stakeholders dell’aviazione europea su un programma ambizioso, a sostegno della pianificazione strategica della Commissione e del lavoro preparatorio verso una proposta legislativa mirata ad un potenziale partenariato in materia di aviazione pulita.

L’obbiettivo di questa nuova fase del programma “Clean Sky” è realizzare entro il 2030 dimostratori di nuove

soluzioni di aeromobili a bassa emissione, mediante l’utilizzo di combustibili “verdi”, cosi da poter offrire alle compagnie aeree e agli operatori del settore nuovi aeromobili pronti per l’impiego a partire dal 2035 e di raggiungere entro il 2050 un’aviazione “climaticamente neutra” sfruttando le innovazioni tecnologiche maturate alla fine della fase “clean aviation” coniugate all’impiego di carburanti ecosostenibili e fonti di energia alternativa.

Alla luce di questa novità, risulta evidente, quindi, l’intenzione di Airbus di accreditarsi, con i propri progetti, come major player nella nuova area di sviluppo dell’aeronautica. Ma questi sembrano essere ancora allo stadio preliminare e, inoltre, non si ha alcuna informazione su come si inquadrerebbe nel contesto del 100 posti la famiglia ATR, prodotta al 50% insieme a Leonardo, che oggi sembra essere prossima al termine della propria vita operativa.

Il consorzio, comunque, non è il solo, a livello europeo, a muoversi in questo periodo. E’ recente, infatti, la notizia del primo volo di un modello in scala di un velivolo di nuova generazione [7,8], il Flying-V, nato da una collaborazione tra la KLM e la Delft University of Technology e in grado di trasportare fino a 350 pax con un risparmio del 20% di carburante [9]. I risultati ottenuti dalla prova in volo hanno fornito ai progettisti utili risultati che serviranno nel prossimo futuro ad ottimizzare la configurazione aerodinamica. Per la propulsione si pensa di utilizzare propulsori ad idrogeno liquido.

La sperimentazione di nuove soluzioni per la propulsione ibrida

E’ indubbio che l’idrogeno rappresenta, in questo momento, la fonte d’energia alternativa più gettonata, insieme con quella elettrica o in alternativa a quest’ultima. Allo stato, la gara è aperta; molto probabilmente sarà l’accoppiata Idrogeno+elettrico ad affermarsi, almeno nel segmento dell’aviazione generale e del trasporto Regionale e di terzo livello.

Il 19 giugno scorso ha avuto luogo il primo volo del prototipo di un aereo ibrido elettrico-idrogeno, partito dall’aeroporto di Cranfield, a poca distanza da Londra, al termine di un fitto programma di simulazioni e prove a terra. Si tratta di un velivolo sviluppato dalla ZeroAvia [10,11,12], con sedi operative in California e in Inghilterra basato sulla rimotorizzazione di un velivolo Piper classe M (6 posti) con un motore elettrico alimentato a celle d’idrogeno [14].

Il prototipo è stato realizzato nell’ambito del progetto HyFlyer sostenuto dal governo britannico con l’obiettivo finale di arrivare a produrre aeromobili commerciali a medio raggio a zero emissioni con una capienza fino a 100 posti, alimentati ad idrogeno. Il programma di sperimentazione si concluderà con un volo di 250-300 nm dalle isole Orkney in Scozia. La ZeroAvia ha in animo di realizzare, entro 3 anni, un aereo da 10-20 posti alimentato ad idrogeno, per proseguire entro il decennio con velivoli 50-100 pax, e a seguire entro il 2040, macchine da 200 posti con autonomia di 3000 nm.

Il progetto vede la collaborazione con ZeroAvia di due partners: l’EMEC (Centro Europeo per l’Energia Marina), responsabile dello sviluppo dell’infrastruttura di produzione e rifornimento di idrogeno e l’Intelligent Energy, che sta studiando, a sua volta, una tecnologia a celle di combustibile con membrana a scambio protonico (PEM), per applicazioni in diversi settori del trasporto (automotive, aerospaziale) della generazione elettrica e delle telecomunicazioni.

La compagnia, al momento, non ha ancora fornito dettagli tecnici del velivolo. Non sono ancora noti, quindi, gli aspetti più interessanti del progetto, quali la motorizzazione ed i relativi impianti, la sua installazione in fusoliera, l’ubicazione dei serbatoi e le prestazioni del velivolo. Ha però reso noto l’entrata in servizio di una infrastruttura di rifornimento di idrogeno sullo stesso aeroporto di Cranfield.

La propulsione a celle di combustibile è oggetto di studio da parte di diversi centri di ricerca e industrie motoristiche.

La stessa EU ha pubblicato lo scorso maggio un documento riepilogativo di uno studio sul futuro della propulsione ad idrogeno in campo aeronautico (Hydrogen-powered aviation. A fact-based study of hydrogen technology, economics, and climate impact by 2050) elaborato nell’ambito del programma “Clean Sky 2”, con il contributo di numerose tra le maggiori industrie aerospaziali (inclusa ZeroAvia), compagnie aeree, centri di ricerca d’Europa.

In quest’ambito si colloca lo studio dell’utilizzo di celle di combustibile nei sistemi di propulsione aerospaziale recentemente avviato in Germania dalla MTU Aero Engines in collaborazione con il Centro di ricerca Aerospaziale Tedesco, il DLR (Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt) [15].

Lo sviluppo e la validazione della tecnologia del sistema saranno condotti con l’utilizzo di un dimostratore Dornier 228 equipaggiato con celle a combustibile d’idrogeno che forniscono alimentazione ad un propulsore elettrico di potenza 500kW all’albero, installato al posto di uno dei due motori del velivolo, con un programma di volo che inizierà l’anno venturo.

La propulsione ibrida applicata alla UAM

La propulsione ibrida idrogeno-elettrica interessa anche il settore della UAM (Mobilità Urbana Aerea), fin ora caratterizzata dalla propulsione elettrica alimentata da batterie.

Una Start-up Statunitense con sede nel Massachussetts, la Alaka’i Technologies, la settimana scorsa ha presentato il suo nuovo progetto, denominato SKAI [16]: un velivolo a sei rotori per 5 pax, alimentato ad idrogeno. Secondo il costruttore questa fonte di energia risulta essere molto più efficiente di quella elettrica fornita da batterie. Il velivolo, una volta messo a punto, sarà in grado di volare per 4 ore coprendo una distanza di 400 miglia con un solo pieno di carburante. Il velivolo potrà essere rifornito in 10 minuti presso una stazione di rifornimento. Da quanto dichiarato dal costruttore, un prototipo full scale è già stato realizzato e il primo volo è programmato a breve.

Conclusioni.

Questo è l’anno più difficile per l’aviazione civile; non si prevede di ritornare alla normalità prima del 2023-2024. In aggiunta, la crisi in corso porterà all’adozione di nuove modalità d’impiego del mezzo aereo. E’, quindi, del tutto legittimo – e lo abbiamo ribadito in molte occasioni recenti – che nella situazione attuale l’attenzione sia focalizzata sulla ricerca di un nuovo corso per l’aeronautica.

E’ indubbio che il trasporto aereo, cosi come inteso fin oggi, subirà profondi mutamenti. E non è detto che le prospettive di sviluppo che oggi si intravedono siano le uniche in gioco. Tra 5 o 10 anni saranno ancora valide le soluzioni wide body sul lungo raggio? E quali classi di velivoli, con quali sistemi di propulsione, avranno maggiore impiego sul medio-corto raggio? Già L’elettrico ha trovato un temibile competitore. L’idrogeno da solo, pur con tutti i limiti d’impiego che oggi sono connessi al suo utilizzo, sembra il più indicato a sostituire i carburanti fossili sulle macchine oltre i 50 posti. Con la tecnologia attuale, forme ibride di propulsione con celle a idrogeno + motori elettrici si propongono come le più adeguate per i velivoli dell’aviazione generale e di trasporto fino a 50 pax.

Approfondiremo in successivi interventi la discussione, analizzando in maggior dettaglio gli aspetti peculiari di queste nuove soluzioni in corso di sviluppo.

Riferimenti: