Vätgasdrivna motorer öppnar möjligheter för fossilfritt flyg, och bränslesystemet är en nyckelkomponent. Vätgas innehåller mer energi per kilo än dagens flygfotogen, och har också den fördelen att restprodukten av förbränningen är främst vattenånga.
Det är framför allt vid korta och medellånga flygningar, till exempel inom Europa, som det finns bra förutsättningar för en övergång till vätgasdrivna motorer. En studie från Chalmers som publicerades tidigare i år visar att vätgasdrivet flyg skulle kunna möta behoven för 97 procent av alla inomnordiska flygsträckor år 2045.
Vid en övergång till vätgasdrift räknar tillverkare i branschen med att kunna fortsätta använda samma typ av turbofläktmotorer som i dagens flygplan, vilket innebär att motorernas bränslesystem måste anpassas för att kunna hantera kylan hos flytande vätgas. För att hålla flygplanets vikt nere behöver vätgasen lagras i flytande form, vilket kräver en temperatur i tanken runt -250 grader, och att spruta in bränslet för förbränning vid den temperaturen innebär en avsevärt försämrad effekt med ökad bränsleförbrukning som följd.
Forskare vid Chalmers har under flera år arbetat i olika projekt med att utveckla en helt ny typ av värmeväxlare, som nu är patentansökt av samarbetspartnern GKN Aerospace. Systemet drar nytta av vätgasens låga lagringstemperatur för att kyla motordelar, och använder sedan spillvärme från avgaserna för att förvärma bränslet flera hundra grader innan det sprutas in I förbränningskammaren.
– Varje grads temperaturökning minskar bränsleförbrukningen och ökar räckvidden, säger Carlos Xisto, docent på avdelningen för strömningslära vid Mekanik och maritima vetenskaper och en av forskarna som arbetat med utveckling av den nya tekniken.
Imponerande förbättring av mogen teknik
I den nyligen publicerade studien Compact heat exchangers for hydrogen-fueled aero engine intercooling and recuperation har forskarna undersökt vilken effekt värmeväxlaren skulle få på kort- till medeldistansflygplan utrustade med vätgasdrivna turbofläktmotorer. De kunde bland annat mäta en minskad bränsleförbrukning på nära åtta procent vid start. Studiens försteförfattare, Alexandre Capitao Patrao, förklarar varför det är en mer imponerande siffra än man först tror.
– Åtta procent kanske inte låter så mycket, men i en flygplansmotor som är en mogen och väletablerad teknik så är det väldigt bra resultat för en enda komponent. Den här sortens förbättringar ger också en omvänd snöbollseffekt, när storleken och vikten på planet minskar ger det ytterligare besparingar på bränsleförbrukningen. Med mer optimering så skulle den här typen av teknik i ett vanligt trafikflygplan av typen Airbus A320 kunna ge en förbättrad räckvidd på upp till tio procent, eller motsvarande sträckan Göteborg-Berlin.
Ökad effektivitet och minskade utsläpp
I studien beskrivs också att utsläpp av miljöfarliga kväveoxider minskade med 37 procent samtidigt som effektiviteten ökade, vilket är intressant. För att minska utsläppen behöver motorn kylas, och med traditionell teknik innebär det att effektiviteten minskar. I en vätgasmotor med värmeväxlare händer inte det, utan energin återvinns i processen.
Bakgrund
Tekniken har utvecklats inom EU-projektet ENABLEH2 och projektet PATH som finansierades av Chalmers styrkeområde Transport. Projekten pågick mellan 2018-2022, och då konstruerades den infrastruktur som sedan använts för att testa nya motorkomponenter och göra simuleringar. Inom Chalmers centrum Tech for H2 pågår forskning för att ytterligare utveckla tekniken.
Kontaktpersoner
Alexandre Capitao Patrao, tidigare postdoktor på Mekanik och maritima vetenskaper, nu Senior Aerodynamics Engineer på GKN Aerospace Engine Systems.
alexandre.capitaoopatrao@gknaerospace.com
Telefon: +46 700 87 30 96
Carlos Xisto, docent, avdelningen för strömningslära, Mekanik och Maritima vetenskaper
carlos.xisto@chalmers.se
Telefon: 031-772 14 58
Isak Jonsson, forskare, avdelningen för strömningslära, Mekanik och Maritima vetenskaper
isak.jonsson@chalmers.se
Telefon: 031-772 50 79
Tomas Grönstedt, professor, avdelningen för strömningslära, Mekanik och Maritima vetenskaper, föreståndare för Tech for H2
tomas.gronstedt@chalmers.se
Telefon: 031-772 14 55
