Introduzione
Le celle a combustibile sono un fattore importante nell'attuale panorama del sistema energetico con un impatto significativo sulla base tecnologica e sulla crescita economica. Le spedizioni globali di sistemi a celle a combustibile hanno registrato un aumento del 10% nel 2020, per un totale di 1.3 GW. Il settore dei trasporti continua a guidare con una crescita del 25% sul numero di unità spedite a livello globale.
Gli ultimi anni hanno visto il lancio di numerosi progetti volti allo sviluppo di sistemi a celle a combustibile per centrali aeronautiche. In questo contesto, l'efficace integrazione dei componenti delle turbomacchine è fondamentale per guidare le prestazioni complessive e la fattibilità economica di questa tecnologia. Questi aspetti sono l'argomento di questo blog.
Tecnologia a celle a combustibile
Le celle a combustibile sono dispositivi che convertono l'energia chimica di un combustibile direttamente in elettricità mediante reazioni elettrochimiche. Un elemento a cella a combustibile ha una coppia di elettrodi (anodo e catodo) abbinati separati da un elettrolita. Agli elettrodi viene fornito un flusso appropriato di combustibile (es. idrogeno) e ossidante (spesso ossigeno): la reazione risultante produce elettricità e acqua più una quantità di calore. La semplicità di questo processo è mostrata nella Figura 1.
I vantaggi sono molti: efficienza, affidabilità, silenziosità e compattezza, il tutto implementando una soluzione ecologicamente progressiva. Anche il potenziale applicativo è molto diversificato, a volte in ambiti molto critici.
Già nel 1965-66 il Gemini le capsule spaziali con equipaggio (Figura 2) includevano celle a combustibile dotate di una "membrana a scambio protonico", un sottile foglio polimerico permeabile rivestito con un catalizzatore al platino che facilitava la reazione combustibile-ossidante.
Nel 2008, Boeing ha testato in volo un modificato Diamante DA20 aeroplano leggero alimentato da una singola cella a combustibile a membrana a scambio protonico per 20 minuti (Figura 3).
A partire dal 2021, diverse società sono attive nel campo delle celle a combustibile alimentate a idrogeno per l'aviazione.
Sistemi a celle a combustibile e turbocompressori: requisiti e tendenze
Un elemento a cella a combustibile è integrato in qualsiasi sistema che gestisce il flusso di carburante e un ossidante (Figura 4). Un turbocompressore viene utilizzato per fornire un flusso appropriato di aria pressurizzata alla cella e per supportare il raffreddamento delle parti.
Ed ecco come le celle a combustibile e i turbocompressori si uniscono finalmente nelle applicazioni.
Per le applicazioni di propulsione dell'aviazione, un sistema di turbocompressore fornisce il peso, le dimensioni e l'efficienza ideali rispetto ad altre soluzioni. Inoltre, le tecnologie collaudate impiegate nella progettazione e produzione di queste unità supportano elevati livelli di affidabilità.
Tipici sistemi attualmente implementati in dimostrazioni o prototipi includono stadi centrifughi che garantiscono elevate prestazioni per le portate massiche (spesso inferiori a 0,1 kg/s) e le velocità di rotazione (fino a 8,0000 rpm) che caratterizzano questi sistemi. L'Aeristech AeS801A, ad esempio, è un'unità raffreddata ad aria da 2.5 kW con un peso inferiore a 2.6 kg con un rapporto di pressione di 1,6. Il suo rotore è dotato di cuscinetti volventi in un involucro sigillato ingrassato a vita.
I requisiti dell'aviazione includono sollecitazioni meccaniche (urti, vibrazioni) e conformità ad ampi intervalli di temperatura e pressione ambientale. Il turbocompressore deve essere in grado di gestire un involucro operativo impegnativo (Figura 6) fornendo le condizioni di flusso prescritte alla cella a combustibile. La pressione di scarico attualmente considerata per i sistemi all'avanguardia è dell'ordine di 3 bar per consentire una progettazione ottimale delle celle a combustibile. La temperatura di mandata può essere soggetta a vincoli in base alla temperatura della cella a combustibile e alla necessità di evitare la formazione di condensa all'interno del dispositivo. Per un'unità a membrana a scambio protonico, la temperatura operativa può arrivare fino a 180°C.
Poiché le condizioni operative dell'aeromobile cambiano durante il volo, il turbocompressore deve gestire una grande variazione del rapporto di pressione e del flusso volumetrico in ingresso. Ciò può essere ottenuto mediante una velocità del compressore variabile. Sono stati presi in considerazione anche i sistemi di compressione dotati di due unità parallele che funzionano contemporaneamente, però, solo in condizione di crociera.
Anche una rapida risposta transitoria del sistema di compressione può essere un requisito per le centrali aeronautiche. Il comportamento dinamico del sistema può essere notevolmente migliorato mediante la corretta selezione di materiali leggeri del rotore, la riprogettazione delle parti rotanti per un momento di inerzia minimo, la selezione dei cuscinetti e la configurazione del sistema di canalizzazione dell'aria. L'Aeristech AeS801A mostrato sopra è citato con una risposta transitoria inferiore a 0.28 s.
Anche la contaminazione dell'aria deve essere evitata per evitare danni alla membrana. I requisiti tipici delle celle a combustibile specificano un contenuto di olio inferiore a 100 ppm. Il progetto può quindi includere cuscinetti ad aria e altre soluzioni progettuali specifiche per garantire la qualità dell'aria. Il compressore deve essere in grado di fornire un flusso d'aria costante e privo di pulsazioni attraverso l'intero involucro operativo poiché un'eccessiva differenza di pressione attraverso la membrana può causare danni.
In generale, un sistema turbocompressore ha la capacità di soddisfare tutti questi requisiti in modo ottimale, grazie principalmente alla maturità tecnologica acquisita dalla progettazione dei motori aeronautici e dai campi correlati.
Ulteriori sviluppi e sfide: ruolo dei turbocompressori
Con questi vantaggi, ci si potrebbe chiedere: "Cosa impedisce alle compagnie aeree di passare a questo approccio in questo momento?" La risposta richiede di esaminare l'intero propulsore a celle a combustibile, di cui il compressore è solo un sottocomponente.
Sebbene l'approccio tecnologico globale per i piccoli velivoli possa essere considerato comprovato, è ancora necessario un notevole sviluppo per un'efficace integrazione su grandi piattaforme commerciali. La Figura 7 mostra un confronto tra la potenza specifica e la densità di potenza per diversi sistemi di generazione. Come si può vedere, le celle a combustibile a membrana a scambio protonico non sono ancora all'altezza delle prestazioni degli odierni motori a combustione.
È generalmente riconosciuto che colmare il divario nella potenza specifica sarà un fattore chiave per l'implementazione delle celle a combustibile nei grandi aerei. Si prevede che i requisiti futuri aumenteranno la potenza specifica fino a 2 kW/kg per l'aviazione passeggeri/commerciale su larga scala e guideranno il relativo sviluppo di sistemi avanzati.
Per raggiungere questi obiettivi impegnativi, la progettazione delle celle a combustibile dovrà essere fortemente ottimizzata per le applicazioni aeronautiche, compreso possibilmente lo sviluppo di unità raffreddate a liquido con un buon equilibrio tra peso, costo e durata.
Il sistema del turbocompressore ha un ruolo molto importante da svolgere in questo contesto. Si prevede che lo sviluppo di design leggeri e ad alta pressione, strettamente abbinati alla tecnologia e alle operazioni delle celle a combustibile, sarà un fattore chiave nella spinta verso una migliore potenza specifica. Alla luce di queste osservazioni, le applicazioni aeronautiche saranno soddisfatte al meglio da apparecchiature turbo-macchine altamente personalizzate e dalle prestazioni avanzate.
Conclusione
Le attuali previsioni prevedono che l'aviazione potrebbe produrre fino al 24% delle emissioni globali di CO2 entro il 2050. La tecnologia delle celle a combustibile a idrogeno ha il potenziale per fornire soluzioni "vero zero", in altri termini ridurre tutte le emissioni lorde a zero. L'agenda ambientale sta quindi dando un nuovo impulso allo sviluppo di questi sistemi, come possiamo vedere dal numero crescente di progetti. Molti giocatori stanno attualmente lavorando su soluzioni di propulsori per piccoli velivoli. Le applicazioni di propulsione su larga scala richiederanno sistemi in grado di migliorare significativamente la potenza specifica, dettando la necessità di tecnologie avanzate.
In questo panorama, i turbocompressori personalizzati ad alte prestazioni saranno un fattore determinante. La sfida progettuale per tali unità richiederà un attento equilibrio tra prestazioni, peso e conformità ai requisiti operativi. La disponibilità di strumenti software caratterizzati da una forte capacità di ottimizzazione e da una rapida evoluzione sarà la chiave per tali progetti. Per ulteriori informazioni su come SoftInWay può aiutarti a ottenere il massimo dal tuo sistema di celle a combustibile, controlla il Piattaforma AxSTREAM oppure richiedi una prova qui Link.
Riferimenti
- Osservatorio sulle celle a combustibile e sull'idrogeno – Capitolo 1 Tecnologia e mercato. Link
- "Celle a combustibile a idrogeno, spiegate", Airbus, 15/10/2020 Link
- "Cella a combustibile: definizione, tipi, applicazioni e fatti, Britannica Link
- Smithsonian National Space and Air Museum, Fuel Cell, Gemelli Link
- "Gestione dell'aria nelle celle a combustibile PEM: stato dell'arte e prospettive" Benjamin Blunier Link
- "Boeing vola con il primo test di un aereo a celle a combustibile", Popular Mechanics, 2009 Link
- "Sfida energetica degli aeromobili a energia a celle a combustibile, 2007, Link
- Celle a combustibile in applicazioni aeronautiche. Necessità di Balance of Plant dedicato, F. Boudjemaa, 2015, Link
- “Valutazione delle prestazioni di sistemi a celle a combustibile PEM turbocompressi per la produzione di energia a bordo di aeromobili civili”, S. Campanari, G. Manzolini, A. Beretti, U.Wollraub, 2008, Link
- "La tecnologia delle celle a combustibile per aeromobili più grandi potrebbe ridurre le emissioni", K. Reichmann, 2021, Link
- "L'idrogeno un futuro carburante per l'aviazione?", Roland Berger, 2020, Link
