水素燃焼と水素燃料電池：選択肢の比較
航空は、現代世界が機能するためになくてはならないものです。そのため、航空機の二酸化炭素排出量がここ数十年、鉄道、道路、海運よりも急速に増加しているのは驚くに当たらないでしょう。例えば、2019年には、国内および国際航空が 英国のCO2換算排出量の 約8％を占めています。英国の航空宇宙技術研究所（ATI）によると、英国の航空部門は現在、2050年までに英国のCO2排出量のおよそ39％を占めるようになる見通しです。 2050年は、多くの国が航空関連の排出量を正味ゼロにするために設定した期限でもあるため、これは憂慮すべきことでしょう。
2021年初頭、FlyZero（ATIによって結成された、英国の航空宇宙産業界の専門家からなる独立グループ）は、化石燃料に代わる選択肢を見つけるという任務を託されました。アンモニア、水素燃焼、水素燃料電池、バッテリー電気など、さまざまな選択肢が検討されました。
「排出ガスの観点からは、バッテリーがより良い解決策です。」と、FlyZeroの航空機統合担当チーフ・エンジニア、David Debney氏は述べます。続けて、「しかし、現在のところ、バッテリーで得られるパワーとエネルギーの量が限られているため、この技術がすぐに民間航空機に搭載されることはありません」。
FlyZeroは、最終的に水素（特に “グリーン “な極低温水素）にたどり着きました。彼らは、乗客定員と航続距離に関して従来の航空会社の用途を満たすいくつかの航空機コンセプトを開発しました。
しかし、実行可能な解決策を特定することは最初の一歩に過ぎません。水素は、燃料電池電気自動車または内燃エンジン自動車と同様に、航空業界に2つの有望な道を提供しますが、それぞれに問題があります。
水素燃焼と水素燃料電池の比較
Michael Sielemannは、モデロンの航空宇宙インダストリー・ディレクターです。当社は、航空宇宙、自動車、エネルギー、および学術分野におけるモデリングおよびシミュレーション・ソリューションの業界をリードする企業です。航空機にとって最も有望な水素技術は何かという質問に対し、Sielemannは次のように明快に答えました。
「話をする相手にもよりますね。実績のある航空機メーカーを例にとれば、今後10年から15年のことを考えると、彼らはガスタービンの使用を好むでしょう。つまり、水素を燃やす内燃エンジンです。燃料電池を使った新しい旅客機は20年後くらいにゆっくりと段階的に導入されるでしょう」。
「燃料電池のアプローチは非常に説得力があると思います」とSielemannは語ります。この1年で、水素燃料電池の可能性を示す説得力のあるデモンストレーションを数多く見ただけでなく、気候変動への対応という点でも、燃料電池は非常に完全なソリューションです。燃料電池は、亜酸化窒素（NOx）や問題となる量の水蒸気に置き換えることなく、炭素排出をなくします。(どちらも現在の水素燃焼ソリューションの問題点です）
「燃料電池の使用はより難しい」とSielemannは認めています。そこで多くの航空機メーカー、サプライヤー、新興企業は、マルチフィデリティモデルやシミュレーションベースの設計を利用して、あるアプローチの実現可能性を迅速に検証しています。
持続可能性と機能性を考慮した選択肢
燃料電池は、他の燃料源に比べてエネルギー密度が比較的低いという制限があることはよく知られています。
「今現在、燃料電池を使用する場合、航空機の大きさはどの程度まで可能かについて多くの議論があります。人々は、誰に尋ねるか、そして彼らの意図に基づいて、おそらく100人、150人、200人乗りのあるサイズまでうまくいくだろうと考えています」とSielemannは述べます。
しかし、熱管理など他の課題もあります。
Sielemannによれば、「ガスタービンを使っている場合、ガスタービンにはとにかく多くの空気が通っています。だから、エンジンが発生する余分な熱が推力に変換されない場合、空気がそれを奪いますが、問題ありません。しかし、燃料電池にはこのような大きな空気の流れがありません。そのため、熱をどのように扱うかについて、しっかりと決める必要があります」。
Modelon Impact（モデロンの クラウドネイティブ・シミュレーション・モデリング＆コラボレーション・プラットフォーム）は、すでに航空機エンジニアの設計プロセスを合理化し、可能性のある解決策を繰り返し検討して、最も有望な選択肢を見出すために役立っています。
Sielemannは、「私の見解では、これは非常にエキサイティングなことです。確かに、航空用の燃料電池技術には課題があります。しかし、エンジニアリングの面では、これはかなり説得力のあるものに近づいています。もちろん、まだ取り組むべきことはありますが、炭素排出削減のスケジュールを考えると、これらの解決策を見つけるために迅速に取り組まなければ……それは世界にとって厳しいものになるでしょう」と締め括りました。
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