水素推進: その利点と課題
地球温暖化対策として、航空宇宙産業は代替推進システムを模索しています。サステイナブル航空シリーズ第3弾では、水素推進とは何か、この新しい技術を取り巻く利点と課題についての情報をお届けします。
- 本ブログシリーズのパート1では、ハイブリッド推進システムを搭載した航空機の燃料の節約と、飛行距離を増加させるためのモデリングとシミュレーションに焦点を当てています。
- 本ブログシリーズのパート2では、当社のエキスパートが注目する航空機技術の進歩とその動向、そして他のソリューションが将来的に実現する可能性が高い理由を説明しています。
水素推進とは何か？
現在、航空機の推進に使用されている従来の燃料は、その一部が炭素分子で構成されているため、燃焼時、大気中に二酸化炭素を放出し、地球温暖化の一因となっています。 そこで、飛行中に排出される二酸化炭素（CO2）をゼロにし、燃料電池で発電してプロペラを動かす技術、水素推進をご紹介します。燃料電池にはいくつかの種類がありますが、代表的なものは以下の通りです：
- 固体高分子形燃料電池PEMFC)
- 固体酸化物（SOFC)
どちらの技術も、燃料は通常水素で、酸化剤（多くは酸素）との化学反応によって電気を発生させ、水素を主に水に変換します。固体高分子形燃料電池では、膜が水素のプロトンを酸素に向かって通過させ、膜に阻まれた電子は電気回路を通して方向転換されます。そのため、回路に直流電流が流れます。水素のプロトンが酸素に反応し、ほとんどが水になります。水素推進システムでは、生成された電力は通常、プロペラを回転させる電動機に直接使用されるか、バッテリに蓄えられ、後で使用されます。
本ブログでは、航空機の設計に水素推進を組み込むべき理由と、その過程で直面することになるであろう課題について説明します。
水素推進のメリット
航空機の燃料としての水素の利点は、たくさんあります：
1. 軽量
2. CO2を発生させない
3. 必要な場所で発生させることができる
4. 給油時間が短い
軽量
水素のエネルギー密度は、ジェット燃料の約3倍です。つまり、同じエネルギー量であれば、水素はジェット燃料よりも3倍軽く航空機に搭載して輸送できることになります。これは、現在の技術パイプラインにあるいくつかのコンセプト、すなわち電気自動車やハイブリッド自動車との顕著な違いです。代替エネルギー源の限定的な使用が利益をもたらすデザインや運用コンセプトを探すのではなく、本来は「大きく考える」ことができるのです（ジェット燃料と比較して、同じエネルギー量に対して燃料質量が理論上3倍向上しているため）。
Co2 排出量の減少
水素推進が使われる背景を語るとき、大きく分けて2つの使用例があります：
1. 水素航空エンジン：航空燃料を水素で代用し、その結果、水素を燃焼させます。水素を燃焼させるため、二酸化炭素は発生しません。
2. 水素燃料電池： 水素を使用した燃料電池は電動機を駆動し、航空機のプロペラやファンを動かします。このようなシステムでは、燃料電池から電気と水が発生することになります。
どちらも二酸化炭素の発生はなく、温室効果ガスの排出量を大幅に改善することができます。
必要な時に必要な分だけ
石油を採掘する場所が少なく、入手が困難で、精製も複雑なジェット燃料に対し、水素は水と電気と電解槽があればどこでも作ることができます。また、消費地の近くで水素を発生させることができるため、長距離の輸送は不要です。
燃料補給の時間
前回のブログ記事で紹介したように、航空機の持続可能性を向上させるための代替案として、バッテリを使用することが考えられます。大型バッテリパックの充電時間は、通常、水素タンクへの燃料補給よりも長いです。さらに、交換可能なタンクは、水素の分配と補給のための実行可能なソリューションであることがすでに証明されている。例えば、ユニバーサル・ハイドロゲン社は、ATR航空機に水素モジュールを搭載し、航空機に液体水素を貯蔵し、運用上の必要性に応じて素早く交換できることを実証しています。
水素推進への挑戦
水素に関連する課題:
1. クリーンな生産
2. 貯蔵
3. タンク
4. 容積の占める割合
5. 飛行機雲
クリーンな生産
世界で最も身近な原子とはいえ、水素を精製するのは容易なことではなく、水素を発生させるためのプロセスには電力が必要です。この電力は、持続可能であるために再生可能エネルギーでなければなりません。
また、水素を発生させるプロセスの効率は40％程度と、それなりに低いのです。つまり、消費される水素の2.5倍の再生可能エネルギーが必要で、現在の再生可能エネルギーの生産量は、航空宇宙産業が消費する水素を生成する規模には達していません。
貯蔵
それに伴い、第二の課題として「貯蔵」があります。水素は地球上で最も小さな分子であるため、タンクに封入することはほとんど不可能です。文字通りタンクの構造から漏れるか、低温で沸騰して漏れるかは、ほぼ必然的に起こります。そのため、航空会社は空港の近くで水素を製造し、短時間で使用することで、輸送を回避しようと考えています。
インテグラルタンク
貯蔵には、漏れの可能性だけでなく、タンクが必要なことも課題です。現在の航空機はインテグラルタンクといって、通常の航空機構造の空洞を利用してタンクを形成しています。ポンプやバルブなどの機器や特殊なコーティングが必要ですが、燃料の量に対して質量が小さいのが特徴です。しかし、水素タンクはそうではありません。水素タンクの設計の良し悪しは、一般的に重量効率（タンクと貯蔵水素の総質量に対するタンク内に貯蔵される水素の質量）で測られます。例えば、重量効率が33％を超えるタンクは、燃料とその貯蔵物の合計質量がジェット燃料よりも小さくなることを意味します。しかし、ジェット燃料と比較して、同じエネルギー量に対する燃料質量の理論上の3倍向上には達しません。33%で、両者の質量は同等になります。
必要なスペースの大きさ
水素のエネルギー密度が低いのと同様に、体積エネルギー密度も高いのです。与えられたエネルギー量に対して、水素は周囲条件でジェット燃料の少なくとも3倍の体積を占めることになります。この問題に取り組むため、2つの主要な流れが研究されています：
- 液化：液体水素は非常に低い温度（～ー250℃）を必要とし、それに伴う低温管理、機械的な微分膨張、相変化などの制約があります。
- 圧縮： この場合、700bar（10,000psi）の規模の圧力をかける必要があり、液漏れが多くなり、機械部品の寿命が短くなります。そのため、水素分子が材料に浸透し、耐久性に影響を与えます。いわゆるジュール・トンプソン効果により、漏れを伴う加熱がさらに懸念されます。
飛行機雲
最後に、水素を動力源とする航空機であっても、排気ガスについては無視できません。水素を燃やしても二酸化炭素（CO2）は排出されませんが、飛行機雲や窒素酸化物（NOx）は気になるところです。飛行機雲は、ジェットエンジンから排出される水蒸気によって発生します。水素エンジン搭載機の排気ガスに含まれる水蒸気の量は多くなるため、その影響については慎重に検討する必要があります。また、飛行機雲は特定の条件下でしか発生しませんが、これは課題であると同時にチャンスでもあります。窒素酸化物もまた、場所に依存するいくつかのメカニズムを通じて気候変動に寄与しますが、関連する条件を回避することははるかに難しいかもしれません。さらに、窒素酸化物の生成量は、最新のガスタービンの設計に伴い、通常は増加しています。実際、熱効率の向上による燃料消費量の削減は、これまで窒素酸化物生成量の増加という代償を払って達成されてきました。このような課題は、「燃料燃焼パラドックス」と呼ばれることもあり、もはや通用するものではありません。水素を燃料とする航空機の場合、水素を燃焼させる航空エンジンの熱効率を意図的に下げることで、残存する排出ガスを減らすことが考えられます。この窒素酸化物の排出が、先に紹介した水素燃料電池のコンセプトを支持する主な理由です。これは最もクリーンなコンセプトであり、窒素酸化物（水蒸気のみ）を一切排出しません。
システムシミュレーションでサステナビリティの課題を解決
これらの課題があっても、航空機メーカーが航空の持続可能性を高めるための努力を止めることはないでしょう。同時に、緊急に必要とされる研究で考慮すべき側面の数は多く、高度なマルチドメインシステムシミュレーション技術なしでは対応が難しいのが現状です。
モデロンは、Modelon Impactと、多くの物理ドメインとアプリケーションを搭載したライブラﾘを使って、航空宇宙関連の企業の目標を達成するためのサポートをしています。異なるアーキテクチャを並行して研究したり、極低温の貯蔵、分配、推進を研究したり、これらすべてを1つのツールで行うことで、より良いトレードオフが可能になります。さらに、弊社の航空宇宙インダストリーソリューションは、新しく希望するモデルやバリエーションを展開することで、お客様が少ない労力で最高の技術的ソリューションを設計することに集中できるようサポートします。
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