2024年の航空機の水素貯蔵におけるイノベーションを予測
2023年には、持続可能な航空燃料としての水素利用が大きく前進しました。これには、ZeroAvia社、Universal Hydrogen社による水素を燃料とする燃料電池飛行機の試験飛行の成功が含まれており、特にH2FLY社は、液体水素を燃料とする電気航空機のパイロット飛行を世界で初めて達成しました。この画期的な出来事は、持続可能な航空業界を目指す旅路において、極めて重要な瞬間であり、業界に革命をもたらす水素ベースの技術の計り知れない可能性を証明しました。
多くの点で、水素は飛行に適しています。水素は軽くてエネルギー密度が高く、単位質量あたりのエネルギー貯蔵量はジェット燃料の約3倍です。さらに重要なのは、水素燃料電池は技術的に炭素を排出しません。業界をリードするすべての企業がそれを目指しているように、再生可能エネルギーで製造されたグリーン水素を調達することで、これらのフライトは真のカーボンフリーとなります。
航空業界が脱炭素の未来に向けた進展を加速させようとする中、様々な課題が残されています。
モデロンの航空宇宙産業ディレクターであるMichael Sielemannは、2024年の航空機水素貯蔵の進歩を効率化する3つの重要な設計とエンジニアリングの機会を見込んでいます。
1：重量効率： 重量と体積のバランス
飛行機を頻繁に利用する人なら誰でも知っているように、航空機内のスペースは限られています。現状では、水素貯蔵システムはスペースを取りすぎています。
例えば、Universal Hydrogen社がDe Havilland Dash 8-300ターボプロップ機を改造した機体（3月に15分間のテスト飛行に成功）は、圧縮したガス状水素を燃料とする燃料電池で水素電気パワートレインを作動させます。残念なことに、この飛行機は水素貯蔵タンクのスペースを確保するために、56席ある座席のうちほぼ3分の1に当たる16席を犠牲にしなければなりません。この妥協点を考慮しても、航続距離はわずか400海里であり、化石燃料を使用する標準的なDe Havilland Dash 8-300ターボプロップ機の航続距離のおよそ20％です。
Sielemannは、「問題は、タンクが非常に大きな圧力を必要とし、それを支える構造が必要だということです。つまり、タンクが非常に重くなるということです。水素はまだ軽いですが、タンクは信じられないほどの重さになります。あなたが持ち歩いている水素の質量の100倍はあるかもしれません。」と述べます。
タンクの重量はさらなる荷重を生み、周囲の構造物にストレスを与え、さらに構造補強を必要とします。重量効率のトレードオフは悪循環となり、結果的に飛行機は重くなり、航続距離は短くなり、搭乗者は減ってしまいます。
2023年の3つの水素燃料のデモフライトのうち、ZeroAvia社、Universal Hydrogen社は、いずれも圧縮気体水素を使って約15分間飛行しました。一方、H2FLY社の改良型ピピストレル双胴機タウルス4Gは、極低温液体水素を使って3時間以上飛行しました。
これらのユニットには大きな違いがあります。 ZeroAvia社は19人乗り、Universal Hydrogen社は40人乗り、H2FLY社は空気力学的に非常に効率的なグライダーです。H2FLY社は、液体水素を燃料とするピピストレル・タウルス4Gと気体水素を燃料とするタウルス4Gの性能を比較し、液体水素の貯蔵により航続距離が2倍になると推定しています。
2: 断熱材の改善
航空燃料としての極低温水素が期待されているため、断熱は重要な設計分野となっています。
Sielemannは、「多くの場合、人々は真空断熱がベストだと思い込んでいます。高品質な旅行用コーヒーマグを所有したことのある人なら誰でもわかると思いますが、それは理にかなっています。」と述べます。しかしSielemannは、モデロンのシミュレーションモデリングを使い、水素エンジニアや設計チームをサポートした際、逆の経験をしています。
「直感的に、真空断熱は素晴らしいと思います。真空断熱の特徴は、断熱材の熱伝導率が良いことです。しかし、構造シェル間の空洞がある一方、座屈に耐えるだけの強度を持つ外殻も必要です。外殻を支える構造はかなり重くなります。」とSielemannは話します。
これは、気体水素の性能を悪くしたのと同じ、重量効率のトレードオフを生みます。
「シミュレーションでは、極低温水素の断熱材として発泡体の方がはるかに優れているケースをたくさん見てきました。退屈に聞こえるかもしれませんが： 私のおしゃれな極低温水素タンクの断熱に発泡スチロールを使うなんて。SFの世界では、発泡スチロールで断熱するよりももっと興味深いことがあるに違いない！しかし結局のところ、真空断熱材は発泡スチロールベースの断熱材には勝てないことが多いのです。」
3: 燃料補給時間の短縮
Sielemannによれば、高圧圧縮されたガス状水素を使用するシステムであれ、液体水素を使用するシステムであれ、燃料補給時間は課題です。特定の重量効率ベンチマークを満たしながら、必要な断熱材を使って特定の圧力に耐えるタンクを作るだけでは十分ではありません。
エンジニアリング・チームは、タンクを効率的に充填するための具体的な戦略をもって作成しなければなりません。
「タンクを設計する場合、理屈の上ではこれくらいの大きさが必要で、これくらいの断熱材が必要だ、というだけではだめなのです。」とSielemannは指摘します。そして続けて、「どのように充填するかということも考えなければなりません。化石燃料の場合、飛行機にホースを差し込み、タンクにジェット燃料を注入しますが、水素ではそうはいきません。」と述べます。
極低温水素のタンクを考えてみましょう。常温で充填を始めると、熱い台所のフライパンに冷たい水を注ぐのと同じで、水素はタンクにぶつかり、蒸気に変わります。蒸気は入ってくる液体水素の下に閉じ込められ、表面から液体を効果的に遮断し、新しく入ってくる液体の蒸発を継続します。
Sielemannは、「戦略なしに液体水素をタンクに充填することはできません。注入された液体水素は非常に急激に蒸発し、圧力を上げます。燃料補給の終わりには、タンク内はほとんど蒸気になり、液体水素は5％程度になるでしょう。これでは、必要なところに到達することはできません。」と述べます。
また、Sielemannは、現在の設計と戦略では、水素を燃料とする航空機への燃料補給は従来の2倍の時間がかかると見積もっています。これは、近代的な航空旅行や物流への適用にとって問題となります。
「モデロンが今、モデル作成の依頼を受けている際に目にする問題の多くは、水素の消費とタンクへ効率的に補給する方法に関するものです。」とSielemannは説明します。
航空産業における水素燃料の前進
モデロンは航空エンジニアと協力して、水素燃料システムを可能な限り効率的に開発し続けています。包括的な物理学ベースのモデルを採用することで、水素の貯蔵、抽出、分配に関するより正確なデータを提供し、より効率的で低コストのソリューションを航空市場に迅速にもたらします。
世界中の滑走路に水素を利用したフライトを実現するために、私たちの専門家にご相談ください。
