Raczkowanie zielonego lotnictwa
Jaka będzie przyszłość transportu lotniczego? Jedno jest pewne – samoloty, które dziś znamy, kiedyś odlecą do lamusa. Technologia będzie musiała się zmienić, by nadążyć za zmianami na świecie i rosnącym dostrzeganiem potrzeby dbania o środowisko. O ile jednak elektryczne samochody stają się coraz popularniejsze i coraz lepsze, o tyle w przypadku lotnictwa „zielone” technologie dopiero raczkują. Jeszcze nie wiadomo, czy kiedyś doczekamy się samolotów elektrycznych, czy może wygra któreś z innych rozwiązań. Każde z nich ma swoje zalety i wady. Swoich zwolenników ma np. stosowanie paliw syntetycznych – ze względu na ich dostępność i koszt, technologia rozwija się jednak powoli.
Jedną z bardzo ważnych propozycji jest stosowanie w samolotach przyszłości wodorowych ogniw paliwowych. To podobna technologia, jak ta, którą znamy z samochodów w rodzaju Toyoty Mirai czy Hyundaia Nexo.
Ogniwa wodorowe w motoryzacji
Jak taka technologia działa w przypadku samochodów? Auto jeździ dzięki obecności silnika elektrycznego. Nie trzeba jednak, oczywiście, ładować akumulatorów. Auto jest bowiem czymś na kształt elektrowni na kołach – czyli wytwarza prąd samodzielnie. Dzieje się to za sprawą ogniw paliwowych, generujących prąd dzięki procesowi odwróconej elektrolizy wody. Wodór, zatankowany uprzednio do zbiorników, trafia do ogniw paliwowych, w których jony wodoru łączą się z tlenem. Przepływ elektronów tworzy energię elektryczną ładującą akumulator – a z akumulatora prąd trafia do silnika. Jedyna substancja emitowana przez takie auto to woda. Jeździ ono więc bezemisyjnie.
Swoje projekty w dziedzinie wodoru już przeszło dwie dekady temu prowadziły np. BMW czy Opel. Obecnie w Polsce można kupić wspomniane dwa modele – Toyotę Mirai i Hyundaia Nexo. Na innych rynkach można spotkać np. Hondę CR-V FCEV czy BMW iX5 Hydrogen, a swoje badania prowadzą także producenci chińscy, np. GAC.
W Polsce obecnie można znaleźć trzy ogólnodostępne stacje tankowania wodoru – w Rybniku, Warszawie i w Poznaniu. W planach są kolejne. Swoje testy wodorowych autobusów (tankowanych na tymczasowych, przenośnych stacjach) prowadzą liczne polskie miasta.
Ogniwa wodorowe w lotnictwie
W lotnictwie technologia wodorowych ogniw paliwowych ujawnia nowe mocne strony – trudno bowiem wyobrazić sobie, by samolot po każdym locie przez wiele godzin stał podłączony do ładowarki, poza tym akumulatory zapewniające odpowiedni zasięg byłyby bardzo ciężkie, co ograniczałoby np. ładowność niewielkich samolotów transportowych. Tankowanie ma więcej sensu, a przy okazji wodorowe samoloty są ciche, co nabiera znaczenia w obliczu coraz częstszych protestów mieszkańców okolic lotnisk. Nadal tę technologię trzeba dopracować pod kątem efektywności, zasięgu, a przede wszystkim – ponownie – kosztów.
Czy wodorowe samoloty w ogóle są w planach? Owszem – badania w tym temacie prowadzi wiele firm, od niewielkich startupów po znane od lat korporacje. Brazylijski Embraer w 2022 r. pokazał koncepcje samolotów hybrydowych i wodorowych. Mają być gotowe do 2035 roku. Zasięg ma wynosić 370 km.
Również w 2035 roku mają zacząć latać samoloty wodorowe firmy Airbus. W 2020 r. europejski producent zaprezentował w ramach projektu ZeroE trzy prototypy samolotów: turbośmigłowy mieszczący 100 osób, odrzutowiec na 120-200 osób i “latające skrzydło” przypominające literę V na 200 pasażerów.
W kwietniu 2023 roku amerykańska firma Universal Hydrogen przeprowadziła lot testowy zmodyfikowanego Dasha 8-300 przystosowanego do zasilania wodorowymi ogniwami paliwowymi. W konwencjonalnej wersji taka maszyna zabiera 56 pasażerów. Testowy egzemplarz miał zbiorniki na wodór przypominające kontenery cargo (dzięki temu mają być łatwe w montażu i przewożeniu), umieszczone wewnątrz maszyny.
Warto zwrócić uwagę także na technologie wykorzystywania kriogenicznego wodoru ciekłego zamiast wodoru w stanie gazowym, dzięki czemu można osiągnąć wyższą gęstość energii i co za tym idzie, lepszą wydajność. Po drodze technologia napotyka jednak liczne problemy – dostępna infrastruktura musi umożliwiać montaż systemów magazynowania wodoru i ich wentylowanie, budowę sieci przesyłowych oraz stworzenie systemów tankowania w ośrodkach badawczych i na lotniskach.
Projekty z tym związane są prowadzone w ramach spółki H2FLY, działającej w ramach finansowania z Unii Europejskiej. Zaangażowane są tu np. Air Liquide Advanced Technologies (firma stworzyła zbiornik ciekłego wodoru, wraz z niezbędnymi urządzeniami na potrzeby tankowania samolotów w oparciu o wymagania opracowane przez zespół spółki H2FLY) czy Pipistrel Vertical Solutions, realizująca instalację zbiornika ciekłego wodoru w samolocie testowym, przeprowadzając konieczne modyfikacje płatowca i testy bezpieczeństwa strukturalnego.
W ramach H2FLY przeprowadzono siedem lotów testowych samolotem HY4, wykorzystując wodór w stanie gazowym w czasie trzech z nich. W przypadku pozostałych czterech paliwem był ciekły wodór, a zespołowi udało się wykazać, że jego zastosowanie może podwoić maksymalny zasięg samolotu HY4 z 750 do 1 500 kilometrów. Czas lotu wyniósł trzy godziny.
Hydroplane – przyszłość lotnictwa?
Tworzeniem bezemisyjnej przyszłości lotnictwa zajmuje się także firma Hydroplane. To startup z Los Angeles, który odpowiada za budowę prototypowego samolotu Protium. Jej celem jest dekarbonizacja lotnictwa, a dokładniej – dostarczenie napędu wodorowego o znacznie niższych kosztach eksploatacji niż te oferowane przez obecne silniki tłokowe.
Pracujący w Hydroplane zespół naukowców i inżynierów buduje zespół 200-kilowatowej elektrowni wodorowych ogniw paliwowych. Protium ma pokonać 1000 km z prędkością przelotową 200 km/h. Pomieści cztery osoby.
„W 2018 roku emisja CO2 sektora lotniczego wyniosła 1,04 mld ton – i od 2010 roku wzrasta o 4% rocznie. Wpływ zmiany globalnych podróży lotniczych na energię wodorową wyniesie > 50 miliardów ton redukcji CO2 do 2050 roku, jeśli rynek zostanie w pełni dostosowany do proponowanej przez nas technologii” – pisze firma Hydroplane na swojej stronie.
Pierwsze wodorowe ogniwo paliwowe Hydroplane zostało wyprodukowane w ciągu zaledwie 18 miesięcy. Firma otrzymała liczne nagrody – m.in. Minority Emerging Technology and Industries Firm of the Year przyznawana przez amerykański Departament Handlu.
Założycielką i dyrektorką generalną Hydroplane jest dr Anita Sengupta. W swojej karierze zawodowej była już m.in. projektantką satelitów komunikacyjnych w Boeing Space and Communications, inżynierem NASA i pilotem komercyjnym. Ukończyła inżynierię lotniczą na Uniwersytecie Południowej Kalifornii, ma na koncie m.in. projekty kluczowe dla rozwoju spadochronu, dzięki któremu łazik Curiosity wylądował na Marsie, a także Cold Atom Laboratory na pokładzie Międzynarodowej Stacji Kosmicznej. Następnie przeszła do Virgin Hyperloop jako starszy wiceprezes ds. inżynierii systemów. Później spędziła kilka lat w sektorze lotnictwa bateryjnego – i w ten sposób przekonała się, że akumulatory nie nadają się do samolotów. Była także profesorem w dziedzinie inżynierii astronautycznej. Na Uniwersytecie Południowej Kalifornii prowadzi kurs podyplomowy z projektowania statków kosmicznych. Obecnie prowadzi własną firmę, spełniając marzenia.
„Napotkałam wiele głosów sprzeciwu, kiedy po raz pierwszy zaproponowałam pomysł opracowania technologii wodorowych ogniw paliwowych” – wspomina. „Ale czasami w życiu musisz robić trudne rzeczy, ponieważ nikt inny tego nie zrobi, tylko ty – jeśli rozwiązanie problemu to twoja pasja, po prostu musisz się tego podjąć. Inspiruję się programem kosmicznym ery Apollo – robimy te rzeczy nie dlatego, że są łatwe, ale dlatego, że są trudne. Musimy znaleźć rozwiązania dla zielonych źródeł energii, ponieważ musimy chronić naszą planetę” – mówi Anita Sengupta.
Anita Sengupta będzie gościem podczas wrześniowego Kongresu Nowej Mobilności, który odbędzie się w Łodzi w dniach 24-26.09.2024.
MA
