Letadlo dnes i při běžném letu po Evropě spotřebuje tisíce litrů leteckého petroleje, který se promění v ohromné množství zplodin. Do roku 2050 by, dle plánu Evropské unie, měl být letecký průmysl CO2 neutrální. Velký podíl na tom budou mít syntetická letecká paliva (která jsou poměrně nákladná a dnešní výrobní kapacity nízké) a vodíkové pohony.
Právě ten vyvíjí v brněnských laboratořích společnosti Honeywell, samozřejmě ve spolupráci s řadou partnerů z různých oblastí průmyslu.
Kryogenní nádrž na kapalný vodík a jeho úpravu před vstupem do palivového článku řeší společnost Aciturri, palivový článek vyvinula a vyrobila společnost PowerCell. Řídící elektroniku a distribuci elektřiny si vzal na starosti Fraunhofer Institut, akumulátory dodá Pipistrel – ten vyrábí i elektricky poháněná čistě akumulátorová letadla, která využívají například pilotní školy.
Řízení motorů a samotné motory řeší Universita v Nottinghamu. Honeywell má na starosti zásobu a úpravu vzduchu pro palivový článek, teplotní management, veškerá čidla a monitoring a v neposlední řadě jsou tvůrci architektury systému a všechny subsystémy integrují do finálního celku.
Proč vodík?
Akumulátory mají pro provoz v letadlech příliš nízkou energetickou hustotu, respektive nevýhodný poměr uložené energie a hmotnosti akumulátorů. Výhodou zase poměrně jednoduchá implementace. Oproti tomu přiměřeně velká nádrž vodíku nese potřebné množství energie při hmotnosti nižší než fosilní palivo v běžných letadlech – pro zajímavost: pokud bude muset přistát krátce po vzletu, nebude muset řešit vypouštění paliva kvůli maximální přistávací hmotnosti. Nevýhodou je vysoká složitost systému a potřeba mnoha podpůrných subsystémů.
S vodíkem se zatím počítá pro letadla určená na kratší lety, řekněme do 2000 mil, tedy asi 3,2 tisíce kilometrů, na letech přes oceán budou hrát prim konvenční pohony se syntetickými palivy. Honeywell při vývoji počítá se škálovatelností systému v rozmezí 250 kW a 4 MW, bavíme se přitom o výkonu na hřídeli motoru. Očekávají, že první letadla s vodíkovým pohonem budou v kategorii CS-23, tedy s certifikací pro maximálně 19 pasažérů.
Účinnost systému s palivovým článkem je 50 procent, což znamená, že při výrobě 1 MW elektrického výkonu vzniká i 1 MW odpadního tepla. Část se jej použije v různých systémech letadla, většina se bude muset vypustit do okolního prostoru. Proto je součástí vývoje i radiátor, který by dané teplo vyzářil a zároveň by měl co nejmenší aerodynamický odpor, aby příliš nebrzdil letadlo a nezvyšoval tak spotřebu.
Jak to funguje?
Na začátku systému je kryogenní nádrž, ve které je při extrémně nízké teplotě skladován kapalný vodík. V systému se tak pracuje s nízkým tlakem 4 bary. Oproti plynnému vodíku, který má menší energetickou hustotu a v automobilovém průmyslu bývá pod tlakem 350 nebo 700 barů, má menší nároky na pevnost a tedy i hmotnost nádrže.
Z nádrže jde vodík do jednotky pro jeho přípravu pro palivový článek – k jeho řízenému odparu (převodu do plynného skupenství) a předehřátí na teplotu optimální pro použití v palivovém článku.
Zde je důležité zmínit další subsystém, a to přípravu vzduchu, zejména jeho čištění, předehřev a tlakování – k tomu využíváme sestavu kompresorů a turbodmychadla. Při testech a vývoji používáme „of the shelf“ komponenty, což šetří náklady. Finální pohon bude mít samozřejmě komponenty vyvinuté a dimenzované přímo pro použití v letadle.
Vodík i vzduch vstupují do palivového článku, který, skoro až vulgárně zjednodušeně, funguje tak, že z jedné strany je čerpán kyslík (vzduch), z druhé vodík. Mezi těmito médii je umístěna membrána, která nepropustí elektrony, které se při slučování vodíku s kyslíkem uvolňují. Ty tak nemohou projít přímo, ale „oklikou“ elektrickým obvodem. Tou oklikou je okruh se spotřebičem.
Palivový článek
Systém dodávky vzduchu
Část vyrobené energie jde do akumulátorů, většina do motorů. Akumulátory jsou tam především pro „peak shaving“, kdy pomáhají pokrýt rychlé výkonové špičky, které by pro palivový článek bylo obtížné v potřebné rychlosti dodat. A také pro související zvýšení efektivity systému.
Za palivovým článkem navazuje ještě jeden trochu nečekaný subsystém a to je recirkulace vodíku. Ten musí v palivovém článku neustále proudit a ve chvílích, kdy nemusí poskytovat výkon, by tak jím prošel nezužitkován a tedy nespotřebován. Proto se zachytává a vrací zpět na vstup do článku.
To celé obklopuje velmi složitý systém čidel a detektorů, všechna data se analyzují a vyhodnocují, což je důležité jak pro optimální provoz systému, tak jeho bezpečnost.
Součástí je i systém pro zpracování tepla – aby bylo přivedeno tam, kde je potřeba, a odvedeno z míst, kde naopak potřeba není.
Testovací sestava bude mít 1MW motor a adekvátně dimenzované komponenty. I proto je teď v brněnské hale speciální „mařič“ energie, který se do systému připojí místo motoru.
1MW mařič energie
Je to sestava topných odporových drátů a ventilátorů, přičemž pomocí řídící a výkonové elektroniky lze plynule a přesně regulovat aktuální zátěž.
Časová osa
Projekt je v poměrně pokročilé fázi, je vymyšlený, spočítaný, všechny komponenty vyrobené a nyní dochází k integraci systému do pozemního demonstrátoru. Ten bude rozložen do tří kontejnerů, aby byl mobilní – mimochodem proto, že část budoucího testování proběhne v areálu ÚJV Řež. To by mohlo být na počátku příštího roku.
Když vše půjde úplně ideálně, tak v roce 2028 nebo 2029 by měl být systém v podobě funkčního prototypu. A někdy ve třicátých letech by mohla jít do vzduchu první produkční vodíková letadla.
Co je podle Ondřeje Kotaby z Honeywellu jisté, že se v budoucnosti nesetkáme s vodíkovými retrofity dnešních letadel, ale půjde o nové a od základu na vodíkový pohon koncipované letouny. Ať již kvůli integraci kryogenní nádrže, praktickému zabudování všech subsystémů, nebo třeba kvůli odvodu odpadního tepla mimo drak letadla.
