Leciutkie i odporne na wysokie temperatury ogniwa paliwowe okazują się potencjalnym źródłem energii dla komercyjnego transportu lotniczego.
Czego dotyczyć będzie następna rewolucja w konstrukcji samolotów? Być może napędu wodorowego?
Zastosowanie ciekłego wodoru umożliwi stworzenie samolotu, który będzie w stanie wykonywać te same misje, co obecne samoloty, ale przy mniejszym zużyciu energii, mniejszym zużyciu zasobów naturalnych, mniejszym oddziaływaniu na środowisko i z tym samym lub większym bezpieczeństwem – twierdzi Daviod C. Maniaci, który badał tę sprawę dla Wydziału Techniki Lotniczej i Kosmonautycznej Uniwersytetu Penn State.
Inżynierowie z firmy Boeing oświadczyli, że produkowany przy użyciu energii jądrowej lub słonecznej wodór mógłby na długo zostać paliwem lotniczym, a Boeing w istocie przeprowadził próby z małym samolotem załogowym już dwa lata temu.
Podjęcie produkcji wodoru z akceptowalnego ze względu na ochronę środowiska źródła uważa się za zupełnie oczywiste, jak wcześniej donosiła gazeta Daily News. Wymaga to jednak rozwiązania istotnych problemów konstrukcyjnych. Wodór ma wysoką gęstość energii na jednostkę masy, ale niską gęstość energii na jednostkę objętości w porównaniu z obecnie używanymi paliwami odrzutowymi. Do przechowywania wodoru potrzebne będą wysokociśnieniowe pojemniki. Zapewne paliwo trzeba będzie przechowywać w kadłubie, a nie w skrzydłach, co stanowi dodatkową trudność.
Termoodporny polimer
Jednakże nowe prace nad chłodzonymi powietrzem membranami ogniw paliwowych z termoodpornego polimeru polibenzimidazolu wydają się obiecujące. W istocie membrany te mogą być zastosowane w przyszłym Airbusie A320 do wytwarzania elektryczności do zastosowań pokładowych.
Technologie tę demonstruje się w Niemczech, gdzie w porcie lotniczym w Hamburgu odbył lot próbny Antares DLR-H2, pierwszy na świecie pilotowany samolot zdolny do startu przy użyciu wyłącznie energii z ogniw paliwowych. Samolot został skonstruowany w Niemieckim Ośrodku Techniki Lotniczej i Konsmonautycznej (Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt; DLR).
Z technicznego punktu widzenia jest to szybowiec z napędem. Nie emituje dwutlenku węgla i wytwarza mniej hałasu niż porównywalne samoloty.
Antares DLR-H2 napędzany jest bezpośrednio przez ultra sprawne ogniwo paliwowe wykorzystujące technologię membranową opracowaną przez BASF. Poprawiliśmy osiągi i sprawność tego ogniwa paliwowego w takiej mierze, że korzystając z niego może teraz wystartować pilotowany samolot – twierdzi prezes DLR Johann-Dietrich Wörner. Możemy więc zademonstrować rzeczywisty potencjał tej technologii, także, a może zwłaszcza, dla zastosowań w sektorze lotniczym.
Wodór przekształca się w energię elektryczną drogą bezpośredniej reakcji elektrochemicznej z tlenem w otaczającym powietrzu, bez spalania. Jedynym produktem ubocznym jest woda. W zespole elektrody membranowej, zwanej MEA, energia chemiczna generowana przez tę reakcję pomiędzy tlenem a wodorem przekształcana jest bezpośrednio na elektryczność i ciepło.
BASF bierze udział w projekcie pilotowym w celu promocji nowatorskiej technologii energetycznej, która rzeczywiście nastąpi w nieodległej przyszłości i to nie tylko na pokładzie samolotów – stwierdza Carsten Henschel, ekspert techniczny w dziale ogniw paliwowych firmy BASF. W czasach ograniczonych zasobów energetycznych to ogniwo paliwowe może, na przykład, przyczynić się do utrzymania bezpieczeństwa dostaw energii, ponieważ wodór można pozyskiwać z wielu różnych źródeł: z energii wiatrowej lub słonecznej oraz z gazu ziemnego lub oleju napędowego.
Wyzwania konstrukcyjne
Wyzwanie konstrukcyjne polega na budowie możliwie najlżejszego systemu ogniwa paliwowego. Konwencjonalne, niskotemperaturowe systemy ogniw paliwowych działają w maksymalnej temperaturze 80°C i wymagają wielu urządzeń pomocniczych oraz złożonego systemu sterowania.
W elektrodzie MEA w szybowcu Antares zastosowano pierwszą na świecie dostępną w sprzedaży membranę do ogniw paliwowych, która wytrzymuje temperatury do 180°C. Są to ogniwa paliwowe chłodzone powietrzem i nie wymagają nawilżaczy, pomp wodnych, zbiorników, zaworów, ani systemów czyszczących.
Jądro tej technologii stanowi polibenzimidazol, ten sam żaroodporny plastik, z którego robi się kombinezony dla strażaków. Wysoka temperatura pracy zapobiega także osadzaniu się zanieczyszczeń na powlekanej platyną elektrodzie (anodzie). Platyna to katalizator, który uruchamia ową elektrochemiczną reakcję w MEA.
W tym systemie ogniwa paliwowego firmy BASF zwanym Celtec® zastosowano o jedną trzecią mniej komponentów niż w konwencjonalnych systemach ogniw paliwowych. To zmniejsza koszty o 40 procent. Dzięki skonstruowaniu wysokotemperaturowej membrany ogniwo paliwowe stało się wreszcie wyrobem interesującym z punktu widzenia komercyjnej sprzedaży – wyjaśnia Henschel.
System ogniwa paliwowego, który napędza Antares, dostarcza do 25 kW mocy elektrycznej, pracując
ze sprawnością rzędu 52 procent przy locie w linii prostej, zużywającym zaledwie 10 kW mocy.
Pojedyncze ogniwo paliwowe może wytworzyć napięcie zaledwie 600 – 700 mV, a więc, aby wytworzyć wystarczająco dużo energii, kilka ogniw łączy się w tzw. stosy, czyli baterie. Każda elektroda MEA jest matrycą przewodzących elektryczność płytek grafitowych łączących ze sobą poszczególne ogniwa. Płytki te przewodzą elektryczność i specjalnymi kanałami dostarczają MEA wodoru i tlenu.
Próby Airbusa A320
W następstwie próbnych lotów Antaresa zamierzamy zainstalować to ogniwo paliwowe w naszym Airbusie A320, gdzie zostanie zoptymalizowane do użytku w szerokokadłubowych samolotach do przyszłego, bardziej skutecznego wytwarzania elektryczności na potrzeby pokładowe – stwierdza Josef Kallo z DRL w Stutgarcie. Produkty uboczne, czyli ciepło i woda, mogą także posłużyć do zapobiegania oblodzeniu skrzydeł oraz do wykorzystania w toaletach. DLR współpracowało z Airbus Germany nad wdrożeniem systemu ogniw paliwowych jako pomocniczego źródła zasilania pomp hydraulicznych systemu sterowania w Airbus A320 ATRA, studyjnym samolocie DLR.
DLR planuje zakończenie serii prób Antaresem w 2010 roku, a następnie to ogniwo paliwowe zostanie zastosowane w naszym samolocie „A320 ATRA”.
Antares DLR-H2 oparty jest na konstrukcji samostartującego motoszybowca Antares 20E produkowanego przez firmę Lange Aviation GmbH.
W odróżnieniu od innych lotniczych projektów badawczych, ten wcale nie jest science fiction. BASF ma zakład produkcji ogniw paliwowych we Frankfurcie i rozkręca nowy zakład w Somerset w stanie New Jersey w USA.
