Bay sạch và xanh: Các chuyến bay chạy bằng hydro sẽ cách mạng hóa du lịch hàng không
Tác giả: Đại học Công nghệ Chalmers Ngày 9 tháng 8 năm 2024
Hydro lỏng cần thể tích bình chứa lớn hơn dầu hỏa hàng không hiện nay nhưng đồng thời nhẹ hơn và chứa nhiều năng lượng hơn trên mỗi kilôgam nhiên liệu. Nguồn: Đại học Cranfield
Đến năm 2045, hầu hết các chuyến bay tầm ngắn đều có thể chạy bằng hydro, với những tiến bộ đáng kể về công nghệ thúc đẩy hiệu quả và phạm vi hoạt động. Thụy Điển có thể bắt đầu các chuyến bay chạy bằng hydro vào năm 2028, hướng tới mục tiêu áp dụng rộng rãi trên toàn cầu vào năm 2050.
Chuyến bay chạy bằng hydro sẽ mang đến những cơ hội mới cho du lịch không sử dụng nhiên liệu hóa thạch và những tiến bộ công nghệ trong lĩnh vực này đang diễn ra nhanh chóng. Các nghiên cứu mới từ Đại học Công nghệ Chalmers ở Thụy Điển chỉ ra rằng đến năm 2045, hầu hết các chuyến bay trong bán kính 750 dặm đều có thể được thực hiện bằng máy bay chạy bằng hydro. Ngoài ra, với bộ trao đổi nhiệt mới hiện đang được phát triển, phạm vi này có thể còn xa hơn nữa.
“Nếu mọi thứ đi vào đúng vị trí, quá trình thương mại hóa chuyến bay hydro có thể diễn ra thực sự nhanh chóng ngay bây giờ. Ngay từ năm 2028, các chuyến bay hydro thương mại đầu tiên ở Thụy Điển có thể được thực hiện trên không”, Tomas Grönstedt, Giáo sư tại Đại học Công nghệ Chalmers và Giám đốc trung tâm năng lực TechForH2* tại Chalmers cho biết.
Những tiến bộ công nghệ này có thể được nhìn thấy bên trong các đường hầm gió Chalmers, nơi các nhà nghiên cứu thử nghiệm các điều kiện luồng không khí trong các cơ sở tiên tiến. Tại đây, các động cơ tiết kiệm năng lượng hơn đang được phát triển, mở đường cho chuyến bay hydro an toàn và hiệu quả cho các phương tiện hạng nặng.
Bộ trao đổi nhiệt với bộ gia nhiệt khí thải, được phát triển theo khái niệm mới. Tín dụng: GKN Aerospace
Tiềm năng của hàng không chạy bằng hydro
Các chuyến bay chạy bằng hydro tầm ngắn và tầm trung đang dần trở thành hiện thực. Một nghiên cứu mới công bố của Chalmers cho thấy các chuyến bay chạy bằng hydro có tiềm năng đáp ứng nhu cầu của 97 phần trăm tất cả các tuyến bay nội vùng Bắc Âu và 58 phần trăm lượng hành khách của Bắc Âu vào năm 2045.
Đối với nghiên cứu này, các nhà nghiên cứu đã giả định khoảng cách bay tối đa là 750 dặm và sử dụng một mẫu máy bay hiện có được điều chỉnh cho năng lượng hydro. Nghiên cứu do nghiên cứu sinh tiến sĩ Christian Svensson trong nhóm nghiên cứu của Grönstedt dẫn đầu cũng đã giới thiệu một bình nhiên liệu mới có thể chứa đủ nhiên liệu, được cách nhiệt đủ để chứa hydro lỏng siêu lạnh và đồng thời nhẹ hơn các hệ thống bình nhiên liệu hóa thạch hiện nay.
Tomas Grönstedt, Giáo sư tại Đại học Công nghệ Chalmers, Thụy Điển và Giám đốc trung tâm năng lực TechForH2. Tín dụng: Đại học Công nghệ Chalmers | Mia Halleröd Palmgren
Hydro và Chuyến bay Hydro:
Hydro, H2, là một loại khí vô hình, không mùi, dễ bay hơi, hóa lỏng ở nhiệt độ khoảng -250 độ C (20 Kelvin).
Nếu hydro được sản xuất bằng năng lượng tái tạo, nó không thải ra khí carbon dioxide. Đây được gọi là 'hydro xanh'.
Các chuyến bay hydro có thể được cung cấp năng lượng bằng điện, sử dụng pin nhiên liệu chuyển đổi hydro thành điện thông qua xúc tác hoặc bằng động cơ phản lực, trong đó hydro được đốt cháy trong tua bin khí.
Hydro chứa nhiều năng lượng hơn trên một kilôgam so với dầu hỏa ngày nay và cũng có ưu điểm là sản phẩm còn lại của quá trình đốt cháy chủ yếu là hơi nước.
Khí này rất dễ cháy nếu trộn với không khí, đó là lý do tại sao cần có cảm biến hiệu suất cao.
Trong công nghiệp, hydro hiện đang được sử dụng để sản xuất, ví dụ, thép không hóa thạch.
Phát triển Bộ trao đổi nhiệt sáng tạo
Bộ trao đổi nhiệt là một phần thiết yếu của ngành hàng không hydro và chúng là một phần quan trọng của những tiến bộ công nghệ đang diễn ra. Để giữ cho hệ thống nhiên liệu nhẹ, hydro cần phải ở dạng lỏng. Điều này có nghĩa là hydro được giữ ở nhiệt độ siêu lạnh trong máy bay, thường là khoảng -250 độ C. Bằng cách thu hồi nhiệt từ khí thải nóng của động cơ phản lực và làm mát động cơ ở những vị trí chiến lược, chúng trở nên hiệu quả hơn. Để truyền nhiệt giữa hydro siêu lạnh và động cơ, cần có các loại bộ trao đổi nhiệt mới.
Để đáp ứng thách thức này, các nhà nghiên cứu tại Chalmers đã làm việc trong nhiều năm để phát triển một loại bộ trao đổi nhiệt hoàn toàn mới. Công nghệ này, hiện đang chờ cấp bằng sáng chế của đối tác GKN Aerospace, tận dụng nhiệt độ lưu trữ thấp của hydro để làm mát các bộ phận động cơ và sau đó sử dụng nhiệt thải từ khí thải để làm nóng trước nhiên liệu ở nhiệt độ vài trăm độ trước khi đưa vào buồng đốt.
Carlos Xisto, Phó giáo sư, Phân khoa Cơ học chất lưu, Khoa Cơ học và Khoa học Hàng hải, Đại học Công nghệ Chalmers. Tín dụng: Sören Håkanlind
“Mỗi độ tăng nhiệt độ sẽ làm giảm mức tiêu thụ nhiên liệu và tăng phạm vi hoạt động. Chúng tôi đã có thể chứng minh rằng máy bay tầm ngắn và tầm trung được trang bị bộ trao đổi nhiệt mới có thể giảm mức tiêu thụ nhiên liệu của chúng xuống gần tám phần trăm. Xem xét rằng động cơ máy bay là một công nghệ đã trưởng thành và được thiết lập tốt, đây là một kết quả rất tốt từ một thành phần duy nhất”, Carlos Xisto, Phó Giáo sư tại Khoa Cơ học Chất lưu tại Chalmers và là một trong những tác giả của nghiên cứu cho biết.
Các nhà nghiên cứu cũng lưu ý rằng với sự tối ưu hóa hơn, loại công nghệ trao đổi nhiệt này trong máy bay thương mại Airbus A320 thông thường có thể cung cấp phạm vi cải thiện lên đến mười phần trăm, hoặc tương đương với tuyến đường Gothenburg-Berlin (khoảng 450 dặm).
Tomas Grönstedt, Giáo sư tại Đại học Công nghệ Chalmers, Thụy Điển và Giám đốc trung tâm năng lực TechForH2. Tín dụng: Đại học Công nghệ Chalmers | Anna-Lena Lundqvist
Nỗ lực hợp tác và triển vọng của ngành
Công việc phát triển các giải pháp cho ngành hàng không hydro trong tương lai đang diễn ra trên một mặt trận rộng lớn, với sự hợp tác của chính phủ, trường đại học và các công ty tư nhân. Tại Thụy Điển, cụm đổi mới, Trung tâm Phát triển Hydro Thụy Điển (SHDC), tập hợp những người đóng vai trò chủ chốt, bao gồm các nhà lãnh đạo ngành và các chuyên gia từ học viện. Tại hội thảo SHDC gần đây, các nhà nghiên cứu từ Chalmers đã trình bày công trình của họ và một số công ty thương mại đã chứng thực về các khoản đầu tư lớn vào các chuyến bay chạy bằng hydro trong những năm tới. Mặc dù công nghệ này đã rất tiên tiến, nhưng thách thức nằm ở các khoản đầu tư lớn cần thiết và trong việc phát triển cơ sở hạ tầng, mô hình kinh doanh và quan hệ đối tác để có thể sản xuất, vận chuyển và lưu trữ hydro để có thể chuyển đổi sang chuyến bay chạy bằng hydro. Tổng quá trình chuyển đổi dự kiến sẽ cần khoảng 100 triệu tấn hydro xanh hàng năm.
"Ngành công nghiệp kỳ vọng rằng 30–40 phần trăm hàng không toàn cầu sẽ được cung cấp năng lượng bằng hydro vào năm 2050. Có khả năng trong một số năm tới, chúng ta sẽ cần sự kết hợp giữa máy bay chạy bằng điện, nhiên liệu phản lực điện ít gây hại cho môi trường và hydro. Nhưng mọi máy bay có thể được cung cấp năng lượng bằng hydro từ năng lượng tái tạo đều giúp giảm lượng khí thải carbon dioxide", Grönstedt cho biết.
Trong TechForH2, có những điều kiện tốt để giải quyết thách thức về hydro và với ngân sách 162 triệu SEK (tương đương 15,5 triệu đô la Mỹ), trung tâm năng lực có thể đóng góp vào sự phát triển của một số lĩnh vực nghiên cứu khác nhau liên kết hydro và vận tải hạng nặng.
Tài liệu tham khảo:
“Bộ trao đổi nhiệt nhỏ gọn để làm mát và phục hồi động cơ hàng không chạy bằng nhiên liệu hydro” của Alexandre Capitao Patrao, Isak Jonsson, Carlos Xisto, Anders Lundbladh và Tomas Grönstedt, ngày 28 tháng 1 năm 2024, Kỹ thuật nhiệt ứng dụng.
DOI: 10.1016/j.applthermaleng.2024.122538
“Máy bay chạy bằng pin nhiên liệu hydro cho thị trường Bắc Âu” của Christian Svensson, Amir A.M. Oliveira và Tomas Grönstedt, ngày 4 tháng 3 năm 2024, Tạp chí quốc tế về năng lượng hydro.
DOI: 10.1016/j.ijhydene.2024.02.382
Nguồn tài trợ: Cơ quan Năng lượng Thụy Điển, Chương trình Khung Horizon 2020, Hội đồng Nghiên cứu Thụy Điển
Mời các đối tác xem hoạt động của Công ty TNHH Pacific Group.
FanPage: https://www.facebook.com/Pacific-Group
YouTube: https://www.youtube.com/@PacificGroupCoLt
