水素の主な課題は何ですか

水素燃料航空機が現実になる前に、水素貯蔵、サプライチェーン、インフラストラクチャの課題を克服する必要があります。

水素はジェット燃料の 3 倍のエネルギー密度を持っています。 水素を動力源とするエンジンは、二酸化炭素や窒素酸化物を生成しません。 液体水素はタービン エンジンの燃焼プロセスに使用できます。

あるいは、水素燃料電池によって生成された電気エネルギーがエンジンに動力を供給します。 水素はジェット燃料の有望な代替品であるにもかかわらず、最も重要な課題が残っています。

液体水素の最も重要な課題の 1 つは、その体積密度です。 水素はジェット燃料よりも大幅に軽いため、体積密度は 4 倍悪くなります。 言い換えれば、液体水素は航空機にジェット燃料の 4 倍の体積を必要とします。 したがって、航空機メーカーにとって液体水素の機内貯蔵は課題となっています。

極低温シリンダーは、体積を最小限に抑えながら液体水素を貯蔵する必要があります。 極低温シリンダーは、約 -420 °F (-250 °C) で水素を貯蔵できます。 極度の凍結温度は、特殊な材料、より厚い壁、およびシリンダーのスタック間の十分な隔離を意味します。

必要な水素の重量はジェット燃料の約 3 分の 1 にすぎませんが、はるかに多くの体積が必要となるため、航空機の構造重量が増加します。 ジェット燃料は翼のタンクに便利に保管できますが、水素シリンダーは直径が大きすぎて翼には収まりません。

エアバスが提案していた古いクライオプレーンの設計の 1 つは、客室上の胴体に水素タンクを備えていました。 別の設計では、外側の翼に取り付けられた大きな円筒形のタンクも示されていました。

水素は、-434 °F (-259 ℃) で固体から液体に溶け、-423 °F (-253 ℃) で沸騰して気体状態になります。 水素を貯蔵および消費するのに理想的な状態は液体の状態です。 液化水素はエネルギーの 4 分の 1 近くを消費し、水素ベースのシステム全体の効率が低下します。

温度管理が重要であるだけでなく、保管、輸送、給油時のプリアンブルの漏れを防ぐことも必要です。 温度が -423 度 (-253 ℃) を超えると、タンク内に水素ガスの層が形成されることがあります。 燃料補給中、気体水素が蒸発により失われる可能性があります。

水素には毒性がないため大気中に排出できますが、適切に管理しないと位置エネルギーが失われることは間違いありません。

水素は天然ガスよりもはるかに早く燃焼するため、制御された燃焼プロセスが必要です。 エアバスは、ZEROeプロジェクトにおける水素技術の活用の一つとして、燃焼用の「燃料」としての水素を提案している。 このような場合、水素の広範囲の可燃性と高い燃焼速度を考慮して、積極的な燃焼制御を実施する必要があります。

注目に値するのは、水素を天然ガスの混合物として、例えば約１５〜２０％使用することが既存の技術で実現可能であるということである。 ゼネラル・エレクトリックは、さまざまな濃度の水素による発電をサポートする多数のガス タービンをサポートしています。

もう一つの課題は、水素燃料航空機をサポートするインフラの構築です。 エアバスは、2025 年までに水素燃焼推進システムの技術準備レベルを確立すると予想していますが、インフラストラクチャの構築は複雑になる可能性があります。

揮発性液体水素を世界中の場所に安全かつ経済的に輸送することは、物流上の課題となります。 さらに、航空機の取り扱い、保管、定期的な燃料補給に関連する安全パラメータには、厳しい規制が必要となります。 世界中の空港は、水素の供給と貯蔵のためのインフラを再構築する必要があります。

メーカーは航空機の動力としての水素技術の利用について広範な研究を行っていますが、水素貯蔵、サプライチェーン、インフラストラクチャーの課題を克服する必要があります。

航空機メーカーは水素技術の課題に対する効果的な解決策を見つけることができると思いますか? コメント欄でお知らせください。

ライター - オマールは航空愛好家であり、博士号を取得しています。 航空宇宙工学の博士号を取得。 オマール氏は長年にわたる技術および研究の経験を活かし、研究に基づいた航空実務に注力することを目指しています。 仕事とは別に、オマールは旅行、航空現場の訪問、飛行機の観察に情熱を持っています。 カナダのバンクーバーに拠点を置く