¿Hay algún trabajo para mejorar los tanques de combustible para que puedan almacenar hidrógeno?

Primero, para desacreditar un mito sobre el Hindenberg, que siempre aparece cada vez que se menciona el hidrógeno. El hidrógeno es menos seguro que el combustible líquido, pero no menos seguro que el gas natural o el propano. El hidrógeno tiene una mayor velocidad de propagación de la llama que los hidrocarburos gaseosos, pero contiene mucha menos energía por unidad de volumen que los hidrocarburos gaseosos. Un enorme dirigible lleno de gas natural sería tan peligroso como un enorme dirigible lleno de hidrógeno, pero tenemos tuberías de gas natural que llegan a nuestras casas y con los controles adecuados hay muy pocos incidentes.

Sin embargo, el hidrógeno no es un buen combustible para aeronaves por las siguientes razones.

(Fuente: Wikipedia )

Lo anterior muestra que el hidrógeno contiene aproximadamente 142 MJ/kg de energía en comparación con aproximadamente 42 MJ/kg del queroseno. Sin embargo, contiene mucha menos energía por unidad de volumen. El hidrógeno líquido contiene solo 10 MJ/litro, mientras que el queroseno contiene 33 MJ/litro. Por lo tanto, los tanques de combustible de hidrógeno tendrían que ser más de 3 veces más grandes que los tanques de combustible de queroseno. El hidrógeno gaseoso a presión atmosférica ocuparía cientos de veces más espacio, mientras que el hidrógeno a 700 bar es solo un factor de 2 peor que el hidrógeno líquido, pero el peso de un recipiente para mantener una presión de 700 bar anularía la ventaja de peso del hidrógeno.

Por lo tanto, la forma más práctica de almacenar hidrógeno en un avión sería en estado líquido, como se usa en naves espaciales como el transbordador espacial. El uso de hidrógeno daría como resultado algunos ahorros de peso y, por lo tanto, ahorros de combustible. Sin embargo, los tanques de combustible serían tan grandes que los ahorros se verían parcialmente anulados por la resistencia adicional (sin mencionar el peso adicional de los tanques más grandes).

El hidrógeno es caro de producir y licuar. La mayor parte del hidrógeno se produce reformando gas natural y vapor en hidrógeno mediante la reacción CH4 + 2H2O = CO2 + 4H2, que es un proceso que consume mucha energía. Por lo tanto, aunque un avión alimentado con hidrógeno puede consumir menos energía que un avión alimentado con queroseno, esto no tiene en cuenta la energía utilizada en el proceso de producción y licuefacción del hidrógeno, ni el costo que implica hacerlo. En general, es probable que el combustible de hidrógeno sea más caro.

El hidrógeno también es más difícil de manejar. Los tanques de hidrógeno nunca están perfectamente aislados, por lo que el hidrógeno se evapora y los tanques se congelan. También es más peligroso que el combustible líquido si se produce un derrame, ya que se evaporará y creará una mezcla explosiva en el aire (aunque, como he dicho anteriormente, este problema también se aplica al gas natural). El hidrógeno líquido es mucho más frío que el líquido. gas natural, por lo que crea más problemas con los materiales, la evaporación y la formación de hielo.

Las turbinas de gas industriales pueden funcionar con hidrógeno sin demasiadas modificaciones. Pero con los extensos procedimientos de certificación para la aviación, la modificación de un motor de avión para hidrógeno será bastante costosa. Además, la mayor velocidad de la llama del hidrógeno significa que el NOx es más difícil de controlar y es probable que esto cause problemas con las regulaciones de emisiones.

En conclusión, la única forma en que el hidrógeno será viable en la industria de la aviación en general es si resulta más fácil de usar en una nave impulsada por celdas de combustible que un combustible de hidrocarburo.

Si es económicamente factible, una unidad de motor eléctrico/célula de combustible sería más eficiente que un motor a reacción de combustión. Dicho esto, los problemas prácticos y de seguridad significan que la industria aeronáutica será uno de los últimos en adoptar dicha tecnología.

En forma gaseosa, la cantidad de, la masa de, hidrógeno que podría almacenar en el volumen de los tanques de combustible de los aviones sería insignificante. Para almacenar suficiente masa de hidrógeno, tendrías que almacenarlo licuado, que es como se almacena en los cohetes.

Sin embargo, para que eso sea útil, tendría que tener motores completamente rediseñados para quemar combustibles criogénicos, lo que sería una tarea enorme. No estoy al tanto de ningún interés serio en el uso de combustibles criogénicos en aviones hoy en día. El queroseno funciona bien y, en comparación con el hidrógeno líquido, es barato y relativamente seguro de transportar y almacenar.

Los cohetes usan combustibles criogénicos porque necesitan absolutamente todo el "beneficio por el dinero" que puedan obtener, por lo que el alto costo y las medidas de seguridad adicionales se aceptan en ese ámbito como un costo necesario para hacer negocios. Este hilo analiza los cohetes que utilizan combustibles criogénicos o una mezcla de combustibles criogénicos y queroseno. En resumen, a menudo usan combustibles criogénicos, especialmente en las etapas superiores, para llevar más carga útil a la órbita.

Sin embargo, a menos que algo cambie en la economía del queroseno frente a los combustibles criogénicos, parece improbable que los aviones cambien a hidrógeno líquido a gran escala.

Considere la naturaleza del hidrógeno líquido . En estado líquido, sin ebullición, debe estar a una temperatura de 22 Kelvin, que es -253C/-423F. Extremadamente frío. Esto requiere contenedores fuertemente aislados y una liberación accidental podría ser extremadamente peligrosa. Unos pocos galones de hidrógeno líquido derramados sobre ti te convertirían en un cubo de hielo casi al instante.

Es cierto que cuando se quema hidrógeno con oxígeno, el resultado es agua (más un poco de ozono). Sin embargo, cuando el hidrógeno se quema con el aire atmosférico, que es más nitrógeno que oxígeno, también se producen algunos óxidos de nitrógeno desagradables, por lo que es un combustible 'limpio' solo cuando se le proporciona oxígeno puro o se usa en una celda de combustible. .

Hoy en día, el H líquido se utiliza como combustible en algunas situaciones especializadas que se benefician de su alta densidad energética: en gran medida cohetes, aunque también se ha utilizado (combinado con pilas de combustible) en algunos submarinos AIP. Estas son áreas donde la complejidad y los gastos adicionales se ven superados por el beneficio.

En uso comercial, se manejaría todos los días en grandes volúmenes, por lo que se magnificarían las complejidades de manejar esta sustancia extremadamente fría, al igual que los peligros de una liberación accidental. Y todavía queda la cuestión de los contaminantes que quedan de la quema de hidrógeno en la atmósfera.

En su libro Skunk Works, Ben Rich describe un esfuerzo por remodelar el avión A-12 Oxcart (que luego se convertiría en el SR-71) para que funcione con hidrógeno líquido, para ampliar su alcance. Informó que para el momento en que agregaron los tanques aislados pesados, el alcance del A-12 se habría extendido solo un par de por ciento, además de las complejidades del reabastecimiento de combustible en el aire, por lo que Kelly Johnson canceló el proyecto y devolvió el dinero del proyecto. al gobierno Eso fue con la tecnología de 1960, es posible que haya mejores métodos disponibles hoy en día, pero eso ilustra cómo el hidrógeno como combustible para aviones no es la solución maravillosa que parece ser.

Además de eso, considere que el hidrógeno libre no existe en la tierra en un gran volumen. Debe fabricarse electrolizando agua, lo que requiere mucha electricidad y eso aumenta el costo. El hidrógeno también se puede producir catalizando gas natural, aunque si se hace en volumen, habría una gran cantidad de productos químicos sobrantes para eliminar.

Si se desarrollara un reactor de fusión práctico, entonces es posible que el hidrógeno como combustible para uso general en el transporte sea viable. En los aviones, podría utilizarse en celdas de combustible para impulsar motores eléctricos, para evitar el problema de la contaminación.

Un tanque de combustible de hidrógeno, por naturaleza, debe ser cilíndrico. Para ahorrar peso debe ser corto y robusto, no largo y angosto.

En una aeronave, también debe estar en el centro de gravedad , para que no desequilibre la aeronave a medida que se gasta el combustible. Esto también requiere un tanque corto, no un tanque de fuselaje largo (todo el hidrógeno rodaría hacia adelante o hacia atrás durante las maniobras, estrellando la aeronave).

El hidrógeno es un combustible de muy baja densidad, por lo que los depósitos de combustible son enormes. La mayor parte del espacio del tanque utilizado en el tanque principal del transbordador fue para el hidrógeno.

Eso significa que solo hay un lugar posible para un tanque de combustible de hidrógeno en un avión: el centro del fuselaje (generalmente sobre las alas). Casi todo el ancho del fuselaje . ¿Qué queda para que se sienten los pasajeros? El fuselaje muy delantero y trasero. Eso significa tripulaciones separadas también: pasar por el área del tanque sería impracticable, a menos que el avión tuviera una "ampolla" en la parte superior como un 747.

Esto también anula todas las eficiencias de diseño de transportar el combustible en las alas. Eso significa que las alas deben ser más fuertes para llevar el ascensor a donde está el peso del combustible. Eso importa.