Есть ли работа по улучшению топливных баков, чтобы они могли хранить водород?

Во-первых, развенчать миф о Гинденберге, который всегда всплывает всякий раз, когда упоминается водород. Водород менее безопасен, чем жидкое топливо, но не менее безопасен, чем природный газ или пропан. Водород имеет более высокую скорость распространения пламени, чем углеводородные газы, но содержит гораздо меньше энергии на единицу объема, чем углеводородные газы. Огромный дирижабль, наполненный природным газом, был бы столь же опасен, как и огромный дирижабль, наполненный водородом, однако к нашим домам подведены газопроводы, и при надлежащем контроле инцидентов очень мало.

Тем не менее, водород не является хорошим топливом для самолетов по следующим причинам.

(Источник: Википедия )

Выше показано, что водород содержит около 142 МДж/кг энергии по сравнению с примерно 42 МДж/кг для керосина. Однако он содержит гораздо меньше энергии на единицу объема. Жидкий водород содержит всего 10 МДж/л, а керосин — 33 МДж/л. Поэтому баки с водородным топливом должны быть более чем в 3 раза больше, чем баки с керосином. Газообразный водород при атмосферном давлении занимал бы в сотни раз больше места, в то время как водород при 700 бар только примерно в 2 раза хуже, чем жидкий водород, но вес сосуда для выдерживания давления 700 бар сводит на нет преимущество водорода в весе.

Поэтому наиболее практичным способом хранения водорода в самолете было бы жидкое состояние, которое используется в космических кораблях, таких как «Спейс шаттл». Использование водорода приведет к некоторой экономии веса и, следовательно, к экономии топлива. Однако топливные баки будут настолько большими, что экономия будет частично сведена на нет дополнительным сопротивлением (не говоря уже о дополнительном весе больших баков).

Водород дорого производить и сжижать. Большая часть водорода производится путем преобразования природного газа и пара в водород по реакции CH4 + 2H2O = CO2 + 4H2, что является очень энергоемким процессом. Следовательно, хотя самолет, работающий на водородном топливе, может потреблять меньше энергии, чем самолет, работающий на керосине, при этом не учитывается энергия, используемая в процессе производства и сжижения водорода, а также затраты, связанные с этим. В целом водородное топливо, вероятно, будет более дорогим.

С водородом также сложнее обращаться. резервуары с водородом никогда не бывают идеально изолированы, поэтому водород выкипает, и резервуары покрываются льдом. Кроме того, в случае разлива он более опасен, чем жидкое топливо, так как испаряется и создает взрывоопасную смесь в воздухе (хотя, как я уже говорил выше, эта проблема касается и природного газа). Жидкий водород намного холоднее сжиженного. природного газа, а значит создает больше проблем с материалами, выкипанием и обледенением.

Промышленные газовые турбины могут работать на водороде без особых модификаций. Но с обширными процедурами сертификации для авиации модификация авиационного двигателя для водорода будет довольно дорогостоящей. Кроме того, более высокая скорость пламени водорода означает, что NOx труднее контролировать, и это, вероятно, вызовет проблемы с нормами выбросов.

В заключение, единственный способ, которым водород когда-либо будет жизнеспособным в авиационной промышленности в целом, — это если окажется, что его будет легче использовать в судне, приводимом в движение топливными элементами, чем углеводородное топливо.

Если это экономически целесообразно, привод на топливных элементах/электродвигателе будет более эффективным, чем реактивный двигатель внутреннего сгорания. Тем не менее, практические вопросы и вопросы безопасности означают, что авиационная промышленность станет одним из последних пользователей такой технологии.

В газообразной форме количество — масса — водорода, которое вы могли бы хранить в объеме топливных баков самолета, было бы незначительным. Чтобы хранить достаточную массу водорода, вам придется хранить его в сжиженном виде, как он хранится в ракетах.

Однако для того, чтобы это было полезно, вам нужно было бы полностью перепроектировать двигатели, чтобы сжигать криогенное топливо, что было бы масштабным мероприятием. Я не знаю о каком-либо серьезном интересе к использованию криогенного топлива в самолетах сегодня. Керосин работает хорошо и, по сравнению с жидким водородом, дешев и относительно безопасен для транспортировки и хранения.

Ракеты используют криогенное топливо, потому что им абсолютно необходима вся «отдача за доллар», которую они могут получить, поэтому высокая стоимость и дополнительные меры безопасности принимаются в этой сфере как необходимые затраты на ведение бизнеса. В этой теме обсуждаются ракеты, использующие криогенное топливо или смесь криогенного топлива и керосина. Суть в том, что они часто используют криогенное топливо, особенно на верхних ступенях, чтобы вывести на орбиту больше полезной нагрузки.

Однако, если что-то не изменится в экономике керосина по сравнению с криогенным топливом, кажется маловероятным, что самолеты перейдут на жидкий водород в больших масштабах.

Рассмотрим природу жидкого водорода . В жидком некипящем состоянии он должен иметь температуру 22 Кельвина, что составляет -253C/-423F. Чрезвычайно холодно. Это требует сильно изолированных контейнеров, и случайное высвобождение может быть чрезвычайно опасным. Несколько галлонов жидкого водорода, пролитого на вас, почти мгновенно превратят вас в кубик льда.

Это правда, что при сгорании водорода с кислородом получается вода (плюс немного озона). Однако при сжигании водорода с атмосферным воздухом, который содержит больше азота, чем кислорода, также образуются некоторые неприятные оксиды азота, поэтому это «чистое» топливо только тогда, когда оно снабжено чистым кислородом или используется в топливном элементе. .

Сегодня жидкий H используется в качестве топлива в нескольких специализированных ситуациях, которые выигрывают от его высокой плотности энергии: в основном в ракетах, хотя он также использовался (в сочетании с топливными элементами) на некоторых подводных лодках AIP. Это области, где дополнительная сложность и затраты перевешиваются преимуществами.

При коммерческом использовании с ним будут работать каждый день в больших объемах, поэтому сложность обращения с этим чрезвычайно холодным веществом будет возрастать, как и опасность случайного выброса. И еще остается проблема загрязняющих веществ, оставшихся от сжигания водорода в атмосфере.

В своей книге Skunk Works Бен Рич описывает попытку переоборудовать самолет A-12 Oxcart (позже ставший SR-71) для работы на жидком водороде, чтобы увеличить его дальность полета. Он сообщил, что к тому времени, когда они добавят тяжелые изолированные баки, дальность полета А-12 будет увеличена всего на пару процентов, плюс сложности с дозаправкой в ​​воздухе, поэтому Келли Джонсон закрыл проект и вернул проектные деньги. правительству. Это было с технологией 1960-х годов, сегодня могут быть доступны лучшие методы, но это показывает, что водород в качестве авиационного топлива не совсем чудесное решение, как может показаться.

Кроме того, учтите, что свободного водорода в большом количестве на Земле не существует. Он должен производиться путем электролиза воды, что требует много электроэнергии и увеличивает стоимость. Водород также может быть получен путем катализа природного газа, хотя и в больших объемах, потребуется утилизация большого количества остаточных химикатов.

Если будет разработан практический термоядерный реактор, то, возможно, водород в качестве топлива для общего транспорта станет жизнеспособным. В самолетах его можно использовать в топливных элементах для питания электродвигателей, чтобы обойти проблему загрязнения.

Водородный топливный бак по своей природе должен быть цилиндрическим. Для уменьшения веса она должна быть короткой и толстой, а не длинной и узкой.

На самолете он тоже должен находиться в центре тяжести , чтобы не выводить самолет из равновесия по мере расходования топлива. Это также требует короткого бака, а не длинного бака фюзеляжа (весь водород будет катиться вперед или назад во время маневрирования, разбивая самолет).

Водород — топливо с очень низкой плотностью, поэтому топливные баки огромны. Львиная доля объема основного бака «Шаттла» предназначалась для водорода.

Это означает, что на самолете есть только одно возможное место для водородного топливного бака: центр фюзеляжа (обычно над крыльями). Практически на всю ширину фюзеляжа . Что осталось пассажирам сесть? Сама передняя и задняя часть фюзеляжа. Это также означает отдельные экипажи — прохождение через зону бака было бы невозможно, если бы у самолета не было «волдыря» наверху, как у Боинг-747.

Это также сводит на нет всю конструктивную эффективность переноски топлива в крыльях. Это означает, что крылья должны быть прочнее, чтобы нести подъемную силу туда, где находится вес топлива. Это важно.