Framstegen som ger vätgasflyget medvind

Flyg som drivs med vätgas öppnar möjligheter för fossilfritt resande och teknikutvecklingen går snabbt. Nya studier från Chalmers visar att nästan alla flygresor inom 1200 kilometers radie kan göras med vätgasdrivet flyg år 2045 – och med hjälp av en helt ny typ av värmeväxlare ökar räckvidden dessutom markant. 

– Vill det sig väl så kan det gå fort nu. Redan 2028 kan de första kommersiella vätgasflygen i Sverige vara i luften, säger Tomas Grönstedt, professor vid Chalmers och föreståndare för kompetenscentrumet TechForH2 på Chalmers. 

Medvinden märks också inne i Chalmers vindtunnellaboratorium, där forskarna testar luftströmningsförhållanden i avancerade turbin- och kompressoranläggningar. Här utvecklas mer energieffektiva motorer och teknik som banar väg för en övergång till säker och effektiv vätgasdrift för tunga fordon. 

För vätgasdrivet flyg är det korta och medellånga resor som ligger närmast i sikte. En nyligen publicerad studie från Chalmers visar att vätgasdrivet flyg skulle kunna möta behoven för 97 procent av alla inomnordiska flygsträckor och 58 procent av den nordiska passagerarvolymen år 2045. Då utgick forskarna från en räckvidd på 1200 kilometer och att en redan befintlig flygplansmodell anpassades för vätgasdrift. I studien, ledd av doktoranden Christian Svensson i Tomas Grönstedts forskargrupp, presenteras också en bränsletank som rymmer tillräckligt med bränsle för hela flygsträckan, är tillräckligt isolerad för att hålla den superkalla flytande vätgasen och samtidigt är lättare än dagens fossilbaserade system. 

Värmeväxlare drar nytta av kallt bränsle

För längre flygsträckor räknar branschen med att kunna fortsätta använda samma typ av turbofläktmotorer som i dagens flygplan, vilket innebär att bränslesystemet måste anpassas för att kunna hantera kylan hos flytande vätgas. För att hålla flygplanets vikt nere behöver vätgasen lagras i flytande form, vilket kräver en temperatur i tanken runt -250 grader. Att spruta in så kallt bränsle för förbränning innebär en avsevärt försämrad effekt, med ökad bränsleförbrukning som följd.

För att ta sig an den utmaningen har forskare på Chalmers under flera år arbetat med att utveckla en helt ny typ av värmeväxlare. Tekniken, som nu är patentansökt av samarbetspartnern GKN Aerospace, drar nytta av vätgasens låga lagringstemperatur för att kyla motordelar, och använder sedan spillvärme från avgaserna för att förvärma bränslet flera hundra grader innan det sprutas in i förbränningskammaren. 

– Varje grads temperaturökning minskar bränsleförbrukningen och ökar räckvidden. Vi kunde visa att kort- och medeldistansflygplan utrustade med den nya värmeväxlaren kunde minska sin bränsleförbrukning med nära åtta procent. Med tanke på att en flygplansmotor är en mogen och väletablerad teknik, så är det ett väldigt bra resultat från en enda komponent, säger Carlos Xisto, docent på avdelningen för strömningslära på Chalmers och en författarna till en nyligen publicerad vetenskaplig artikel. 

Forskarna konstaterar också att med mer optimering så skulle den här typen av värmeväxlarteknik i ett vanligt trafikflygplan av typen Airbus A320 kunna ge en förbättrad räckvidd på upp till tio procent, eller motsvarande sträckan Göteborg-Berlin (motsvarande cirka 750 kilometer).

Stora investeringar, stora utmaningar

Arbetet med att få fram lösningar för framtidens vätgasflyg sker på bred front, och när innovationsklustret Swedish hydrogen development center, SHDC, nyligen höll ett seminarium deltog flera Chalmersforskare tillsammans med aktörer från både akademin och industrin. Flera kommersiella bolag vittnade om stora satsningar på vätgasflyg under de kommande åren. Tekniken ligger väl framme. Utmaningarna ligger snarare i de stora investeringar som krävs, och i att få fram infrastruktur, affärsmodeller och partnerskap för att kunna producera, transportera och lagra vätgasen så att övergången blir möjlig. En total övergång till vätgasflyg förväntas kräva cirka 100 miljoner ton grön vätgas årligen.

– Det finns branschförväntningar om att 30–40 procent av det globala flyget ska drivas med vätgas till år 2050. Sannolikt kommer vi under ett antal år framöver att behöva en mix av flyg som går på el, mindre miljöbelastande e-jetbränsle och vätgas. Men varje flygplan som kan drivas med vätgas från förnybar energi minskar koldioxidutsläppen, säger Tomas Grönstedt. 

Inom TechForH2 finns goda förutsättningar att ta sig an vätgasutmaningen på bred front och med en budget på 162 miljoner kronor kan kompetenscentrumet bidra till utvecklingen inom en rad olika forskningsområden som kopplar till vätgas och tung transport. 

–  Dessutom märker vi ett stort intresse för våra kurser på det nya mastersprogrammet Mobility Engineering här på Chalmers, vilket är mycket glädjande. Man kan lätt säga att vi har medvind nu, säger Tomas Grönstedt.

Läs mer om framstegen: 

Framtidens nordiska flygbehov kan mötas av vätgas

Värmeväxling lovande teknik för vätgasdriven flygtrafik

För mer information, kontakta: 

Tomas Grönstedt, professor, avdelningen för strömningslära, institutionen för mekanik och maritima vetenskaper, Chalmers tekniska högskola, föreståndare för kompetenscentrumet TechForH2, tomas.gronstedt@chalmers.se, 031 772 14 55

Carlos Xisto, docent, avdelningen för strömningslära, institutionen för mekanik och maritima vetenskaper, Chalmers tekniska högskola, carlos.xisto@chalmers.se, 031 772 14 58

Mer om de vetenskapliga studierna:

Artikeln Hydrogen fuel cell aircraft for the Nordic market har publicerats i tidskriften International Journal of Hydrogen Energi och är skriven av Christian Svensson, Amir A.M Oliviera och Tomas Grönstedt. Forskarna är verksamma vid Chalmers tekniska högskola och Federal University of Santa Catarina i Brasilien. 
Forskningen har finansierats av Chalmersledda kompetenscentrumet TechForH2, genom anslag från Energimyndigheten (p20021-90268) och de deltagande partena Volvo, Scania, Siemens Energy, GKN Aerospace, PowerCell, Oxeon, RISE, Stena Rederier AB, Johnsson Matthey, Insplorion, samt Chalmers.

Den vetenskapliga artikeln Compact heat exchangers for hydrogen-fueled aero engine intercooling and recuperation har publicerats i tidskriften Applied Thermal Engineering och är skriven av Alexandre Capitao Patrao, Isak Jonsson, Carlos Xisto, Anders Lundbladh och Tomas Grönstedt. Författarna är verksamma vid Chalmers tekniska högskola och på GKN Aerospace Sweden. 

​​​​​​Tekniken har utvecklats inom EU-projektet ENABLEH2 och projektet PATH som finansierades av Chalmers styrkeområde Transport. Projekten pågick mellan 2018–2022, och då konstruerades den infrastruktur som sedan använts för att testa nya motorkomponenter och göra simuleringar. Inom Chalmers centrum TechForH2 pågår forskning för att ytterligare utveckla tekniken. Forskningen har även fått stöd från EU-programmet Horisont 2020 samt Vetenskapsrådet. 

​​

Om TechForH2

• TechForH2 är ett kompetenscentrum för multidisciplinär vätgasforskning med det övergripande syftet att utveckla ny teknik inom vätgasframdrivning för tyngre fordon som ett viktigt steg i omställningen till ett fossilfritt transportsystem. 
   
• TechForH2 är inrättat av Chalmers och är en gemensam satsning tillsammans med Rise, Volvo, Scania, Siemens Energy, GKN Aerospace, PowerCell, Oxeon, Insplorion, Johnson Matthey och Stena.
   
• Med finansiering från Chalmers, Energimyndigheten och centrets partners, uppgår centrets totala budget till nästan 162 miljoner kronor över en femårsperiod i en första etapp, med möjlighet till förlängning med ytterligare fem år. 
   
• Inom centrumet pågår forskning inom en rad områden som till exempel utveckling av material, produktion, värmehantering, bränsleceller, fordonssystem, sensorer, säkerhet och en mängd samhällsaspekter av en övergång till vätgasdrift av tunga transporter. 

Läs mer om TechForH2 på Chalmers. 

Mer om vätgas och vätgasflyg:

• Vätgas, H2, är en osynlig, luktfri, flyktig gas som blir flytande vid cirka -250 grader celsius (20 kelvin). 
   
• Om vätgasen framställs med hjälp av förnybar energi är den fri från koldioxidutsläpp.
   
• Vätgasflyg kan drivas antingen elektriskt, med hjälp av bränsleceller som genom katalys omvandlar vätgasen till elektricitet, eller med jetmotorer, där vätgasen förbränns i en gasturbin. 
   
• Vätgas innehåller mer energi per kilo än dagens flygfotogen, och har också den fördelen att restprodukten av förbränningen är främst vattenånga.
   
• Gasen är mycket brandfarlig om den blandas med luft, varför högeffektiva sensorer är nödvändiga. 
   
• Inom industrin används idag vätgas vid framställning av till exempel fossilfritt stål. 

Alla tillhörande bilder kan laddas ner från Chalmers pressrum. 

https://news.cision.com/se/chalmers/r/framstegen-som-ger-vatgasflyget-medvind,c4011325