Il settore dell'aviazione si trova a un bivio cruciale nell'ambito dello sforzo globale per combattere il cambiamento climatico. Con la continua crescita della domanda di viaggi aerei, aumenta anche la pressione per ridurre le emissioni del settore e ridurre al minimo la dipendenza dai tradizionali carburanti per aerei e dagli altri combustibili fossili. Gli aerei sostenibili sono in prima linea in questa trasformazione, stimolando la ricerca, gli investimenti e l'innovazione verso un'aviazione a zero emissioni nette. Con l'obiettivo di rendere i cieli più puliti, l'industria sta esplorando un'ampia gamma di soluzioni economiche ed efficienti dal punto di vista energetico per decarbonizzare l'aviazione, dalla propulsione elettrica ai carburanti alternativi a basse emissioni di carbonio. Questi sforzi non solo offrono significativi vantaggi ambientali, ma ridisegnano anche il futuro dell'aviazione internazionale, ridefinendo il modo in cui operano le compagnie aeree e il modo in cui gli aerei vengono progettati, alimentati e sottoposti a manutenzione.
Sono emerse tre opzioni promettenti: aerei completamente elettrici, aerei ibridi elettrici e celle a combustibile a idrogeno/elettriche. Ciascuna opzione può ridurre il consumo di carburante convenzionale e le emissioni di carbonio. Tuttavia, ciascuna presenta sfide specifiche che richiedono la creazione di un nuovo concetto di progettazione degli aerei e nuovi standard operativi, nonché una valutazione completa del loro impatto ambientale.
Il team Accuris ESDU vanta oltre 80 anni di esperienza nella progettazione ingegneristica validata, offrendo una banca dati senza pari che supporta gli ingegneri nel prendere decisioni di progettazione informate e affidabili. Le nostre conoscenze in materia di aerodinamica, propulsione e progettazione innovativa di aeromobili costituiscono una base fondamentale per la valutazione delle tecnologie sostenibili nel settore dell'aviazione. In questo articolo, parleremo di tre opzioni sostenibili per il trasporto aereo civile ed esporremo le considerazioni da fare per garantire che queste tecnologie emergenti siano valide sia dal punto di vista tecnico che operativo.
Aerei completamente elettrici
A causa dei limiti di autonomia dei propulsori elettrici alimentati a batteria e a causa delle varie sfide poste dagli aerei alimentati a idrogeno, gli aerei pendolari a corto raggio rispettosi dell'ambiente saranno probabilmente i primi tipi di aerei civili sostenibili a entrare in servizio. Attualmente, la compagnia aerea pendolare canadese Harbour Air ha effettuato oltre 90 voli con un de Havilland Canada DHC-2 Beaver alimentato elettricamente e dovrebbe ottenere la certificazione completa dall'autorità di regolamentazione canadese nel 2026-2027. Lo sviluppo degli aerei completamente elettrici è ancora nelle fasi iniziali.
È probabile che i primi aerei completamente elettrici saranno a elica, con motori elettrici che sostituiranno il propulsore. Diverse aziende sono impegnate nello sviluppo e nella certificazione di questi aerei elettrici. Resta da vedere se ciò porterà a un design efficiente. Qual è l'impatto della sostituzione del propulsore e del carburante con le batterie sul carico utile e sull'autonomia? Come punto di partenza, ciò stimolerà lo sviluppo di motori elettrici e di batterie più efficienti e fornirà informazioni utili su come utilizzare aerei rispettosi dell'ambiente.
Aerei ibridi elettrici
Per la sostituzione degli aerei a medio raggio, come l'A320 e il Boeing 737, è probabile che la propulsione ibrida elettrica rappresenterà la prima opzione, seguita dai turbofan alimentati a idrogeno per la sostituzione degli aerei a lungo raggio.
Lo svantaggio della propulsione ibrida elettrica è la necessità di bruciare carburante per generare elettricità, sia per alimentare direttamente il motore elettrico che per caricare le batterie. Il passaggio da una fonte di energia all'altra tende ad essere non efficiente, oltre al fatto che il trasporto dell'unità di potenza ausiliaria (APU) comporta un aumento di peso. Pertanto, la propulsione ibrida elettrica richiederebbe una versione migliore dell'APU per generare l'elettricità necessaria per le eliche/pale scoperte o fan. Ciò comporterebbe lo sviluppo dei sistemi e dell'architettura necessari per filtrare le emissioni della turbina che genera elettricità.
Per integrare la propulsione ibrida elettrica nel settore dell'aviazione, è necessario un approccio olistico, che consenta lo sviluppo tecnologico, la ricerca e l'implementazione di soluzioni sostenibili.
Celle a combustibile a idrogeno/elettriche
Boeing ha utilizzato celle a combustibile a idrogeno/elettriche per alimentare un aereo Dimona biposto costruito dalla Diamond Aircraft Industries austriaca. Una cella a combustibile è un dispositivo elettrochimico che converte direttamente l'idrogeno in elettricità e calore senza produrre sottoprodotti della combustione come l'anidride carbonica. Oltre al calore, l'unico scarico prodotto da una cella a combustibile è l'acqua. Per il decollo e la salita, viene utilizzata una combinazione di batteria e cella a combustibile per alimentare il motore elettrico collegato al propulsore. Una volta superati i 3000 piedi (circa 900 m), le batterie vengono scollegate e viene mantenuto il volo livellato utilizzando solo celle a combustibile per fornire energia al motore elettrico. Sembra che questa tecnologia abbia il potenziale per alimentare piccoli aerei, con o senza pilota, adibiti alla sorveglianza.
La tecnologia delle celle a combustibile potrebbe essere applicata alle APU per grandi aerei commerciali e per aumentare l'autonomia di volo. Tuttavia, si ritiene che le celle a combustibile da sole non saranno in grado di fornire l'alimentazione primaria necessaria per i grandi aerei commerciali. Negli ultimi dieci anni Airbus ha sviluppato e fatto volare una serie di velivoli leggeri completamente elettrici e attualmente sta studiando una serie di concetti per la propulsione a idrogeno per alimentare i futuri aerei civili nell'ambito del progetto ZEROe.
Considerazioni progettuali per aerei sostenibili
L'impatto degli aerei elettrici o alimentati a idrogeno sulla progettazione richiederà un approccio alternativo all'attuale progettazione aeronautica. I nuovi progetti per gli attuali aerei civili si basano in larga misura su progetti già esistenti, poiché un cambiamento radicale sarebbe costoso da sviluppare secondo gli standard di certificazione completi. L'uso dell'energia elettrica o dell'idrogeno rappresenta un cambiamento radicale ed è necessario valutare molte possibili configurazioni, compresi layout non convenzionali come il Blended Wing Body (BWB). Saranno necessarie nuove infrastrutture per supportare l'integrazione degli aerei elettrici e alimentati a idrogeno nelle strutture aeroportuali esistenti.
Ad esempio, la progettazione di aerei elettrici deve tenere conto della posizione delle batterie, della fusoliera e delle ali, nonché dei requisiti di sicurezza. È necessario considerare il raffreddamento e il surriscaldamento (gli incendi delle batterie del Boeing 787 sono stati un problema recente). I progettisti devono decidere se l'aereo deve trasportare batterie di ricambio, nel caso in cui una o due diventino inutilizzabili. Se le batterie si trovano nella fusoliera, il progetto deve rinunciare ai vantaggi della flessione alare, con un possibile aumento di peso. Negli aerei attuali, il carburante viene trasportato nell'ala e il suo peso offre sollievo all'aereo grazie alla flessione alare e alla portanza.
Nei modelli completamente elettrici, il peso al decollo è uguale al peso all'atterraggio, a differenza dei modelli attuali. Che impatto avrà questo sul peso strutturale, soprattutto se servono batterie extra?
Anche la relazione tra quantità di carico utile e autonomia richiederà un nuovo approccio. Attualmente, il peso del carburante viene scambiato con il carico utile e l'autonomia. Per gli aerei alimentati a idrogeno, l'attenzione sarà rivolta alle questioni di sicurezza relative al trasporto e all'impatto sulla progettazione. Ciò rende necessaria l'adozione di nuovi standard di sicurezza internazionali, pratiche raccomandate e linee guida affidabili per la progettazione.
Dal punto di vista operativo degli aeroporti, sarà necessario adeguare le strutture per supportare i nuovi tipi di aerei, tenendo conto della ricarica, dello stoccaggio e della sostituzione delle batterie. Le batterie saranno rimosse e sostituite con altre completamente cariche? In tal caso, quale impatto avrà questo sui tempi di gestione a terra? Il design degli aerei consentirà una sostituzione rapida? L'energia elettrica verrà fornita dalla rete nazionale o sarà locale, dell'aeroporto? Sarà generata utilizzando tecnologie verdi? Inoltre, sarà necessario prevedere spazi adeguati per lo stoccaggio e la fornitura di idrogeno.
Infine, la produzione dei nuovi aerei deve tenere conto dell'impatto sull'ambiente. Occorre inoltre considerare l'impatto ambientale della produzione e dello smaltimento delle batterie.
Il futuro dell'aviazione sostenibile
Il percorso verso un'aviazione sostenibile sta avanzando grazie a sviluppi promettenti nel campo degli aerei ibridi elettrici, della propulsione completamente elettrica e della tecnologia delle celle a combustibile a idrogeno. Sebbene ciascuna di queste soluzioni presenti ostacoli tecnici e operativi specifici, il loro potenziale in termini di riduzione del consumo di carburante e delle emissioni le rende fondamentali per il futuro del settore dell'aviazione.
Con il progredire della ricerca e dello sviluppo, queste alternative sostenibili promettono di trasformare il settore dell'aviazione, offrendo nuovi livelli di prestazioni e aprendo la strada a cieli più puliti. Grazie alla continua innovazione e collaborazione, il futuro del volo è destinato a diventare più efficiente e più sostenibile.
