Modular approach to hydrogen hybrid-electric aircraft design

Within the general process of vehicle electrification currently ongoing, aviation is involved as well, pushed by increasingly more severe noise and pollution requirements. The exponential growth in number of daily civil flights predicts the doubling of aircraft in service (from the current 22000 to 48000 aircraft) in the next twenty years. In this scenario the development of new technologies, in particular those related to electric propulsion, are crucial and hydrogen represents a valid alternative to energy storage in batteries. The aim of the present thesis is to analyze the peculiarities of hydrogen fuel cells and a methodology has been developed for the application of this technology to aviation. A Matlab code, called Flycell, has been developed to pursue the objective. A preliminary sizing of different aircraft has been carried out. A conceptual conversion to hydrogen fuel of the powertrain has been completed, considering design and performance parameters. Three aircraft, with passengers numbers between 10 and 70, have been studied. A sensitivity analysis of the main parameters involved has been performed to find out design trends in function of the different operating conditions and design values.

Il processo di elettrificazione dei veicoli sta coinvolgendo sempre più anche il settore dell’aviazione, in cui i requisiti riguardanti l’inquinamento acustico e le emissioni nocive diventano sempre più stringenti. La crescita esponenziale nel numero quotidiano di voli civili, stimata attorno al 4.5% annuo, prevede un raddoppio negli aeromobili in servizio nei prossimi 20 anni (dagli attuali 22000 ad un valore previsto di 48000 velivoli). In questo scenario è fondamentale lo sviluppo di nuove tecnologie, in particolare legate alla propulsione elettrica. L’idrogeno rappresenta, in questo senso, una valida alternativa allo stoccaggio di energia all’interno di batterie. L’obiettivo del lavoro di tesi è stato quello di analizzare le peculiarità delle celle a combustibile ad idrogeno e di sviluppare una metodologia di calcolo per l’applicazione di tale tecnologia in aviazione. Un codice in ambiente Matlab, denominato Flycell, è stato sviluppato e validato per perseguire tale scopo. Un primo approccio di dimensionamento è stato applicato a diverse tipologie di velivolo. Una serie di parametri di progetto e di prestazione sono stati considerati nell’ottica di una conversione all'idrogeno del sistema propulsivo. In particolare sono stati analizzati tre velivoli, con un numero di passeggeri a bordo compreso tra 10 e 70. Un’analisi di sensitività è stata infine eseguita sui principali parametri coinvolti, così da valutarne la tendenza al variare di condizioni operative o di progetto del velivolo.