On the Scalability of Liquid Hydrogen Propulsion for Commercial Aviation

There are currently 27 years left before the crucial date of 2050, when numerous global multilateral collaborations aim to achieve a neutral impact on the environment in order to fight global warming. Aviation is one of these, proposing an intensive use of renewable kerosene (known as SAF) in the short-to-medium term, and then opening up to more innovative and impacting technologies in the long term. Liquid hydrogen is an excellent candidate for achieving these performances in terms of environmental impact: not only it does offer the highest energy per unit mass but it is also totally carbon-free, given that its combustion in air produces only water and a minimal quantity of NOx. Although it is the most abundant element in the universe, it almost does not exist on earth in its pure form and therefore must be derived from other resources: currently more than ten kilograms of CO2 equivalent are produced per kilogram of hydrogen and its global production has an environmental impact similar to that of aviation. Sustainable solutions for Hydrogen production involve converting large amounts of electricity to split elements such as water or methane. Current methods obviously are not sufficient in terms of sustainability, but the work presented suggests that the amount of energy required for sustainable hydrogen production may not be either. The work may be broken down in two distinct areas: the first one is about the initial assessment of the state-of-art of cryogenic hydrogen technology applied to aviation, depicted in the three main components of tank, engine and fuel system, as well as novel hydrogen production methods and dispatch scenario. It is also presented a summary of the Covid-19 pandemic impact on the industry and future fleet projections. The second part instead is focused on the preliminary design of two aircraft family models, a narrow-body and a wide-body, that not only contributes to the expand literature on projected hydrogen aircraft performances but also validate results in line with previous work department.

Mancano ormai 27 anni alla fatidica data del 2050, anno in cui molteplici cooperazioni intergovernamentali pretendono di raggiungere un impatto neutro sull ambiente in modo da contrastare il surriscaldamento globale. L'aviazione è una di queste, proponendo un uso intensivo di kerosene rinnovabile (conosciuto come SAF) nel breve-medio termine, per poi aprirsi a tecnologie più innovative e impattanti sul lungo periodo. L'idrogeno liquido è un candidato ottimo per raggiungere tali prestazioni in termine di impatto ambientale: non solo offre la più alta energia per unità di peso ma è a impatto minimo sull'ambiente, dato che la sua combustione in aria produce solo acqua e una minima quantità di NOx. Anche se è l'elemento più abbondante nell'universo comunque, sulla terra quasi non esiste nella sua forma pura e dunque deve essere derivato da altre risorse: attualmente si producono più di dieci chilogrammi di CO2 equivalente per chilo di idrogeno e la sua produzione ha un impatto ambientale simile a quello dell'aviazione. Le soluzioni sostenibili per la produzione di tale elemento implicano la conversione di elevate quantità di energia elettrica per scindere elementi come acqua o metano. Gli attuali metodi ovviamente non sono sufficienti a fornire un'aviazione basata sull'idrogeno, ma il lavoro svolto suggerisce che anche la quantità di energia necessaria per una produzione sostenibile potrebbe non esserlo. Il lavoro può essere scomposto in due macro aree di interesse: la primo riguarda la valutazione iniziale dello stato dell'arte della tecnologia dell'idrogeno criogenico applicata all'aviazione, rappresentata nei tre componenti principali di serbatoio, motore e del sistema di alimentazione, nonchè le attuali e i nuovi scenari di produzione e spedizione dell'idrogeno. La seconda parte è invece incentrata sulla progettazione preliminare di due famiglie di modelli di velivolo, a fusoliera stretta e fusoliera larga, che contribuiscono non solo ad ampliare la letteratura sulle prestazioni previste dei velivoli a idrogeno, ma anche a convalidare i risultati in linea con precedenti lavori del dipartimento.