Brintfly II: Brint som brændstof

Der er to muligheder for at bruge brint som brændstof i et fly. Den mest ligefor er at bruge brinten som brændstof i en turbomotor, hvilket kan lade sig gøre. En anden mulighed er at kombinere brinten med luftens ilt i en brændselscelle, som producerer strøm (det omvendte af elektrolyse), der så kan bruges i elmotorer med en propel eller i en ”ducted fan” – dvs. en turbofan hvor indmaden er skiftet ud med en elmotor; det meste tryk kommer alligevel fra bypassluften i en moderne turbofan. Dette kan bruges til et rent elektrisk fly eller til et brint-batteri eller brint-jetfuel hybridfly.

Som brændstof i en turbomotor

Når brint brændes i atmosfæren, dannes der vand (H₂O) med ilt fra luften. Der dannes ikke CO₂, for der er intet kulstof involveret i processen, men der dannes kvælstofilte (NO_x), da atmosfærisk luft hovedsageligt består af kvælstof – men ikke så meget som ved forbrænding af jetfuel, der er en mere uren proces. Der kan også dannes kondensstriber fra vanddampen, og reflektionen herfra kan umiddelbart have en større effekt på jordens opvarmning end CO₂. Til forskel fra CO₂ er kondensstriber dog en kortvarig proces – effekten akkumuleres ikke. Og kondensstriber kan undgås, da de kun dannes under særlige forhold, som man kan flyve udenom. Kondensstriber indvirkningen på klimaet fra forbrænding af brint i forhold til kondensstriber ved forbrænding af carbonforbindelser er uklar, fordi omfanget og tætheden er forskellig.

I HySIITE projektet har P&W udviklet en (ny) teknologi, hvor den dannede vanddamp injiceres igen i motoren og reducerer NO_x. Waterinjection er i virkeligheden en gammel teknologi, som blev afprøvet uden længerevarende succes i de allerførste turbomotorer til fly.

Diagram af Hysiite motoren; kilde P&W

HySIITE-motoren er kompliceret; selve indmaden vendes, så flowet, der deltager i forbrændingen, først går den ene vej ind i motoren, så den modsatte vej tilbage gennem forbrændingscellen og til sidst den første vej igen ud af motoren, hvor udstødningen først afkøles, så vandet kondenseres og kan udskilles før det sprøjtes ind i forbrændingskammeret. P&W hævder at tæt på al NO_x, som er den eneste forurening ved brintmotoren, forsvinder ved denne proces.

Tyske MTU har et parallelt program til udvikling af en avanceret ’Hybrid-Electric and Water-Enhanced Turbofan’, men ikke til brint.

Til generering af el i en brændselscelle

Brændselscellen er den reneste måde at bruge brint på.

I en brændselscelle dannes strøm når brint reagerer med luftens ilt og danner vand (2H₂ + 0₂ = 2H₂0 + energi inkl. varme) – det omvendte af elektrolyse, hvor strøm bruges til at opdele vand i ilt og brint.

Propelfly med brændselsceller; kilde Universal Hydrogen

Der er to typer brændselsceller.

I lavtemperaturstrukturen PEMFC, som virker ved 30 – 100 ^oC, bliver det tilførte brint spaltet i en proton, som går gennem elektrolytten, og en elektron, der kan ledes uden om som strøm. På den anden side af elektrolytten forenes protoner og elektroner igen til brint, som danner vand sammen med den tilførte ilt.

Lav temperaturbændselscelle til venstre og højtemperatur til højre; efter Adler & Martins

I højtemperaturstrukturen SOPC, som virker ved 600 – 1000 ^oC, er det kernerne fra ilten, der går gennem elektrolytten, og vandet udskilles på brintsiden.

Lavtemperaturvarianten er den mest benyttede, da den har højere energitæthed og hurtigt kan tændes og slukkes. Højtemperaturvarianten kræver derimod lang tids forvarmning, og den er ikke helt forureningsfri, da højtemperaturprocesser medfører NO_x Men den har andre fordele, bl.a. er den mere holdbar fordi elektrolytten er et fast stof, og den er nemmere at køle, fordi temperaturforskellen til den omgivende luft er større; varmehåndtering er nemlig et problem med en brændselscelle.

En brændselscelle burde i princippet have en høj virkningsgrad, da det er ren omsætning af kemisk energi til elektrisk energi. I praksis har et motorsystem baseret på brændselsceller en samlet virkningsgrad på under 50 % – dvs. ikke meget mere end det halve af en effektiv turbofan motor. En brændselscelle skaber altså meget varme, som er svær at komme af med i modsætning til i en turbofan, hvor varmen afgives gennem udstødningsgassen. Det sker ikke med en brændselscelle, som derfor kræver aktiv køling fx med en varmeveksler.

Selv om energitætheden pr. vægt for brint er ca. tre gange så stor som i jetfuel, er der sjældent en vægtfordel ved et brændselscelle baseret fly, da tanken til opbevaring af brint er tung i forhold til vingetanke til jetfuel, hvis vægt kan regnes til nul, da de indgår i vingens strukturelle konstruktion. Desuden er en brændselscellemotor meget tungere end en turbofan pga. vægten af strukturer til at håndtere gasflowet og køling – som ofte udgør mere end halvdelen af vægten.

Hybridsystemer

En smart mulighed kunne være et integreret system, hvor brændselscellen med en hjælpe-elmotor indbygges i en turbofan motor til brint, hvor den komprimerede luft fra kompressoren øger brændselscellens effektivitet, og den tiloversblevne brint kan tilføres motoren lige som det producerede vand kan injiceres i forbrændingskammeret og forøge effektiviteten og nedbringe NO_x.

Turbofan med integreret elmotor med brændselscelle; efter Bradley and Droney

Hybride systemer kommer dog altid med en vægtstraf, og det er et spørgsmål, om den øgede effektivitet vil kunne opveje dette.