W polskiej Dolinie Lotniczej powstaje przełomowa koncepcja w pełni elektrycznego układu napędowego dla samolotów. Firma MTU Aero Engines z Rzeszowa realizuje we współpracy z międzynarodowymi partnerami projekt Flying Fuel Cell – systemu, którego podstawowym elementem jest przekształcanie płynnego wodoru w energię elektryczną. Ta technologia ma już za sobą testy mocy 600 kW, a kolejny etap to prototyp o dwa razy większej mocy.
Emisje, koszty i presja na zmianę
Lotnictwo odpowiada za około 3 proc. globalnej emisji dwutlenku węgla. Pełne tankowanie samolotu na trasie międzykontynentalnej to około 310 tys. litrów paliwa. A po naszym niebie krąży około 25 tys. samolotów komercyjnych. Mówimy zatem o setkach milionów litrów paliwa. Dlatego politycy i linie lotnicze coraz głośniej domagają się zmian, które pozwolą oszczędzić – i pieniądze, i środowisko. O ile w motoryzacji elektryfikacja była rewolucją, którą dało się przeprowadzić przy odrobinie determinacji, kilku dopłatach i cierpliwości kierowców, o tyle w lotnictwie sprawa wygląda inaczej.
Dlaczego lotnictwo nie skopiuje motoryzacji
Niestety, nie wystarczy po prostu zaadaptować rozwiązania znanego z innych branż w przestworzach. Samolot to zupełnie inna liga masy, obciążeń i warunków środowiskowych.
– Zaprojektowanie w pełni elektrycznego napędu do statków powietrznych to ogromne wyzwanie. Skalowanie rozwiązań automotive do branży lotniczej napotyka wiele barier. Samoloty to po pierwsze dużo większe maszyny, po drugie operujące w wyjątkowych warunkach. Technologie motoryzacyjne nie sprawdzają się w lotnictwie ze względu na ograniczenia techniczne – mówi Marcin Pietrzak, dyrektor Inżynierii i Technologii MTU Aero Engines Polska.
Samolot musi być lekki, mocny, bezpieczny i wydajny. Baterie – nawet najlepsze – nie spełniają tych warunków jednocześnie. Przynajmniej nie dla maszyn, które miałyby latać dalej niż na sąsiednie podwórko.
– Główną przeszkodą są systemy przechowywania energii – baterie używane w pojazdach elektrycznych powodują w lotnictwie problem narastającej masy. Każdy dodatkowy kilogram przekłada się na wyższe zużycie energii – tłumaczy Marcin Pietrzak.
Kierunek: wodorowa elektryfikacja
Lotnictwo komercyjne stoi przed największym zakrętem technologicznym od czasu wejścia do użytku silników odrzutowych. Regulatorzy naciskają, linie lotnicze liczą koszty, społeczeństwa oczekują realnej redukcji emisji, a przemysł… musi znaleźć drogę wyjścia.
Na Podkarpaciu, w MTU Aero Engines Polska, ta droga wyjścia ma bardzo konkretny wymiar – pracę inżynierów nad projektowaniem komponentów, analizami i specyfikacjami materiałowymi. Wraz z zespołami w Niemczech współprojektują Flying Fuel Cell – napęd, który może zmienić sposób, dzięki któremu samoloty będą się unosiły w powietrzu.
– Jednym z najbardziej obiecujących kierunków dla lotnictwa stają się napędy wodorowe. Spalanie wodoru nie wytwarza szkodliwych substancji takich jak dwutlenek węgla, tlenki siarki czy cząsteczki stałe. Jedynym produktem ubocznym jest para wodna. Wodór oferuje również znaczącą przewagę konkurencyjną pod względem efektywności energetycznej – jego wartość energetyczna wynosi 120 MJ/kg, co daje 2,5-krotną przewagę nad konwencjonalnym paliwem odrzutowym. Ta charakterystyka przekłada się bezpośrednio na optymalizację kosztów operacyjnych – wyjaśnia Marcin Pietrzak.
Największy potencjał tkwi jednak gdzie indziej: wodór można produkować z odnawialnych źródeł energii. Jeśli elektrolizer zasila wiatrak lub farma fotowoltaiczna, cały cykl jest niskoemisyjny. To argument nie tylko ekologiczny, lecz także polityczny i biznesowy. W świecie, w którym ceny emisji dwutlenku węgla rosną, a linie lotnicze rozliczane są z każdego grama spalin, wodór staje się strategiczną walutą przyszłości.
Napęd przyszłości z Rzeszowa
MTU Aero Engines Polska nie idzie utartą ścieżką. Nie proponuje silników, w których wodór jest spalany tak jak paliwo Jet-A1, tylko w innej komorze.
– Ten projekt tworzymy od podstaw z myślą o lotnictwie. Flying Fuel Cell (FFC) to przełomowa koncepcja w pełni elektrycznego układu napędowego, gdzie podstawowym elementem całego systemu jest przekształcanie płynnego wodoru w energię elektryczną – mówi Marcin Pietrzak.
Model działania opiera się na ogniwach paliwowych, w których przez reakcję wodoru z tlenem wytwarzany jest prąd elektryczny wykorzystywany następnie do napędu wysokowydajnego silnika elektrycznego.
600 kW potwierdzone. Następny próg: 1,2 MW
Prace nad FFC wyszły już poza etap cyfrowych modeli.
– Po serii testów potwierdziliśmy, że silnik elektryczny dla tego układu stabilnie utrzymuje ciągłą moc 600 kilowatów – mówi ekspert.
Kolejny krok to prototyp o mocy 1,2 MW. Ma trafić na stanowiska testowe w 2027 r. w ramach HEROPS (Hydrogen-Electric Zero Emission Propulsion System) – europejskiego projektu, którego MTU Aero Engines jest liderem. W działania zaangażowane są również inne czołowe firmy sektora: Collins Aerospace, Lufthansa Technik, Eaton, MT Aerospace.
– Projekt ze względu na złożoność wymaga współpracy podmiotów z różnych krajów. Celem tej inicjatywy jest opracowanie i zademonstrowanie technologii neutralnego klimatycznie, wodorowo-elektrycznego systemu napędowego dla samolotów regionalnych – wyjaśnia Marcin Pietrzak.
Bez przepisów nie ma latania
Prace nad technologią to jedno. Równie trudnym zadaniem jest opracowanie ram prawnych. Flying Fuel Cell to nowa koncepcja, w związku z czym nie istnieją jeszcze odpowiednie standardy, procedury jej zatwierdzania ani systemy kontroli.
– Stworzenie kompletnego systemu certyfikacji to warunek konieczny wejścia tej technologii na rynek, gdyż w lotnictwie bezpieczeństwo determinuje wszystkie decyzje biznesowe i strategiczne. MTU Aero Engines należy do pionierów współpracy z EASA w tym obszarze – wyjaśnia Marcin Pietrzak.
Wąskie gardła: objętość, masa, temperatura
Inne bariery?
– Istnieje kilka wyzwań, nad którymi pracujemy – przyznaje Marcin Pietrzak.
Przykładem jest gęstość objętościowa wodoru. Energetycznie – świetnie, ale objętościowo już nie. Zbiorniki zabierają miejsce, które dziś należy do pasażerów, bo nie da się umieścić ich w skrzydłach, gdzie obecnie magazynowane jest paliwo. To prowadzi do kolejnego wyzwania.
– W przypadku wodoru zbiorniki muszą znajdować się w kadłubie, co wpływa na strukturę maszyny. Zupełnie zmienia się wówczas rozmieszczenie masy, a także pojemność pasażerska samolotu – mówi Marcin Pietrzak.
Według eksperta MTU Aero Engines wyzwaniem jest też zarządzanie temperaturą. Ogniwa paliwowe oddają dużą ilość ciepła. Trzeba je odprowadzać skutecznie, nie tracąc mocy i nie przegrzewając układu.
– W przypadku wodoru energia przewyższa masę, ale konieczne są także specyficzne warunki przechowywania tego paliwa, w zbiornikach kriogenicznych w temperaturze około -250°C, i jest to główne wyzwanie w kwestii implementacji tej technologii. To wszystko oznacza, że samoloty napędzane FFC będą musiały być projektowane według nowych zasad – wyjaśnia Marcin Pietrzak.
Osobnym problemem pozostaje infrastruktura lotniskowa. Nawet najlepszy napęd nie uniesie samolotu, jeśli lotniska nie będą miały instalacji do przechowywania i dystrybucji płynnego wodoru.
Prawdziwa odmiana lotnictwa
Dyrektor Inżynierii i Technologii MTU Aero Engines Polska podkreśla, że konieczne są zmiany w kilku dziedzinach, przede wszystkim w produkcji paliwa. Obecnie tylko 1 proc. wodoru na świecie to wodór zielony, czyli produkowany bez emisji CO₂. Reszta to tzw. wodór szary – tworzony z gazu ziemnego lub ropy. Tani, ale mijający się z celem środowiskowym.
– Produkcja wodoru zielonego jest od 1,5 do aż 6 razy droższa. Obniżenie tych kosztów będzie kluczowe, by zwiększyć jego podaż. Wdrożenie będzie wymagało pokonania wielu wyzwań, ale zielony wodór ma szansę całkowicie zmienić sposób, w jaki będziemy podróżowali samolotami – uważa Marcin Pietrzak.
Czy wodór naprawdę zmieni lotnictwo?
Marcin Pietrzak mówi wprost:
– Jestem przekonany, że wodór stanie się głównym motorem transformacji lotnictwa zarówno dzięki potencjałowi dekarbonizacyjnemu, jak i wydajności.
Wiele wskazuje na to, że pierwsze samoloty z Flying Fuel Cell zobaczymy najpierw na trasach regionalnych. Technologie powstające w Rzeszowie i okolicach mogą trafić do globalnej floty w latach 40. XXI w. Brzmi odlegle, ale tak wygląda kalendarz innowacji w lotnictwie: między pomysłem i certyfikacją leży dekada, czasem dwie.