Il ruolo degli interventi di ammodernamento ibrido-elettrico nel percorso verso un'industria aerospaziale a zero emissioni nette. / The role of hybrid-electric retrofits on the road to a net-zero aerospace industry

Il ruolo degli interventi di ammodernamento ibrido-elettrico nel percorso verso un'industria aerospaziale a zero emissioni nette. / The role of hybrid-electric retrofits on the road to a net-zero aerospace industry

Segnalato dal Dott. Giuseppe Cotellessa / Reported by Dr. Giuseppe Cotellessa

L'aviazione commerciale si trova attualmente ad affrontare una delle sfide ingegneristiche più impegnative della sua intera storia: raggiungere emissioni nette pari a zero entro il 2050. Questo obiettivo si basa su una risoluzione non vincolante dell'Associazione Internazionale del Trasporto Aereo (IATA) del 2021, volta a ridurre l'impronta di carbonio del settore.

Fino ad ora, l'industria si è affidata a miglioramenti costanti e graduali nella tecnologia delle turbine a gas e nella progettazione aerodinamica per ridurre il consumo di carburante. Ma la realtà del moderno panorama normativo ed ambientale richiede un ripensamento completo.

Per anni, la propulsione elettrica è stata considerata la soluzione ideale per questo cambiamento. Veniva presentata come il Santo Graal del volo a zero emissioni. Gli aerei elettrici avrebbero potuto solcare i cieli senza emettere anidride carbonica ed i prezzi sarebbero rimasti invariati od addirittura diminuiti.

Ma le leggi della fisica e della scienza dei materiali hanno confinato gli aerei elettrici alimentati esclusivamente a batteria al regno dei taxi aerei leggeri e dei veicoli aerei avanzati per la mobilità urbana. Per decarbonizzare l'aviazione regionale, cargo e per il trasporto di carichi pesanti, la sola propulsione elettrica non sarà sufficiente, a meno che non si verifichi una svolta senza precedenti nella chimica delle batterie.

Gli ingegneri aerospaziali si sono invece rivolti alle architetture ibride-elettriche e stanno cercando di adattarle alle cellule degli aerei più datati. C'è ancora molta strada da fare prima che la turbina tradizionale venga sostituita sugli aerei a lungo raggio, ma quel momento arriverà ed i sistemi ibridi contribuiranno ad accelerare questo processo.

Dipendenza dalla densità energetica

Gli ingegneri aerospaziali conoscono bene la tirannia dell'equazione del razzo. Si può spiegare semplicemente dicendo che il carburante è pesante, quindi per portare il carburante nello spazio ne serve di più. Una situazione simile si presenta con le batterie.

Il carburante per aviazione tradizionale (noto come Jet-A) è estremamente efficiente nell'immagazzinare energia chimica, vantando un'energia specifica di circa 12.000 Wh/kg. Al contrario, la maggior parte delle batterie agli ioni di litio più avanzate e commercialmente valide si attestano intorno ai 250-300 Wh/kg. Anche tenendo conto della maggiore efficienza dei motori elettrici (che operano al 90%, rispetto al 30-40% delle turbine a gas), la quantità di batteria necessaria per completare un volo a lungo raggio è insormontabile, soprattutto per missioni con un carico utile elevato.

Da qui la dipendenza circolare della densità energetica: per volare più lontano, un aereo deve trasportare più batterie, il che richiede di sollevare una massa maggiore, con conseguente aumento della potenza necessaria. Questo effetto cumulativo limita l'autonomia degli aerei puramente elettrici – a meno di una svolta epocale nella tecnologia delle batterie – a poche centinaia di chilometri.

I sistemi ibridi-elettrici superano questa limitazione considerando il combustibile liquido come principale mezzo di accumulo di energia e le batterie semplicemente come fonte di alimentazione supplementare. Combinando un motore a combustione od una turbina tradizionali con un sistema di propulsione elettrica, gli ingegneri possono ottimizzare il sistema di propulsione per le diverse fasi del volo, ottenendo al contempo significativi miglioramenti in termini di efficienza senza sacrificare la capacità di carico utile o l'autonomia.

Definizione dell'architettura ibrida-elettrica

Nella progettazione di un ammodernamento ibrido-elettrico, gli ingegneri di solito possono scegliere tra due architetture ben note agli ingegneri elettrici di tutto il mondo: quella in parallelo e quella in serie.

In una configurazione parallela, la turbina a gas ed il motore elettrico sono entrambi collegati meccanicamente allo stesso albero motore od elica. Durante le fasi di volo che richiedono un elevato consumo energetico, come il decollo e la salita alla quota di crociera, il motore elettrico fornisce un supporto diretto alla turbina a gas, generando un incremento temporaneo di coppia sull'albero motore. Ciò consente agli ingegneri di ridurre il costo della turbina, poiché non è necessario dimensionarla per la potenza di picco necessaria a generare tutta l'energia per il decollo. Le turbine più piccole e leggere che scelgono possono quindi essere ottimizzate per l'efficienza in crociera, poiché una volta raggiunta la quota di crociera, la turbina a gas subentra completamente ed il motore elettrico finisce per funzionare come alternatore per caricare le batterie di bordo.

In una configurazione in serie, non esiste alcun collegamento meccanico tra la turbina a gas e l'elica. La turbina stessa funge esclusivamente da generatore elettrico. Funziona ad un regime di giri costante, ottimizzato per produrre elettricità, che viene convogliata tramite un bus elettrico al motore elettrico, il quale a sua volta aziona le eliche o le ventole. Questo disaccoppia la generazione di energia dalla generazione di spinta, consentendo la realizzazione di progetti aerodinamici completamente nuovi, come la propulsione elettrica distribuita (DEP) che prevede l'installazione di motori più piccoli lungo l'ala per aumentare la portanza e l'efficienza.

Attualmente, per l'ammodernamento degli aerei regionali, la configurazione parallela è la più praticabile. Consente agli operatori di mantenere le cellule e le ali esistenti, sostituendo al contempo un motore obsoleto con un sistema di propulsione ibrido più moderno.

Le sfide ingegneristiche dell'integrazione

Gli interventi di ammodernamento non sono semplici come la sostituzione di un motore. Spesso richiedono un ricablaggio radicale del sistema di gestione dell'energia dell'aeromobile ed introducono nuove sfide in termini di gestione termica e elettronica di potenza ad alta tensione.

I motori elettrici sono efficienti, ma perdono comunque dal 5% al ​​10% della loro energia sotto forma di calore. Ancora più importante, questo calore è altamente concentrato in determinate parti del motore. Ed a differenza delle turbine a gas, che possono espellere la maggior parte del calore attraverso i gas di scarico, i componenti elettrici devono essere raffreddati attivamente. Per fare ciò, gli ingegneri devono concentrarsi sulla progettazione di sistemi di raffreddamento e scambiatori di calore avanzati e leggeri che non introducano un'eccessiva resistenza aerodinamica. Immaginate di dover testare un dissipatore di calore tradizionale per computer, progettato per massimizzare la superficie di contatto con l'aria, in una galleria del vento. Affrontare questa sfida rimane uno dei problemi ingegneristici più complessi nella progettazione di sistemi ibridi-elettrici.

Un altro problema è la gestione della tensione. Il filo di rame, tipicamente utilizzato per condurre l'elettricità nelle applicazioni terrestri, è notoriamente pesante. Per minimizzare questo peso, gli aerei ibridi devono operare a tensioni incredibilmente elevate, spesso da 600 V CC a 1.000 V CC o più. Gestire queste alte tensioni su una piattaforma volante non è un'impresa da poco, soprattutto in presenza di una pressione atmosferica inferiore. Ciò introduce il rischio di archi elettrici e scariche a corona, noto come legge di Paschen. Per contrastare questo fenomeno, gli ingegneri devono progettare isolanti, inverter e raddrizzatori che non siano solo leggeri, ma anche sufficientemente robusti da garantire che non si verifichi mai un cortocircuito catastrofico che potrebbe far precipitare l'intero aereo.

Tutto si riduce al risultato finale

Affermare che l'industria aerospaziale sia fortemente regolamentata è un eufemismo. Progettare, costruire e certificare un aereo completamente nuovo può costare miliardi di dollari e richiedere ben oltre un decennio, e questo ammesso che la Federal Aviation Administration statunitense, l'Agenzia europea per la sicurezza aerea od altri enti regolatori non siano oberati da altre richieste.

Evitare questo costoso processo è uno dei motivi per cui gli interventi di retrofit sono così attraenti. Permettono ai progettisti di utilizzare cellule esistenti e già certificate, come il Cessna Caravan o il De Havilland Dash 8. Le aziende che offrono il retrofit devono quindi certificare solo il nuovo sistema di propulsione attraverso una procedura nota come certificato di tipo supplementare. Ciò riduce drasticamente i tempi di immissione sul mercato e le spese in conto capitale (CapEx) necessarie per implementare tecnologie ibride a basse emissioni.

Ma questo non è il loro unico vantaggio. Il carburante rappresenta dal 20% al 30% delle spese operative totali di una compagnia aerea. Un ammodernamento ibrido-elettrico ben ottimizzato può ridurre il consumo di carburante dal 20% al 40%, a seconda di come viene utilizzato. Ciò può tradursi in milioni di dollari di risparmi sui costi del carburante durante la vita utile di un aeromobile, che va dai 20 ai 30 anni.

I motori elettrici hanno un numero di componenti significativamente inferiore rispetto ai tradizionali motori turboelica. Non richiedono complessi riduttori, pompe del carburante o sistemi di lubrificazione a olio. Di conseguenza, l'intervallo tra le revisioni, un parametro chiave per l'industria aerospaziale, si allunga notevolmente con i sistemi ibridi. Entrambi questi vantaggi, combinati, riducono drasticamente anche i costi operativi di una compagnia aerea.

Guardando al futuro, è probabile che le compagnie aeree saranno soggette ad una maggiore regolamentazione, sia in termini di tassazione sul carbonio che di requisiti ESG. Con l'implementazione da parte dei governi di rigidi meccanismi di tariffazione del carbonio, il costo della combustione del tradizionale carburante Jet-A aumenterà. A un certo punto, i costi di gestione di aeromobili obsoleti con motori tradizionali ad alto consumo di carbonio diventeranno economicamente insostenibili. Gli aggiornamenti ibridi-elettrici offrono una soluzione, evitando che un aeromobile perfettamente funzionante, del valore di milioni di dollari, diventi inutilizzabile a causa degli obblighi normativi.

Ponte verso il futuro

I veicoli ibridi-elettrici non rappresentano il traguardo finale per l'industria aerospaziale. Le emissioni zero sono ancora un obiettivo lontano, che sta attirando sempre più investimenti in ricerca e sviluppo per avvicinarsi gradualmente a esso.

Gli interventi di ammodernamento con tecnologie ibride-elettriche possono rappresentare un ponte pragmatico verso il futuro. Il loro utilizzo permette al settore di ottenere riduzioni immediate e misurabili sia delle emissioni di carbonio che dei costi del carburante, mentre le tecnologie alla base del volo a zero emissioni continuano a maturare.

Ciò non significa che implementare questi sistemi sarà facile. Rimane un delicato equilibrio tra peso, gestione termica e gestione elettrica ad alta tensione. Ma per gli operatori di flotte di tutto il mondo, il passaggio all'ibrido-elettrico rappresenta una decisione razionale ed a breve termine per modernizzare i propri velivoli. Dimostra inoltre che il percorso verso un futuro più verde non sempre richiede di abbandonare il passato. A volte è sufficiente un sistema di propulsione migliore e più intelligente.

ENGLISH

Commercial aviation is currently navigating one of the most demanding engineering challenges in its entire history: hitting net-zero carbon emissions by 2050. This is based on a 2021 International Air Transport Association non-binding resolution to reduce the industry’s carbon footprint.

Up until this point, the industry has relied on steady, incremental improvements in gas turbine technology and aerodynamic design to reduce fuel burn. But the reality of the modern regulatory and environmental landscape requires a complete rethink.

For years, electric propulsion was supposed to offer just that shift. It was touted as the holy grail of zero-emission flight. Electric planes could soar through the skies without emitting any carbon, and prices would stay the same or even potentially drop.

But the realities of physics and material science have confined purely battery-powered electric aircraft to the realm of lightweight air taxis and urban advanced air mobility vehicles. To decarbonize regional, cargo and heavy-lift aviation, electric propulsion alone won’t do the trick unless there is an unprecedented breakthrough in battery chemistry.

Instead, aerospace engineers have turned to hybrid-electric architectures and are attempting to retrofit them to legacy airframes. There’s still a long way to go before the traditional turbine is replaced on long-haul planes, but that time is coming and hybrid systems will help hasten it along.

Energy density dependency

Aerospace engineers are already familiar with the tyranny of the rocket equation. It can simply be explained as the fact that fuel is heavy, so to lift fuel into space, you need more fuel. A similar situation arises with the batteries.

Traditional aviation fuel (known as Jet-A) is extremely good at storing chemical energy, boasting a specific energy of approximately 12,000 Wh/kg. In contrast, most advanced, commercially viable lithium-ion batteries hover around 250 to 300 Wh/kg. Even accounting for the better efficiency of electric motors (which operate at 90% efficiency, compared to gas turbines’ 30% to 40%), the amount of battery that you would have to carry to complete a long-haul flight is insurmountable, especially for missions with a heavy payload.

Hence the circular dependency of energy density: to fly further, an aircraft must carry more batteries, which requires it to lift more mass, resulting in even more power required. This compounding limits the range of purely electric aircraft - again, barring a massive breakthrough in battery technology - to only a few hundred miles.

Hybrid-electric systems bypass this limitation by treating liquid fuel as the primary energy storage medium and batteries simply as supplemental power. By combining a traditional combustion engine or turbine with an electric power train, engineers can optimize the propulsion system for different phases of flight, all the while unlocking significant efficiency gains without sacrificing payload capacity or range.

Defining the hybrid-electric architecture

In designing a hybrid-electric retrofit, engineers usually have a choice between two architectures that will be familiar to electrical engineers everywhere: parallel and series.

In a parallel configuration, the gas turbine and electric motor are both mechanically connected to the same drive shaft or propeller. During energy-intensive phases of a flight, such as takeoff and climbing to cruising altitude, the electric motor provides direct help to the gas turbine, creating a temporary boost in torque delivered to the driveshaft. This allows engineers to decrease the cost of the turbine since it doesn’t need to be sized for the peak power necessary to generate all the power for takeoff. The smaller, lighter turbines they choose can then be optimized for cruise efficiency, as once the plane reaches a cruising altitude, the gas turbine takes over completely and the electric motor ends up working as an alternator to charge the onboard battery packs.

In a series configuration, there is no mechanical link between the gas turbine and the propeller. The turbine itself acts purely as an electric generator. It runs at a constant RPM, optimized to produce electricity, which is routed through an electric bus to the electric motor, which are then used to drive the propellers or fans. This decouples power generation from thrust generation, allowing for completely new aerodynamic designs, such as distributed electric propulsion (DEP) that houses smaller motors along the wing to increase lift and efficiency.

Currently, when retrofitting regional aircraft, the parallel configuration is the most viable. It allows the operators to retain the existing airframes and wings while replacing an aging engine with a more modernized hybrid power train.

The engineering challenges of integration

Retrofits aren’t as easy as simply swapping out an engine. It often requires fundamentally rewiring the aircraft’s power management system and introduces new challenges in the form of thermal management and high-voltage power electronics.

Electric motors are efficient, but they still lose 5% to 10% of their energy as heat. More importantly, that heat is highly concentrated in certain parts of the motor. And unlike gas turbines, which can expel most of their heat through their exhaust, electrical components must be actively cooled. To do this, engineers must focus on designing advanced, lightweight cooling systems and heat exchangers that don’t introduce excessive aerodynamic drag. Imagine trying to test a traditional computer heat sink, which is actively designed for as much surface area with the air as possible, in a wind tunnel. Tackling this challenge remains one of the hardest engineering problems in designing hybrid-electric systems.

Another is voltage management. Copper wire, which is typically used to conduct electricity in terrestrial applications, is notoriously heavy. To minimize that weight, hybrid aircraft must operate at incredibly high voltages - often 600 V DC to 1,000 V DC or more. Managing these high voltages on a flying platform is no mean feat, especially when dealing with lower atmospheric pressure. This introduces the risk of electrical arcing and corona discharge, known as Paschen’s Law. To combat this, engineers have to design insulation, inverters and rectifiers that are not only lightweight, but also robust enough to make sure a catastrophic short circuit that could bring down the entire plane never happens.

It boils down to the bottom line

Claiming the aerospace industry is heavily regulated is a bit of an understatement. Designing, building and certifying a clean sheet aircraft from the ground up can cost billions of dollars and take well over a decade, and that’s if the U.S. Federal Aviation Administration, the European Union Aviation Safety Agency or another regulatory body isn't backlogged with other applications.

Bypassing that expensive process is part of what makes retrofits so appealing. It allows designers to utilize existing, already-certified airframes like the Cessna Caravan or the De Havilland Dash 8. Then the firms offering the retrofit only have to certify the new powertrain through a process known as the supplemental type certificate. This drastically reduces the time to market and lowers the capital expenditure (CapEx) required to deploy lower-emission hybrid technologies.

But that’s not their only advantage. Fuel accounts for 20% to 30% of an airline’s total operational expenses. A well-optimized hybrid-electric retrofit can decrease fuel consumption by 20% to 40%, depending on how it's used. That can result in millions of dollars in lower fuel costs over the 20-to-30-year lifespan of an airframe.

Electric motors have significantly fewer parts than traditional turboprop engines as well. They don’t require complex gearboxes, fuel pumps or oil lubrication systems. Consequently, the time between overhauls, a key metric for the aerospace industry, is vastly extended with hybrid systems. Both of these advantages together dramatically decrease an airline’s operating expenses as well.

But looking to the future, airlines are likely going to be on the receiving end of increased regulation both from carbon taxation and ESG mandates. As governments implement strict carbon pricing mechanisms, the cost of burning traditional Jet-A will rise. At some point the costs of operating legacy airframes with traditional carbon-guzzling engines will become economically unviable. Hybrid-electric retrofits offer a lifeline, so a multi-million dollar perfectly functional airframe doesn’t become stranded by its regulatory liability.

Bridge to the future

Hybrid-electrics aren’t the final destination for the aerospace industry. Zero-emissions is still a goal far on the horizon - one that is attracting more R&D to move incrementally closer.

Hybrid-electric retrofits can be a pragmatic bridge to the future. Utilizing them can allow the industry to achieve immediate, measurable reductions in both carbon emissions and fuel costs, while the technologies underlying zero-emission flight continue to mature..

That’s not to say that implementing these systems will be easy. There is still a delicate balancing act of the weight, thermal management and high-voltage electrical management. But for fleet operators around the globe, shifting to hybrid-electric represents a rational, near-term decision to modernize their aircraft. It also proves that the path to a greener future doesn’t always require throwing away the past. Sometimes it just requires a better, smarter powertrain.

Da:

https://insights.globalspec.com/article/24898/the-role-of-hybrid-electric-retrofits-on-the-road-to-a-net-zero-aerospace-industry?uid=%2D1474234620&uh=f9d092&md=260630&mh=c8f937&Vol=Vol26Issue26&Pub=1&LinkId=2228652&keyword=link%5F2228652&itemid=417886&bid=46352346&frmtrk=newsletter&cid=nl