Så kan kryogen vätgas ersätta jetbränsle

2021-01-21 06:00  

Flytande vätgas som bränsle i en turbofläktmotor är en möjlig väg för att sänka utsläppen från flyget. Men för att öka energiutbytet vill Chalmersforskare förvärma den kryogena vätgasen. Så här ska det gå till.

Intresset för vätgasen fortsätter att öka. Det är en energibärare med stor potential att minska utsläppen från tunga transporter.

På Chalmers färdigställs just nu en rigg där vätgas som bränsle i en flygplansmotor ska testas. Det handlar alltså inte om att omvandla vätgasen till elektricitet i en bränslecell. I stället ska den användas som bränsle för att driva en konventionell turbofläktmotor.

– Vi påbörjade arbetet med riggen redan 2017. Det var ett annat läge då. Vätgasen var på väg upp men det var inte alls samma driv som det är i dag, säger Tomas Grönstedt, professor i turbomaskiner på Chalmers.

Tomas Grönstedt, professor i turbomaskiner på Chalmers. Foto: Sören Håkanlind

900 miljoner ton koldioxid

Flyget har öppnat världen för människan som inget annat transportslag. Men det har också ett problem: de 900 miljoner ton koldioxid som det årligen släpper ut. Det motsvarar visserligen bara ett par procent av människans totala utsläpp av växthusgaser. Men flygandet ökar stadigt (bortsett från nu under pandemin). Med en ökningstakt på 3–4 procent per år innebär det att utsläppen kommer att ha fördubblats till 2050. I beräkningen ingår att flygplanen blir 2 procent effektivare varje år.

Läs mer: Den flytande gasen väntar på sitt stora genombrott

Innan pandemin slog till slurpade det kommersiella flyget i sig ungefär 360 miljoner kubikmeter jetbränsle om året, motsvarande drygt 600 Globen. I princip allt bränsle har fossilt ursprung. Till 2050 ska utsläppen halveras jämfört med 2005 års nivå, enligt den internationella flygorganisationen IATA. Biojetbränsle finns ännu bara i försvinnande små mängder och batteriutvecklingen har lång väg att gå innan den kan bära ett par hundra passagerare mellan Stockholm och London. Så hur ska industrin lösa utmaningen?

Svaret på den frågan verkar som i många andra fall vara – just det, vätgas. Den går att använda i en konventionell flygplansmotor, med en del justeringar. Flygplan skulle alltså i princip kunna byggas om för att drivas av förnybar vätgas.

Isak Jonsson, Chalmers. Foto: Sören Håkanlind

-253 grader Celsius

Att byta ut jetbränsle mot vätgas är dock inte gjort i en handvändning. För att planen ska kunna bära med sig tillräckligt med bränsle behöver det förmodligen lagras i flytande form, vilket betyder -253 grader Celsius. Det är extremt kallt, bara 20 grader över den absoluta nollpunkten, men innebär att dubbelt så mycket vätgas kan lagras i samma volym jämfört med om den i stället vore komprimerad gas.

Den kryogena temperaturen medför dock ett annat problem. Att antända den vid så låg temperatur är ineffektivt och skulle kräva 10 procent mer bränsle. Det är denna process som Chalmersforskarna nu ska försöka lösa i riggen, tillsammans med bland annat flygkomponenttillverkaren GKN Aerospace i Trollhättan.

– Vätgasen är kall men har hög specifik värmekapacitet. Det går att hämta upp värme från motorn. I bästa fall kan det ge dubbel nytta. Dels att värma bränslet och dels att ge motorn bättre prestanda. Gör man det rätt kan det ge flygplanen 5–10 procent bättre räckvidd, säger Tomas Grönstedt.

Vätgas är explosiv vid blandning med en viss andel luft (liksom även jetbränsle). Omfattande åtgärder kommer att behövas för att lagra den säkert ombord på planet. En fördel jämfört med jetbränsle är att den har betydligt högre självantändningstemperatur, runt 560 grader Celsius jämfört med 210 grader för jetbränsle.

Det går därmed att värma upp bränslet betydligt mer innan det antänds, utan risk för att det självantänder. För att hänga med i vad forskarna vill åstadkomma kan det kanske passa med en snabb repetition av hur en turbofläktmotor fungerar.

Så fungerar en turbofläktmotor

Grafik Jonas Askergren, faktatexter Johan Kristensson. Källa: Chalmers och GKN

Förenklat består motorn av en fläkt, kompressor, brännkammare och turbin. Fläkten suger in luft i motorn. Det mesta av luften, ungefär 90 procent, strömmar förbi motorkärnan och bidrar direkt till den dragkraft som utvecklas. En sådan motor har ett högt så kallat bypass-förhållande. Den är billigare i drift än en motor med lågt bypass-förhållande, som vanligen används i stridsflyg (men som i stället är bra för överljudsfart).

Läs mer: Första vätgasdrivna passagerarflyget har svenska bränsleceller

De kvarvarande 10 procenten luft går in i kompressorn, där tryck och temperatur höjs i ett antal olika kompressorsteg. När planet lyfter kan luften nå ett tryck om 50 bar och en temperatur över 700 grader Celsius – alltså redan innan någon förbränning har skett. I brännkammaren blandas den komprimerade luften med jetbränsle och antänds. De varma förbränningsgaserna driver en turbin som också den är uppdelad i flera steg. Turbinen driver fläkten via en axel. Därmed är processen i gång.

Processen innehåller flera steg där värme utvecklas. Eftersom målet är att utveckla en motor som går att köra på kryogen vätgas blir den naturliga frågan: Hur kan man värma upp bränslet redan innan det har nått brännkammaren? Det finns förstås flera olika sätt. Med hjälp av Chalmersforskaren Carlos Xisto går vi här igenom tre olika metoder för värmeväxling, som kan användas på fyra olika ställen i motorn (se även grafik en bit ner).

Carlos Xistos, forskare Chalmers. Foto: Sören Håkanlind

1. Förvärmare

En metod är att använda sig av en förvärmare. Den placeras efter fläkten men före kompressorn. Vätgasen leds i tunna rör och värms av den omgivande insugsluften – som ju därmed även kyls ner. Tekniken har bland annat studerats i det EU-finansierade projektet Lapcat, med målet att utveckla en motor för överljudsfart i Mach 5.

2. Mellankylare

Den andra metoden används i kompressorn respektive turbinen. För att förstå hur den fungerar måste vi även introducera ytterligare två viktiga komponenter i en turbofläktmotor, nämligen ledskenor och stag. I en normal motor finns hundratals ledskenor, både i kompressorn och i turbinen. Deras uppgift är att rikta gasflödena mellan de olika stegen i kompressorn respektive turbinen. Stagens uppgift är också att rikta gasflödet, men de är ofta större och kan till exempel sitta i kanalen mellan hög- och mellantryckskompressorn.

Isak Jonsson, ansvarig för den nya testriggen på chalmers, med en 3d-utskriven testgeometri av en ledskena som används för att göra aerodynamiska mätningar i riggen. I ledskenan finns en massa kanaler som används för att föra ut lufttrycket till mätutrustningen. Foto: Sören Håkanlind

De har en central roll i de lösningar för värmeöverföring som Chalmersforskarna nu utvecklar.

I kompressorn kan värmeväxlareintegreras kring ledskenorna och stagen, och vätgasen fås att strömma i kanaler i dessa. Det man åstadkommit är alltså en mellankylare som även värmer bränslet (i fordonssammanhang skulle man kalla mellankylaren för intercooler eller laddluftkylare).

Fördelen med att kyla den komprimerade luften är också att det krävs mindre kompressorarbete för att åstadkomma samma tryckstegring, med följden att man kan konstruera en mindre kompressor.

Mer specifikt består lösningen som Chalmersforskarna lägger fram av tre värmeväxlare på olika platser i kompressorn. Den första är placerad vid ledskenorna som leder luften ut från mellantryckskompressorn. Den andra placeras vid stagen i kanalen mellan hög- och mellantryckskompressorn. Den sistnämnda placeras vid ledskenorna som riktar luften in i högtryckskompressorn.

3. Turbinkylning

Den tredje metoden äger rum efter att bränslet har antänts. Förbränningsgaserna i turbinen är så varma, över 1 500 grader Celsius, att materialen i turbinbladen riskerar att smälta. I en konventionell turbofläktmotor kyls bladen till exempel genom att luft flödar runt dem och på så sätt bildar en skyddande lufthinna. Luften hämtas från kompressorn. Genom att kyla ner denna luft med hjälp av vätgasen kan förlusterna minskas, eftersom en mindre mängd luft behöver användas för att åstadkomma samma kyleffekt. Värmeväxlaren för detta ändamål har flera tänkbara placeringar i motorn, eftersom luften leds i rör från kompressorn.

4. Avgasvärmeväxlare

Det fjärde stället i motorn där man kan integrera en värmeväxlare är vid turbinens stag, enligt samma metod som i fallet med mellankylaren i kompressorn. Principen är densamma, men i detta fall skulle värmeväxlaren kallas för avgasvärmeväxlare (eller rekuperator).

Grafik Jonas Askergren, faktatexter Johan Kristensson. Källa: Chalmers och GKN

GKN: I mitten av revolutionen

GKN är en av världens största underleverantörer av ledskenor och stag till motortillverkarna, vilket förklarar deras medverkan i projektet.

– Om forskarna här säger att vi behöver bygga flygmotorerna på ett annat sätt vill vi vara med och industrialisera designen. Vi gör inte alla komponenter i en flygplansmotor, till exempel inte de värmeväxlare som behövs för att en vätgasmotor ska fungera. Men de måste placeras precis där våra komponenter sitter. Plötsligt verkar vi befinna oss i mitten av den här revolutionen, säger Anders Lundbladh, som är GKN:s specialist på flygmotorer och adjungerad professor i framdrivningsteknik på Chalmers.

Anders Lundbladh, expert hos GKN på flygmotorer, adjungerad professor i framdrivningsteknik på Chalmers. Foto: Sören Håkanlind

Beräkningar visar alltså att värmeväxlarna sammanlagt kan ge flygplanet upp till 10 procent längre räckvidd med samma mängd bränsle. Temperaturen på vätgasen har höjts från -253 grader Celsius till omkring 450 grader innan den förbränns.

Testrigg byggs

Men att gå från teori till praktik kräver såklart omfattande tester. Det är där Isak Jonsson kommer in i bilden. Han är ansvarig för den testrigg som just nu färdigställs på Chalmers.

Isak Jonsson, ansvarig för testriggen på Chalmers. Foto: Sören Håkanlind

Målsättningen är en rigg som kan ge meningsfulla testdata utan att för den delen vara en komplett testmotor, som lätt kan kosta en miljard kronor. Det handlar om att hitta balans mellan användbarhet och kostnad, säger han.

Riggen är byggd för att efterlikna förhållandena i en lågtryckskompressor i en framtida turbofläktmotor som framförs i relativt låg fart, cirka 300 kilometer per timme. I den blir det möjligt att testa aero- och termodynamiska egenskaper hos komponenter som ledskenor och stag. Anläggningen är alltså långt ifrån en komplett testmotor, utan en maskin som representerar en mindre del av motorn.

Robert Hell, GKN, och Isak Jonsson, Chalmers, på den nya riggen som ska efterlikna förhållandena i turbofläktmotorns mellantryckkompressor. Till höger syns den äldre riggen, som representerar förhållandena efter lågtrycksturbinen. Foto: Sören Håkandlind

Reynoldstalet avgörande

Ett viktigt värde vid test av strömningsmaskiner likt flygmotorer är Reynoldstalet. Det används för att beskriva hur en gas eller vätska beter sig vid strömning. Ett lågt Reynoldstal innebär typiskt ett ordnat, laminärt flöde – ett högt innebär turbulent. Genom att bygga en relativt stor anläggning så kan man uppnå liknande Reynoldstal som i en riktig motor vid relativt fasta låga hastigheter nere på marken. Att den är större och med lägre hastighet möjliggör viktig instrumentering.

Den nya riggen på Chalmers har ett Reynoldstal på runt 600 000, vilket är ungefär hälften jämfört med förhållandena i en fullstor kompressor. Hade riggens Reynoldstal varit låt säga 200 000 hade egenskaperna riskerat att bli fundamentalt annorlunda.

– Det är därför du behöver bygga en relativt stor rigg, vilket också gör dem dyra, säger Anders Lundbladh.

– Det här är det enklaste flödet vi kan åstadkomma i ett labb och samtidigt kunna använda resultaten när vi skalar till en riktig motor, säger Isak Jonsson.

Sedan tidigare finns en annan liknande rigg byggd alldeles intill, men som i stället representerar förhållandena efter lågtrycksturbinen, det vill säga efter brännkammaren.

– Riggarna är ungefär lika stora men har olika användningsområden. Att vi har båda två i samma anläggning är rätt unikt, säger Isak Jonsson.

En testprob installeras i turboriggen av Isak Jonsson. Foto: Sören Håkanlind

Ingen vätgas i riggen

Det finns ingen kall vätgas i riggen, för den som undrar. I stället används varmt vatten som ersättning. Forskarna mäter alltså överföringen av värmeenergi mellan vattnet och luften. I en riktig flygmotor är ju energiflödet det motsatta, från luften till vätgasen. Men principen blir densamma.

Utvecklingen av värmeöverföringen som Chalmersforskarna nu genomför är en del av det EU-finansierade forskningsprogrammet Enable H2, där en rad aktörer undersöker vad som behöver hända för att möjliggöra vätgasflyg. Programmet är treårigt och avslutas under året.

Johan Kristensson

Mer om: Vätgas Flygplan

Kommentarer

Välkommen att säga din mening på Ny Teknik.

Principen för våra regler är enkel: visa respekt för de personer vi skriver om och andra läsare som kommenterar artiklarna. Alla kommentarer modereras efter publiceringen av Ny Teknik eller av oss anlitad personal.

  Kommentarer

Debatt