Skalerbart hydrogen-system muliggør emissionsfri flyvning

Mobilitet er en afgørende del af vores daglige liv, og luftfart er en nøglekomponent i evnen til at rejse fra et sted til et andet med hastighed.

Ved at gøre det muligt for mennesker og varer at rejse mange mil på få timer, forbinder luftfartsindustrien folk som ingen anden transportform kan. Dette gør den til en væsentlig bidragyder til den globale økonomi og udgør 3,5 % af verdens bruttonationalprodukt (BNP).

Industrien beskæftiger også i alt 86,5 millioner job på verdensplan, med en anslået markedsstørrelse for den globale flyselskabsindustri på over 760 milliarder dollars.

Bemærkelsesværdigt forventes flyselskaber verden over at have transporteret cirka 9,5 milliarder passagerer i 2024, hvilket svarer til en stigning på 104 % i forhold til 2019-niveauet og en vækst på 9 % fra 2023, ifølge ACI World. Denne vækst forventes at accelerere yderligere, med global passagertrafik, der forventes at nå 19,5 milliarder inden 2042.

Luftfartsindustrien udvider sig tydeligt, og dens fremtid er virkelig lovende. Det skal dog også siges, at den bidrager væsentligt til drivhusgasemissioner (GHG).

Selvom luftfart udgør en relativt lille andel af de globale emissioner på 2,5 %, voksede den hurtigere end jernbane, vej eller skibsfart mellem 2000 og 2019. Den øgede efterspørgsel efter internationale rejser efter Covid‑19-pandemien førte faktisk til, at luftfartsudledningerne nåede næsten 950 Mt CO₂.

Luftfartsudledningerne vokser ikke kun i et hurtigt tempo, men de er også en af de mest udfordrende sektorer at dekarbonisere, hvilket udgør en kritisk miljømæssig udfordring.

Som følge heraf er branchens fokus i øjeblikket på at dekarbonisere sine operationer og nå Net Zero-målet, som indebærer at reducere CO₂-emissionerne til et niveau, som naturen kan absorbere inden 2050.

Låse op for hydrogenens løfte om emissionsfri luftfart

Da luftfart bidrager med en betydelig del af den globale kuldioxid- og kondensstrimmeludledning, bliver det yderst vigtigt at udvikle avancerede og omfattende løsninger for at opfylde branchens klimamål.

En lovende løsning er hydrogen, det letteste og mest udbredte kemiske grundstof i universet, som udgør omkring 75 % af al normal materie.

Dette kemiske grundstof er fremkommet som et populært og værdifuldt dekarboniseringsværktøj takket være dets rene forbrænding. Det er et renbrændende brændstof, da det kun producerer vanddamp som biprodukt ved forbrænding.

Desuden er den gravimetriske energitæthed, dvs. den tilgængelige energi pr. enhedsmasse af et stof, for hydrogen cirka 2,8 gange højere end for konventionelt flybrændstof, kerosin. Hydrogen har faktisk den højeste gravimetriske energitæthed af alle kendte stoffer, dvs. ca. 120 kJ/g. Til sammenligning har kerosinbaseret jetbrændstof en energitæthed på 43 MJ/kg.

Dog har hydrogen en lav densitet under normale forhold, dvs. 0,08 kg/m³. Dette medfører store lagringsudfordringer, især for langdistanceflyvninger.

Et praktisk alternativ er at lagre den farveløse, lugtfri og smagsløse gas i flydende form ved 20 K. Denne form øger hydrogenets densitet til 휌퐿퐻2 = 70,8 kg/m³, hvilket er blevet en løsning for luftfartsapplikationer.

Virksomheder har også undersøgt forskellige aspekter af integration af flydende hydrogen (LH2) i fly, herunder termisk styring, trykkontrolmekanismer, isoleringsstrategier og design af kryogene tanke.

Dog er et holistisk system, der integrerer LH2-lagring, termisk styring og overførselskontrol i en form, der er skalerbar til flydesign, stadig underudforsket.

Derfor har et team af forskere fra FAMU-FSU College of Engineering, som er et fælles ingeniørcollege mellem Florida A&M University og Florida State University, designet et flydende hydrogenlagrings- og leveringssystem, der kan hjælpe luftfartsindustrien med at realisere sit nul‑emissionsmål.

Med støtte fra NASA skitserede undersøgelsen et skalerbart, integreret system, der tackler flere ingeniørmæssige udfordringer ved at muliggøre brugen af hydrogen som et rent brændstof. Det anvendes også som et indbygget kølemiddel for kritiske elsystemer ombord på elektrisk drevne fly.

Teamet demonstrerede, at flydende hydrogen kan lagres effektivt, overføres sikkert og bruges til at køle kritiske ombordssystemer, samtidig med at det understøtter flyets strømbehov under start, krydstogt og landing.

Vores mål var at skabe et enkelt system, der håndterer flere kritiske opgaver: brændstoflagring, køling og leveringskontrol. Dette design lægger grundlaget for virkelige hydrogenluftfartssystemer.

Hydrogen hybrid‑elektrisk fly: Skalerbar fremdriftløsning

Udgivet i Applied Energy¹ påtager studiet sig opgaven at reducere luftfartsindustriens kulstof- og kondensstrimmeludledninger, som er centrale bidragydere til klimaforandringer, ved at foreslå et innovativt design for et system til lagring af flydende hydrogen, termisk styring og kontrol af dets overførsel, skræddersyet til Integrated Zero Emission Aviation (IZEA).

IZEA er et akademisk‑industrielt samarbejde, der har til formål at opnå nul drivhusgasemissioner fra kommerciel luftfart. Industrielle partnere omfatter Raytheon Technologies, Boeing og Advanced Magnet Laboratories.

Specifikt undersøger dette samarbejde hybridkraftproduktion gennem en kombination af brændselsceller og turboelektriske generatorer, der bruger hydrogen med enten koncentreret ilt eller omgivende luft.

Målet med IZEA er at finde ud af, hvordan man kan bruge flydende hydrogen som brændstof samt øge effektivitet og effekt uden at øge vægten.

De valgte FAMU-FSU College of Engineering til at hjælpe med at udvikle det bæredygtige luftfartssystem i slutningen af 2022 som en del af et femårigt projekt på 10 millioner dollars.

For at opfylde den nationale agenda for energisystemer og kommerciel flypropulsion for at reducere luftfartsindustriens skadelige emissioner, vil FAMU-FSU-teamet samarbejde med forskere fra University of Kentucky, University at Buffalo, Georgia Tech og industrielle partnere, som annonceret af IZEA for to og et halvt år siden.

Nu har samarbejdet adresseret manglen på et holistisk system ved at bygge et skalerbart og omfattende hydrogenbaseret fremdriftssystem til fremtidige fly.

Projektet starter med kortdistance regionale flyvninger for at vurdere den kortsigtede gennemførlighed af luftfart drevet af flydende hydrogen. Fokus er her på et prototypefly med en blended wing body-konfiguration, som kan transportere 100 passagerer.

Det hybrid‑elektriske fly får strøm fra både brintbrændselsceller og højtemperatur-superledende (HTS) elektriske generatorer, som drives af forbrændingsturbiner, der er brændt med hydrogen.

Brændselsceller tilbyder en løsning til at undgå NOx-emissioner og kondensstrimler, hvilket er grunden til, at organisationer som Airbus og CHEETA også undersøger fly drevet af brændselsceller. Problemet med de nuværende stakke af brændselsceller er dog, at de er ekstremt omfangsrige, hvilket gør det vanskeligt at forsyne et stort fly gennem dets forskellige faser, især under start. Som en løsning på dette problem introducerede teamet den dobbelte strømkilde.

Brændselsceller anvendes under lavbelastningsforhold, såsom taxietog og krydstogt, med en maksimal effekt på cirka 6,8 MW. Imens leverer hydrogen‑turbindrevne superledende generatorer den ekstra kraft (9,4 MW), der er nødvendig under start. Denne kombination giver en samlet topkapacitet på 16,2 MW og øger robustheden ved at give strømredundans.

For at tackle udfordringen med densitet, da hydrogen er mindre tæt og derfor optager meget plads, medmindre det lagres ved -253 °C som en superkold væske, designede forskerne kryogene tanke og tilhørende undersystemer ved hjælp af en ny gravimetrisk indeks.

Indekset er forholdet mellem brændstofmassen og det samlede brændstofsystem, men teamets indeks inkluderer massen af hydrogenbrændstof, tankstruktur, varmevekslere, isolering, arbejdsvæsker og cirkulationsenheder.

For at finde den konfiguration, der giver den maksimale brændstofmasse i forhold til den samlede systemmasse, fortsatte forskerne med at justere nøgleparametre som ventilttryk og varmevekslerdimensioner, indtil de fandt den optimale.

Den ideelle opsætning opnåede en gravimetrisk indeks på 0,62. Det betyder, at 62 % af systemets samlede vægt er brugbart hydrogenbrændstof, hvilket udgør en betydelig forbedring i forhold til konventionelle design.

For termisk styring, den anden nøglefunktion i systemet, installerede forskerne ikke et separat kølesystem, men ledte i stedet den ekstremt kolde hydrogen gennem varmevekslere. Disse varmevekslere, arrangeret i en trinvis sekvens, fjerner spildvarmen fra komponenter som kabler, motorer, superledende generatorer og strøm‑elektronik. Optagelsen af denne varme øger gradvist hydrogenets temperatur.

Optimering af hydrogenlevering og termisk styring under flyvning

Når det gælder levering af flydende hydrogen gennem hele flyet, medfører det sine egne udfordringer. For eksempel tilføjer pumper ikke kun ekstra vægt, men også kompleksitet til systemet og kan generere uønsket varme under kryogene forhold.

For at overvinde disse udfordringer udviklede teamet et pumpe‑frit system, der udnytter tanktryk til at kontrollere flowet af hydrogenbrændstof.

Trykket øges ved at injicere hydrogengas fra en almindelig højtrykscylinder og reduceres ved at ventilere hydrogendamp. For justering af trykket i realtid forbinder en feedback‑sløjfe tryksensorer med flyets strømbehov, hvilket sikrer den korrekte hydrogenstrømningshastighed i alle flyvningsfaser.

Systemet kan ifølge simulationerne levere hydrogen med hastigheder på op til 0,25 kilogram per sekund. Denne leveringshastighed er tilstrækkelig til at dække den 16,2‑megawatt elektriske efterspørgsel under start eller i en nødsituation, hvor flyet skal gå i kredsløb.

Med varmevekslere organiseret i sekventiel rækkefølge, køler hydrogenet først komponenter, der opererer ved kryogene temperaturer, såsom kabler og HTS‑generatorer, når det bevæger sig gennem systemet. Derefter absorberer det varme fra komponenter med højere temperatur, såsom motorer og strøm‑elektronik. Til sidst, før hydrogenet når brændselscellernes indløb, forvarmes det for at matche de optimale forhold ved brændselscellens indløb.

Det er denne trinvis termiske integration, der muliggør, at flydende hydrogen kan bruges både som brændstof og kølemiddel, hvilket maksimerer systemets effektivitet, mens hardwarekompleksiteten minimeres.

“Tidligere var folk usikre på, hvordan man effektivt kan flytte flydende hydrogen i et fly, og om man også kunne bruge det til at køle strøm‑systemkomponenterne. Ikke kun viste vi, at det er gennemførligt, men vi demonstrerede også, at der er behov for en system‑niveau optimering for denne type design.”

– Guo

Fokus i denne undersøgelse var på designoptimering og system‑simulation. I det næste skridt vil forskerne udføre eksperimentel validering. Til dette vil teamet bygge et prototype‑system og derefter udføre tests på FSU’s Center for Advanced Power Systems.

I deres fremtidige arbejde vil forskerne også fokusere på designet af varmevekslerne, som findes i hver cirkulationssløjfe og overfører varme fra komponenterne til arbejdsvæsken. Den nuværende undersøgelse mangler detaljerede specifikationer for materialet, størrelsen og de termiske egenskaber for disse komponenter.

Innovative strategier for termisk styring vil også være i fokus for at køle brændselscelletårnene og håndtere den betydelige varmeudvikling under drift. Disse fremskridt, bemærker undersøgelsen, er afgørende for at forfine den samlede termiske styringsarkitektur og sikre den praktiske implementering af nul‑emissionsluftfartsteknologier.

Investering i hydrogen-drevne luftfartsteknologier

Når det gælder investering i luftfartssektoren, RTX (RTX ) tilbyder en høj‑potentiale mulighed. Verdens største luft- og forsvarsvirksomhed er en central industripartner i IZEA‑samarbejdet. Den har også omfattende FoU‑programmer, der fokuserer på bæredygtige luftfartsteknologier, herunder brændselscelle‑ og hydrogen‑drevne systemer.

RTX Corp. (RTX ) 

RTX opererer gennem tre hovedsegmenter:

• Collins Aerospace leverer teknologisk avancerede luft- og forsvarsprodukter til kommercielle flyselskaber, civile og militære flyproducenter samt rumoperationer.
• Pratt & Whitney-segmentet leverer flymotorer til militære, generelle og kommercielle kunder.
• Raytheon udvikler missiler, smarte våben og avancerede luft‑ og missilforsvarskapaciteter.

Gennem Collins Aerospace- og Pratt & Whitney‑divisionerne er RTX aktivt involveret i udvikling og test af hydrogen‑drevne fly og relaterede teknologier.

Dette inkluderer HySIITE-programmet, som arbejder på at gøre det muligt for luftfartsindustrien at bruge hydrogen i stor skala. Sponsoreret af DOE’s Advanced Research Projects Agency‑Energy, er projektet optimeret til flydende hydrogen og afsluttes i december 2024. HySIITE‑rigtesten viste en 99,3 % reduktion i NOx sammenlignet med en GTF‑motor og op til 35 % forbedring i energieffektivitet.

Dens to andre projekter fortsætter imidlertid med at drive fremtiden for hydrogen i luftfart. Hydrogen Advanced Engine Study (HyADES), støttet af Canadas fælles industri‑og‑regeringsinitiativ, INSAT, arbejder på at fremme brugen af hydrogen til turbopropfly. COCOLIH2T støttes derimod af EU’s Clean Hydrogen Joint Undertaking og udvikler en metode til at lagre brændstof.

Når det gælder Raytheons markedspræstation, har aktierne været i stærk vækst. Selskabets aktier, med en markedsværdi på 183,64 milliarder dollars på tidspunktet for skrivning, har handlet over 137,50 $, et nyt rekordhøjde (ATH) og repræsenterer år‑til‑dato (YTD) gevinster på 18,7 %.

Der har været konstant vækst i RTX‑aktierne de sidste tre årtier. Aktierne er også steget med omkring 21 % siden aprilbunden. Med dette er EPS (TTM) 3,41 og P/E (TTM) 40,31. Raytheon tilbyder også et attraktivt udbytte på 1,98 %.

Hvad angår selskabets finanser, så rapporterede en stærk præstation i første kvartal af 2025 med en omsætningsstigning på 5 % i forhold til året før til 20,3 milliarder dollars og justeret EPS på 1,47 $. Raytheons driftskontantstrøm i denne periode var 1,3 milliarder dollars, og fri kontantstrøm var 0,8 milliarder dollars, mens ordrereserven er 217 milliarder dollars, herunder 92 milliarder dollars inden for forsvar og 125 milliarder dollars inden for kommercielle aktiviteter.

“Vi har haft en stærk start på 2025. Det nuværende miljø er tydeligt meget dynamisk, men vores virksomhed er godt positioneret til at levere operationelt, og vores teams forbliver fokuserede på at opfylde vores forpligtelser og levere vores robuste ordrereserve.”

– RTX President og CEO Chris Calio

For hele 2025 forventer virksomheden justeret omsætning mellem 83‑84 milliarder dollars, justeret EPS mellem 6,00 og 6,15 $, og fri kontantstrøm på 7‑7,5 milliarder dollars, mens det bemærkes, at disse estimater ikke dækker virkningen af de nyligt indførte toldsatser.

Midt i alt dette blev virksomheden netop denne uge tildelt en kontrakt på 536 millioner dollars fra den amerikanske flåde for SPY‑6‑radarfamilien, som nu er installeret på to af deres skibe, med tre yderligere klar til installation. I løbet af det næste årti vil radare blive udrullet på mere end 60 amerikanske flådeskibe.

Som en del af kontrakten vil Raytheon levere fortsat support gennem træning, installation, integration og test, samt softwareopgraderinger for at forbedre radarfunktionerne.

“SPY‑6 er det mest avancerede radar i den amerikanske flådes flåde og giver skibene et nyt forsvarsniveau mod udviklende trusler.”

– Barbara Borgonovi, præsident for Naval Power hos Raytheon.

Det 13. AN/TPY‑2 missilforsvarsradar er også blevet leveret til den amerikanske Missile Defense Agency, hvilket markerer den første enhed med en fuldt GaN‑baseret matrix, som væsentligt forbedrer systemets følsomhed og ydeevne.

Et kontrakt på 1,1 milliarder dollars er også blevet sikret af virksomheden til fremstilling og levering af AIM‑9X Sidewinder‑missiler. Med denne tildeling fortsætter Raytheon sin langsigtede støtte til Sidewinder‑programmet, et bredt anvendt kortdistanse‑missilsystem globalt.

Klik her for en liste over de bedste luft- og forsvarsaktier.

Seneste RTX Corp. (RTX) aktienyheder og udviklinger

Afsluttende tanker: Hydrogenens rolle i bæredygtig luftfart

Luftfartssektoren vokser hurtigt og bidrager til global økonomisk og social udvikling, men samtidig skaber den et presserende behov for at tackle problemet med kulstof‑ og kondensstrimmeludledninger. Her har hydrogen, med sin høje specifikke kemiske energi, vist sig som et lovende rent brændstofalternativ.

Med dette i tankerne præsenterer den seneste undersøgelse en omfattende ramme for design og optimering af et flydende hydrogenlagrings‑, termisk styrings‑ og overførselskontrolsystem, der demonstrerer dets potentiale til at fremme effektive og bæredygtige luftfartsteknologier.

Ved at udnytte hydrogenens positive indvirkning på klimaændringer og luftkvalitet har luftfartsindustrien nu en levedygtig vej til at reducere sit CO₂‑aftryk, hvilket baner vejen for en fremtid, hvor langdistancerejser ikke længere går ud over planeten.

Klik her for de seneste luftfartsinnovationer, der baner vejen for næste generations flyvning.

Studier refereret:

^{1. Virdi, P. S., Guo, W., Cattafesta, L. N. III, Cheetham, P., Cooley, L., Gladin, J. C., He, J., Kim, C., Li, H., Ordonez, J., Pamidi, S., & Zheng, J.-P. (2025). Liquid hydrogen storage, thermal management, and transfer-control system for integrated zero emission aviation (IZEA). Applied Energy, 355, 126054. https://doi.org/10.1016/j.apenergy.2025.126054}