Sistema di Idrogeno Scalabile Consente Volo a Emissioni Zero

La mobilità è una parte fondamentale della nostra vita quotidiana, e l’aviazione è un elemento chiave di questa capacità di viaggiare da un luogo all’altro rapidamente.

Consentendo a persone e merci di percorrere miglia in poche ore, l’industria aeronautica collega le persone come nessun altro mezzo di trasporto può. Questo la rende un contributore significativo all’economia globale, rappresentando il 3,5% del prodotto interno lordo (PIL) mondiale. 

Il settore sostiene anche un totale di 86,5 milioni di posti di lavoro a livello globale, con una dimensione di mercato stimata dell’industria aerea mondiale che supera i 760 miliardi di dollari.

In particolare, si prevede che le compagnie aeree di tutto il mondo trasporteranno circa 9,5 miliardi di passeggeri nel 2024, rappresentando un aumento del 104% rispetto ai livelli del 2019 e un incremento del 9% rispetto al 2023, secondo ACI World. Si prevede che questa crescita accelererà ulteriormente, con il traffico passeggeri globale che dovrebbe raggiungere i 19,5 miliardi entro il 2042.

L’industria aeronautica sta chiaramente espandendosi, e il suo futuro è davvero promettente. Detto ciò, contribuisce anche in modo considerevole alle emissioni di gas serra (GHG).

Mentre l’aviazione rappresenta una quota relativamente piccola delle emissioni globali, pari al 2,5%, è cresciuta più rapidamente di ferrovia, strada o navigazione tra il 2000 e il 2019. Questa crescente domanda di viaggi internazionali dopo la pandemia di Covid-19 ha effettivamente portato le emissioni dell’aviazione a quasi 950 Mt di CO2.

Non solo le emissioni dell’aviazione stanno crescendo rapidamente, ma è anche uno dei settori più difficili da decarbonizzare, rappresentando una sfida ambientale critica.

Di conseguenza, l’attenzione dell’industria è attualmente rivolta alla decarbonizzazione delle sue operazioni e al raggiungimento dell’obiettivo Net Zero, che comporta la riduzione delle emissioni di CO2 a un livello che la natura possa assorbire entro il 2050.

Sbloccare la Promessa dell’Idrogeno per l’Aviazione a Emissioni Zero

Poiché l’aviazione contribuisce in modo significativo alle emissioni globali di anidride carbonica e alle scie di condensazione, diventa estremamente importante sviluppare soluzioni avanzate e complete per raggiungere gli obiettivi climatici del settore.

Una soluzione promettente è l’idrogeno, l’elemento chimico più leggero e più abbondante dell’universo, che costituisce circa il 75% di tutta la materia ordinaria.

Questo elemento chimico è emerso come uno strumento di decarbonizzazione popolare e prezioso grazie alla sua combustione pulita. È un combustibile a combustione pulita poiché produce solo vapore acqueo come sottoprodotto quando bruciato.

Inoltre, la densità energetica gravimetrica, ovvero l’energia disponibile per unità di massa di una sostanza, dell’idrogeno è circa 2,8 volte superiore a quella del carburante aeronautico convenzionale, il cherosene. L’idrogeno ha effettivamente la più alta densità energetica gravimetrica di tutte le sostanze conosciute, cioè ~120 kJ/g. Al contrario, il carburante per jet a base di cherosene ha una densità energetica pari a 43 MJ/kg.

Tuttavia, l’idrogeno ha una bassa densità in condizioni ambientali, cioè 0,08 kg/m³. Ciò comporta importanti sfide di stoccaggio, soprattutto per i voli a lungo raggio.

Un’alternativa pratica è immagazzinare il gas incolore, inodore e insapore in forma liquida a 20 K. Questa forma aumenta la densità dell’idrogeno a 휌퐿퐻2 = 70,8 kg/m³, emergendo come soluzione per le applicazioni aeronautiche.

Le aziende hanno anche esplorato vari aspetti dell’integrazione dell’idrogeno liquido (LH2) negli aeromobili, inclusi la gestione termica, i meccanismi di controllo della pressione, le strategie di isolamento e la progettazione di serbatoi criogenici.

Tuttavia, un sistema olistico che integri lo stoccaggio LH2, la gestione termica e il controllo del trasferimento in una forma scalabile per la progettazione degli aeromobili è ancora poco studiato.

Pertanto, un team di ricercatori del FAMU-FSU College of Engineering, che è una scuola di ingegneria congiunta della Florida A&M University e della Florida State University, ha progettato un sistema di stoccaggio e consegna di idrogeno liquido che può aiutare l’industria aeronautica a realizzare il suo obiettivo di zero emissioni.  

Con il supporto della NASA, lo studio ha delineato un sistema integrato e scalabile che affronta molteplici sfide ingegneristiche consentendo l’uso dell’idrogeno come combustibile pulito. Viene anche impiegato come mezzo di raffreddamento integrato per i sistemi di potenza critici a bordo di aeromobili elettrici. 

Il team ha dimostrato che l’idrogeno liquido può essere immagazzinato in modo efficiente, trasferito in sicurezza e utilizzato per raffreddare i sistemi critici a bordo, supportando al contempo le esigenze di potenza dell’aeromobile durante le fasi di decollo, crociera e atterraggio.

“Il nostro obiettivo era creare un unico sistema che gestisse più compiti critici: stoccaggio del carburante, raffreddamento e controllo della consegna. Questo design pone le basi per sistemi di aviazione a idrogeno reali.”

Aeromobile Ibrido-Elettrico a Idrogeno: Soluzione di Propulsione Scalabile

Pubblicato su Applied Energy¹, lo studio affronta il compito di ridurre le emissioni di carbonio e le scie di condensazione dell’industria aeronautica, che sono importanti contributori al cambiamento climatico, proponendo un design innovativo per un sistema di stoccaggio dell’idrogeno liquido, gestione termica e controllo del trasferimento, personalizzato per l’Integrated Zero Emission Aviation (IZEA). 

L’IZEA è una collaborazione accademico-industriale volta a raggiungere zero emissioni di gas serra dall’aviazione commerciale. I partner industriali includono Raytheon Technologies, Boeing e Advanced Magnet Laboratories.

In particolare, questa collaborazione esamina la produzione di energia ibrida attraverso una combinazione di celle a combustibile e generatori turboelettrici, utilizzando idrogeno con ossigeno concentrato o aria ambiente.

L’obiettivo dell’IZEA è capire come utilizzare l’idrogeno liquido come carburante e aumentare l’efficienza e la potenza senza aumentare il peso.

Hanno selezionato il FAMU-FSU College of Engineering per aiutare a sviluppare il sistema di aviazione sostenibile alla fine del 2022, come parte di un progetto quinquennale da 10 milioni di dollari.

Per realizzare l’agenda nazionale per i sistemi energetici e la propulsione degli aeromobili commerciali al fine di ridurre le emissioni nocive dell’industria aeronautica, il team FAMU-FSU collaborerà con ricercatori dell’University of Kentucky, dell’University at Buffalo, della Georgia Tech e con partner industriali, come annunciato da IZEA due anni e mezzo fa.

Ora, la collaborazione ha affrontato la mancanza di un sistema olistico costruendo un sistema di propulsione a idrogeno scalabile e completo per gli aeromobili del futuro. 

Il progetto inizia con voli regionali a breve distanza per valutare la fattibilità a breve termine dell’aviazione alimentata da idrogeno liquido. L’attenzione è rivolta a un aeromobile prototipo con configurazione blended wing body, in grado di trasportare 100 passeggeri.

L’aeromobile ibrido-elettrico attinge energia sia dalle celle a combustibile a idrogeno sia da generatori elettrici superconduttori ad alta temperatura (HTS), azionati da turbine di combustione alimentate a idrogeno.

Le celle a combustibile offrono una soluzione per evitare le emissioni di NOx e le scie di condensazione, motivo per cui organizzazioni come Airbus e CHEETA stanno anche studiando aeromobili alimentati da celle a combustibile. Tuttavia, il problema con gli attuali stack di celle a combustibile è che sono estremamente ingombranti, rendendo difficile alimentare un grande aeromobile in tutte le sue fasi, in particolare durante il decollo.  Come soluzione a questo problema, il team ha introdotto la fonte di energia duale. 

Le celle a combustibile sono utilizzate durante condizioni di carico basso, come il rullaggio e la crociera, con una potenza massima di circa 6,8 MW. Nel frattempo, i generatori superconduttori azionati da turbine a idrogeno forniscono la potenza aggiuntiva (9,4 MW) necessaria durante il decollo. Questa combinazione porta la potenza totale a un picco di 16,2 MW e migliora la resilienza fornendo ridondanza di potenza.

Per affrontare la sfida della densità, poiché l’idrogeno è meno denso e occupa molto spazio a meno che non sia immagazzinato a -253°C come liquido superfreddo, i ricercatori hanno progettato serbatoi criogenici e i relativi sottosistemi utilizzando un nuovo indice gravimetrico.

L’indice è il rapporto tra la massa del carburante e l’intero sistema di carburante, ma l’indice del team include la massa del carburante a idrogeno, la struttura del serbatoio, gli scambiatori di calore, l’isolamento, i fluidi di lavoro e i dispositivi di circolazione.

Per trovare la configurazione che fornisce la massima massa di carburante rispetto alla massa totale del sistema, i ricercatori hanno continuato a regolare i parametri chiave come la pressione di sfiato e le dimensioni degli scambiatori di calore fino a individuare quella ottimale.

Il layout ideale ha raggiunto un indice gravimetrico di 0,62. Ciò significa che il 62% del peso totale del sistema è carburante a idrogeno utilizzabile, rappresentando un miglioramento significativo rispetto ai progetti convenzionali.

Per la gestione termica, l’altra funzione chiave del sistema, i ricercatori non hanno installato un sistema di raffreddamento separato ma hanno invece convogliato l’idrogeno estremamente freddo attraverso scambiatori di calore. Questi scambiatori, disposti in sequenza a tappe, rimuovono il calore sprecato da componenti come cavi, motori, generatori superconduttori ed elettronica di potenza. L’assorbimento di questo calore aumenta gradualmente la temperatura dell’idrogeno.

Ottimizzare la Consegna di Idrogeno e la Gestione Termica in Volo

Quando si tratta di distribuire l’idrogeno liquido all’interno dell’aeromobile, ciò presenta proprie sfide. Ad esempio, le pompe non solo aggiungono peso extra ma anche complessità al sistema e possono generare calore indesiderato in condizioni criogeniche. 

Per superare queste sfide, il team ha sviluppato un sistema senza pompe che utilizza la pressione del serbatoio per controllare il flusso del carburante a idrogeno. 

La pressione viene aumentata iniettando gas di idrogeno da un cilindro ad alta pressione regolare e diminuita mediante sfiato del vapore di idrogeno. Per la regolazione in tempo reale della pressione, un ciclo di retroazione collega i sensori di pressione alle richieste di potenza dell’aeromobile, garantendo la corretta portata di idrogeno in tutte le fasi di volo. 

Il sistema, secondo le simulazioni, è in grado di fornire idrogeno a velocità fino a 0,25 chilogrammi al secondo. Questa velocità di consegna è sufficiente a soddisfare la domanda elettrica di 16,2 megawatt durante il decollo o in caso di emergenza, quando l’aeromobile deve effettuare un giro di ritorno.

Con gli scambiatori di calore organizzati in ordine sequenziale, man mano che l’idrogeno si sposta nel sistema, il gas prima raffredda i componenti che operano a temperature criogeniche, come cavi e generatori HTS. Poi assorbe calore da componenti a temperature più elevate, come motori ed elettronica di potenza. Infine, prima che l’idrogeno raggiunga le celle a combustibile, viene preriscaldato per corrispondere alle condizioni ottimali di ingresso della cella a combustibile.

È questa integrazione termica a tappe che consente all’idrogeno liquido di essere utilizzato sia come carburante sia come refrigerante, massimizzando l’efficienza del sistema e riducendo al minimo la complessità dell’hardware.

“In precedenza, le persone non erano sicure di come spostare efficacemente l’idrogeno liquido in un aeromobile e se fosse possibile usarlo anche per raffreddare i componenti del sistema di potenza. Non solo abbiamo dimostrato che è fattibile, ma abbiamo anche mostrato che è necessaria un’ottimizzazione a livello di sistema per questo tipo di design.”

– Guo

L’obiettivo dello studio era l’ottimizzazione del design e la simulazione del sistema. Nel prossimo passo, i ricercatori effettueranno una validazione sperimentale. Per questo, il team costruirà un sistema prototipo e poi eseguirà test presso il Center for Advanced Power Systems della FSU.

Nel loro lavoro futuro, i ricercatori si concentreranno anche sul design degli scambiatori di calore, presenti in ogni ciclo di circolazione, che trasferiscono calore dai componenti al fluido di lavoro. Lo studio attuale manca di specifiche dettagliate per il materiale, le dimensioni e le proprietà termiche di questi componenti.

Le strategie innovative di gestione termica saranno inoltre al centro dell’attenzione per raffreddare gli stack delle celle a combustibile e affrontare la significativa generazione di calore durante il funzionamento. Questi progressi, ha osservato lo studio, sono fondamentali per perfezionare l’architettura complessiva della gestione termica e garantire l’implementazione pratica delle tecnologie di aviazione a zero emissioni.

Investire in Tecnologie Aeronautiche a Idrogeno

Per quanto riguarda gli investimenti nel settore aeronautico, RTX (RTX ) offre un’opportunità ad alto potenziale. La più grande azienda al mondo nel settore aerospaziale e della difesa è un partner industriale fondamentale nella collaborazione IZEA. Dispone inoltre di ampi programmi di R&D mirati a tecnologie aeronautiche sostenibili, inclusi sistemi a celle a combustibile e a idrogeno.

RTX Corp. (RTX ) 

RTX opera attraverso tre segmenti principali:

• Collins Aerospace fornisce prodotti aerospaziali e di difesa tecnologicamente avanzati a compagnie aeree commerciali, produttori di aeromobili civili e militari e operazioni spaziali.
• Il segmento Pratt & Whitney fornisce motori per aeromobili a clienti militari, generali e commerciali.
• Raytheon sviluppa missili, armi intelligenti e avanzate capacità di difesa aerea e missilistica.

Attraverso le divisioni Collins Aerospace e Pratt & Whitney, RTX è attivamente coinvolta nello sviluppo e nella sperimentazione di aeromobili a idrogeno e tecnologie correlate.

Ciò include il programma HySIITE, che sta lavorando per consentire all’industria aeronautica di utilizzare l’idrogeno su larga scala. Sponsorizzato dall’Advanced Research Projects Agency-Energy del DOE, il progetto è ottimizzato per l’idrogeno liquido e si è concluso a dicembre 2024. I test del banco HySIITE hanno mostrato una riduzione del 99,3% delle emissioni di NOx rispetto a un motore GTF e un miglioramento dell’efficienza energetica fino al 35%.

Nel frattempo, i suoi altri due progetti sono in corso per guidare il futuro dell’idrogeno nell’aviazione. Lo Hydrogen Advanced Engine Study (HyADES), supportato dall’iniziativa congiunta industria-governo del Canada, INSAT, sta lavorando per avanzare l’uso dell’idrogeno per aeromobili turboelica. COCOLIH2T, invece, è supportato dal Clean Hydrogen Joint Undertaking dell’UE e sta sviluppando un metodo per immagazzinare il carburante.

Per quanto riguarda le performance di mercato di Raytheon, le sue azioni sono state in forte crescita. Le azioni della società, con una capitalizzazione di mercato di 183,64 miliardi di dollari al momento della stesura, sono state scambiate sopra i 137,50 dollari, un nuovo massimo storico (ATH) e rappresentano guadagni dell’anno fino ad oggi (YTD) del 18,7%.

Le azioni RTX hanno registrato una crescita costante negli ultimi tre decenni. Le azioni sono anche aumentate di circa il 21% rispetto ai minimi di aprile. Con ciò, l’EPS (TTM) è 3,41 e il P/E (TTM) è 40,31. Raytheon offre anche un rendimento da dividendo attraente dell’1,98%.

Per quanto riguarda i dati finanziari dell’azienda, ha riportato una forte performance nel primo trimestre del 2025 con le vendite in aumento del 5% rispetto all’anno precedente, raggiungendo 20,3 miliardi di dollari e un EPS rettificato di 1,47 dollari. Il flusso di cassa operativo di Raytheon in questo periodo è stato di 1,3 miliardi di dollari, e il flusso di cassa libero è stato di 0,8 miliardi di dollari, mentre il backlog è di 217 miliardi di dollari, includendo 92 miliardi di dollari in difesa e 125 miliardi di dollari in commerciale.

“Siamo partiti con un forte inizio nel 2025. L’attuale contesto è chiaramente molto dinamico, ma la nostra azienda è ben posizionata per operare con successo e i nostri team rimangono concentrati sull’esecuzione dei nostri impegni e sulla consegna del nostro solido backlog.”

– RTX President and CEO Chris Calio

Per l’intero 2025, la società prevede vendite rettificate tra 83 e 84 miliardi di dollari, EPS rettificato tra 6,00 e 6,15 dollari, e flusso di cassa libero tra 7 e 7,5 miliardi di dollari, notando che queste stime non coprono l’impatto delle tariffe recentemente introdotte.

In mezzo a tutto ciò, la società ha ricevuto questa settimana un contratto da 536 milioni di dollari dalla Marina degli Stati Uniti per la famiglia di radar SPY-6, ora installati su due delle loro navi, con altre tre pronte per l’installazione. Nel prossimo decennio, i radar saranno distribuiti su più di 60 navi della Marina degli Stati Uniti.

Nell’ambito del contratto, Raytheon fornirà supporto continuo tramite formazione, installazione, integrazione e test, oltre a aggiornamenti software per potenziare le capacità del radar.

“SPY-6 è il radar più avanzato della flotta navale statunitense, fornendo alle navi un nuovo livello di difesa contro minacce in evoluzione.”

– Barbara Borgonovi, president of Naval Power at Raytheon.

Il 13° radar di difesa missilistica AN/TPY-2 è stato consegnato anche alla U.S. Missile Defense Agency, segnando la prima unità con un array completamente basato su GaN, che migliora significativamente la sensibilità e le prestazioni del sistema.

Un contratto da 1,1 miliardi di dollari è stato inoltre assicurato dall’azienda per la produzione e la consegna dei missili AIM-9X Sidewinder. Con questo premio, Raytheon continua il suo supporto a lungo termine al programma Sidewinder, un sistema missilistico a corto raggio ampiamente utilizzato a livello globale.

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Considerazioni Finali: Il Ruolo dell’Idrogeno nell’Aviazione Sostenibile

Il settore dell’aviazione sta crescendo rapidamente e contribuendo allo sviluppo economico e sociale globale, ma allo stesso tempo sta creando l’esigenza urgente di affrontare il problema delle emissioni di carbonio e delle scie di condensazione. In questo contesto, l’idrogeno, con la sua alta energia chimica specifica, è emerso come una promettente alternativa di carburante pulito.

Con questo in mente, lo studio più recente presenta un quadro completo per la progettazione e l’ottimizzazione di un sistema di stoccaggio dell’idrogeno liquido, gestione termica e controllo del trasferimento, dimostrando il suo potenziale per avanzare tecnologie aeronautiche efficienti e sostenibili.

Sfruttando l’impatto positivo dell’idrogeno sul cambiamento climatico e sulla qualità dell’aria, l’industria aeronautica ora dispone di una via praticabile per ridurre la sua impronta di carbonio, aprendo la strada a un futuro in cui i viaggi a lunga distanza non gravano più sul pianeta.

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Studi Citati:

^{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). Stoccaggio di idrogeno liquido, gestione termica e sistema di controllo del trasferimento per l’aviazione a zero emissioni integrata (IZEA). Applied Energy, 355, 126054. https://doi.org/10.1016/j.apenergy.2025.126054}