Serbatoio criogenico per idrogeno: un concetto all’avanguardia per l’aeronautica
Considerando che il 2% delle emissioni globali di CO₂ proviene dal settore dell’aviazione e che le emissioni di CO₂ degli aerei sono aumentate del 10% tra il 2014 e il 2017, è giunto il momento di reagire e passare a soluzioni ecologiche. La transizione energetica globale è già in atto. Entro il 2050, gli aerei dovranno ridurre le proprie emissioni di CO₂ del 50%. La soluzione? L’idrogeno, già preso in considerazione per navi e autocarri, rappresenta una soluzione alternativa per la produzione e lo stoccaggio di energia. Ma come si può immagazzinare l’idrogeno in un aereo?
Aerei ecologici nel 2050
L’idrogeno: la chiave del futuro per i nostri aerei
Volare in modo “ecologico”, nel rispetto dell’ambiente, è l’obiettivo che i costruttori di aeromobili si sono prefissati di raggiungere entro il 2050. Ciò sarà possibile grazie a velivoli elettrici anziché a propulsione tradizionale. Tuttavia, installare batterie su un aeromobile è impensabile a causa del loro peso. Infatti, l’aggiunta di batterie a un velivolo lo renderebbe 20 volte più pesante. La soluzione: generare elettricità direttamente a bordo. Ma come si fa a generare elettricità in volo?
La scelta è ricaduta sull’idrogeno liquido a -252,85 °C, che consente uno stoccaggio meno pericoloso e quantità maggiori rispetto alla sua forma gassosa. Oggi assistiamo a un crescente utilizzo dell’idrogeno per la produzione di energia elettrica o come fonte primaria di carburante. Il vantaggio dell’idrogeno è la sua leggerezza, che rende possibile la riduzione del peso degli aeromobili e, di conseguenza, del loro consumo energetico in volo.
Nel settore aeronautico, l’idrogeno sarà quindi considerato una fonte energetica intermedia per la produzione di elettricità. Questo processo farà parte di un circolo virtuoso, poiché l’idrogeno sarà prodotto a partire da elettricità “verde”, a sua volta generata da pannelli solari e da energia eolica.
Pertanto, Airbus ha selezionato 3 diversi tipi di velivoli per lo sviluppo di aeromobili “ecologici”:
Primo prototipo: il Turbofan. © Airbus
Un turbogetto da 120 a 200 passeggeri, equivalente a un A220 o a un A320 con un’autonomia superiore a 3500 chilometri.
Un aereo turboelica regionale da 100 passeggeri con un’autonomia di 1800 chilometri.
Un’ala volante con una capacità e un’autonomia simili a quelle di un turbogetto.
Come si fa a immagazzinare l’idrogeno in un aereo?
Da un punto di vista tecnico, l’idrogeno è difficile da immagazzinare. Questo gas ha una densità molto bassa a temperatura e pressione ambiente: occorre un volume di 11 m³ per contenere 1 chilo di idrogeno.
Conservarlo a temperatura e pressione ambiente non ha senso, poiché occuperebbe troppo spazio. Sono quindi possibili due opzioni: conservarlo sotto pressione allo stato gassoso oppure raffreddarlo fino a -252,85 °C, la sua temperatura di liquefazione.
L’opzione ottimale consiste nel liquefarlo a una temperatura inferiore a -253 °C. In questo caso, il serbatoio criogenico è sottoposto a una pressione inferiore, poiché un liquido è meno comprimibile di un gas. Attualmente, questa soluzione di stoccaggio a temperatura criogenica viene utilizzata nel settore spaziale, per i serbatoi di idrogeno e il carburante per razzi, ed è oggetto di seria considerazione nel mondo dell’aeronautica. Questa soluzione è preferita al serbatoio pressurizzato per ragioni di spazio e sicurezza. Infatti, la densità dell’H₂ liquido è molto superiore a quella del gas pressurizzato, consentendo di immagazzinare la stessa quantità di idrogeno in un volume ridotto. Inoltre, ciò evita l’uso di pressioni elevate (700 bar) e i rischi inerenti a tale soluzione.
Un piccolo promemoria sulla criogenia
La criogenia è lo studio delle basse temperature inferiori a -150 °C. In breve, è la temperatura alla quale i gas si liquefanno.
Temperatura di liquefazione a pressione atmosferica:
Oggi sappiamo come raggiungere queste temperature. Il problema è lo stoccaggio di questi gas liquefatti a temperature così basse.
Serbatoio criogenico per idrogeno in alluminio. Fonte: Stirweld.
Densità di stoccaggio dell’H₂
Quale materiale scegliere per un serbatoio criogenico ad idrogeno ad alte prestazioni?
Acciaio, materiale composito o alluminio?
In primo luogo, il materiale scelto per un serbatoio criogenico deve assolutamente soddisfare i seguenti criteri:
Di conseguenza, per il serbatoio criogenico dell’idrogeno si stanno prendendo in considerazione diversi materiali. C’è l’acciaio, che è troppo pesante e quindi sconsigliato; le leghe di titanio, che sono troppo costose; il composito in fibra di carbonio, che non è riciclabile ed è molto costoso ma molto leggero; e infine l’alluminio, che è leggero, resistente e meno costoso del composito. Come si può notare, la sfida è accesa tra il composito e l’alluminio.
Il composito presenta due problemi: la sua espansione termica differenziale, che comporta forti variazioni dimensionali, la comparsa di microfessurazioni e, di conseguenza, la permeabilità del materiale. Per quanto riguarda l’alluminio, le sue proprietà meccaniche rimangono costanti o addirittura migliorano a basse temperature. Come si può vedere, l’alluminio è il materiale più adatto alla fabbricazione di serbatoi criogenici.
Infatti, grazie alla sua bassa densità e alle buone proprietà meccaniche specifiche, l’alluminio garantirebbe un serbatoio sottovuoto più leggero rispetto all’acciaio criogenico (del tipo in lega di nichel). Un altro punto a favore è che l’alluminio è riciclabile all’infinito, il che è perfettamente in linea con gli attuali sforzi volti a ridurre l’impronta ecologica. Inoltre, l’alluminio presenta una resistenza alle basse temperature superiore a quella dell’acciaio. A temperature molto basse, l’acciaio diventa fragile come il vetro, il che rende questo materiale inutilizzabile per applicazioni a temperature estremamente basse. Al contrario, l’alluminio è uno dei pochi materiali le cui proprietà meccaniche non si degradano alle basse temperature. Anzi, tendono addirittura a migliorare. Ciò basta a spiegare il forte interesse per l’alluminio nelle applicazioni criogeniche, come lo stoccaggio dell’idrogeno liquido.
Tabella comparativa: acciaio saldato ad arco, alluminio saldato ad arco e mediante FSW
Saldabilità dell’alluminio
Uno dei problemi è la saldabilità dell’alluminio. Oltre alla bassa densità e alla buona resistenza alla corrosione, l’alluminio presenta un’elevata conduttività termica ed elettrica. Queste caratteristiche rendono più complessa la saldatura con i processi convenzionali di saldatura per fusione. A causa dell’elevata conduttività termica, sono necessarie elevate energie di saldatura. È inoltre importante tenere presente che l’alluminio presenta una forte tendenza alla deformazione durante la saldatura e che l’operazione di saldatura può causare la comparsa di difetti (bolle, porosità, fessurazioni a caldo, indebolimento delle proprietà meccaniche, degrado del materiale). Inoltre, prima della saldatura, l’alluminio deve essere sottoposto a un trattamento di incisione chimica dello strato refrattario di allumina.
Pertanto, con le tecniche di saldatura convenzionali – TIG, MIG, MAG, ad arco elettrico – l’alluminio rimane un materiale difficile da saldare. Tuttavia, negli ultimi anni abbiamo assistito alla nascita di un nuovo processo per la saldatura dell’alluminio: la saldatura Friction Stir Welding (FSW). Un’innovazione rivoluzionaria che ha stravolto le regole del nostro settore.
Saldatura Friction Stir Welding: la soluzione per la saldatura dei serbatoi criogenici per l’idrogeno
La FSW è una delle migliori tecniche per la saldatura di serbatoi di idrogeno in alluminio destinati al settore aeronautico. Essendo una delle tendenze più all’avanguardia nel mondo della saldatura, la FSW consentirà di preservare le proprietà meccaniche dell’alluminio. Una saldatura FSW presenta proprietà meccaniche migliori (coefficiente di efficienza del giunto compreso tra il 70 e il 100%) rispetto a una saldatura MIG (coefficiente di efficienza del giunto del 40-50%).
Questo processo consente inoltre di ridurre il tasso di difetti post-saldatura, garantisce una perfetta ripetibilità e offre la possibilità di saldare leghe di alluminio ad alte prestazioni. Queste leghe di alluminio ad alte prestazioni (serie 2000 e 7000) sono infatti considerate “non saldabili” per fusione. Oggi ciò è possibile grazie alla saldatura Friction Stir Welding (FSW). Il loro impiego consentirà di ridurre lo spessore delle cisterne e, di conseguenza, di ottenere una struttura più leggera. Allo stesso modo, la FSW si inserisce in questa dinamica “verde” del settore aeronautico, poiché si tratta di un processo pulito, senza fumo, senza gas e senza aggiunta di materiale. Ciò riduce il costo dei materiali di consumo, lasciandone uno solo: l’utensile FSW.
L’FSW, un processo innovativo in quattro fasi:
Lo spazio al servizio dell’aeronautica
I temi affrontati dal settore spaziale sono trasferibili al 100% al settore aeronautico per quanto riguarda la tecnologia dei serbatoi criogenici per l’idrogeno.
Scomposizione di un razzo
Oggi la maggior parte dei razzi dispone di un sistema di propulsione principale basato sulla combustione di idrogeno e ossigeno. L’idrogeno, in forma liquida, alimenta i motori del razzo. Infatti, durante i primi due minuti del decollo di un razzo, la spinta è fornita da booster a propellente solido. Questi razzi ausiliari laterali forniscono il 90% della potenza necessaria per il decollo. Successivamente, subentra lo stadio criogenico principale. Questo stadio è costituito da due serbatoi: uno di idrogeno e uno di ossigeno. È la combustione di ossigeno e idrogeno che spinge il razzo durante i primi dieci minuti di volo.
L’uso dell’idrogeno è insostituibile nello spazio. Consente infatti di ridurre notevolmente la massa e il volume dei lanciatori. Lo spazio rappresenta quindi senza dubbio il modello da seguire per quanto riguarda i serbatoi criogenici di idrogeno.
Stoccaggio dell’idrogeno
L’idrogeno viene immagazzinato in un serbatoio criogenico allo stato liquefatto a -253 °C. Questi serbatoi sono realizzati in alluminio. Grazie alle sue eccellenti proprietà meccaniche a temperature molto basse, l’alluminio è il materiale ideale per questa applicazione. I problemi legati allo stoccaggio sono gli stessi che si riscontrano nel settore aeronautico.
Negli ultimi 15 anni, i serbatoi criogenici per l’idrogeno dei razzi sono stati saldati con la tecnica FSW utilizzando un utensile a perno retrattile per riempire il foro causato dall’utensile stesso durante l’operazione di saldatura. La tecnica FSW è preferita rispetto ad altre tecniche di saldatura per diversi motivi:
Ad oggi, diversi serbatoi per lanciatori sono stati saldati con la tecnica FSW. Tra questi figurano il razzo Ariane 6, il Falcon 9 di SpaceX, l’Atlas V di ULA e l’H-II di Mitsubishi. Altri sono in fase di produzione, come il Falcon 9 FT e Heavy di SpaceX, l’Angara A5, il Blue Origin, il Vulcan di ULA, l’H-III di Mitsubishi e il Long March-5.
Gli aerei ecologici rappresentano quindi una priorità per i costruttori aeronautici. È urgente ridurre l’impronta ecologica dei nostri velivoli e contrastare il boicottaggio nei loro confronti. Si parla in questo contesto di biocarburanti, elettricità e altre soluzioni. Ma l’unica opzione fattibile oggi è l’idrogeno. L’utilizzo dell’idrogeno in volo per generare elettricità è quindi il programma di sviluppo di punta per diventare ecologici entro il 2050. Lo stoccaggio dell’idrogeno non sarà possibile senza un serbatoio impermeabile, leggero e poco ingombrante. Uno dei materiali in lizza: l’alluminio. Un materiale leggero con proprietà meccaniche migliorate alle basse temperature e sempre più utilizzato. I suoi vantaggi: è più economico dei materiali compositi e più leggero dell’acciaio. Cosa si può chiedere di più?
Potrebbe presentarsi un problema: la sua saldabilità. Una tecnica di saldatura risolve questo problema: la saldatura Friction Stir Welding. Un processo pulito che preserva le proprietà meccaniche dell’alluminio e garantisce una perfetta conduttività termica e una tenuta perfetta.
Stirweld, azienda specializzata nel settore della saldatura Friction Stir Welding (FSW), è entrata a far parte dell’incubatore dell’ESA, l’ESA Business Incubation Centre, con sede nel nord della Francia. Questo incubatore, creato nel 2018, promuove lo sviluppo di imprese innovative e non si basa sul trasferimento tecnologico, bensì sull’implementazione di servizi e applicazioni derivati dalla tecnologia spaziale. L’incubazione di Stirweld all’interno dell’ESA consentirà lo sviluppo di nuovi concetti di componenti spaziali saldati con la tecnica FSW. Prima di essere incubata dall’ESA BIC, Stirweld realizzava già il 30% del proprio fatturato nel settore spaziale. Uno dei suoi principali clienti è Ariane, un’azienda aerospaziale europea, per la quale Stirweld è un fornitore di primo livello.
Scopri l’ESA BIC Nord France: https://www.esabicnord.fr/
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