水素燃料航空機

水素動力航空機は、水素燃料を動力源とする航空機です。水素は、ジェットエンジンまたは他の種類の内燃機関で燃焼させるか、燃料電池に動力を与えて電気推進装置に電力を供給するために使用することができます。水素は従来のウェットウィングに貯蔵することができず、水素タンクは胴体内に収納するか、翼で支える必要があります。

低炭素電力から生産でき、排出ガスゼロが可能な水素は、航空の環境への影響を軽減することができます。ボーイング社はこの技術の可能性を認めており、エアバス社は2035年までに初の商用水素燃料航空機を発売する予定です。^[1] マッキンゼー・アンド・カンパニーは、水素航空機が2030年代後半に市場に投入され、2050年までに拡大し、航空エネルギー需要の3分の1を占めるようになると予測しています。^[2]

水素の比エネルギーは119.9 MJ/kgで、通常の液体燃料の約43.5 MJ/kgと比較して2.8倍高い^[3]。しかし、通常の大気圧と温度でのエネルギー密度は10.05 kJ/Lで、液体燃料の約31293 kJ/Lと比較して3114倍低い^[3]。690 bar（10,000 psi）に加圧すると4,500 kJ/Lに達しますが、^[3]それでも液体燃料の7倍低くなります。20 K（-253 °C）に冷却された液体水素のエネルギー密度は8,491 kJ/Lであり、^[3]液体燃料の3.7倍低くなります。

水素の体積エネルギー密度が低いことは、重量と露出表面積が重要な航空機の設計時に課題となります。^[4]タンクのサイズを縮小するには、極低温燃料タンクを必要とする液体水素を使用します。^{[4] [5]円筒形のタンクは、}断熱重量を最小限に抑えるために表面積を最小限に抑えるため、従来の航空機のウェットウィングではなく胴体内にタンクを配置することになります。 ^{[4] [5]}燃料タンクが大きくなると、飛行機の容積と抗力がいくらか増加します。^[6]胴体が大きくなると、余分な濡れ面積のために皮膚摩擦抗力が増します。タンクの余分な重量は、液体水素燃料の重量が大幅に減少することで相殺されます。

短距離航空機には気体水素が使用される可能性がある。^[7]長距離航空機には液体水素が必要になる可能性がある。

水素の比エネルギーが高いということは、追加された容積とタンク重量の影響を無視すれば、同じ航続距離に必要な燃料重量が少なくなることを意味します。^[5]旅客機の最大離陸重量MTOWの燃料割合は中距離では26%、長距離では45%であるため、最大燃料重量はMTOWの9%から16%に削減できます。

燃料電池は一般航空や地域航空機には適しているが、そのエンジン効率は大型ガスタービンより劣る。DASH 8のような7～90人乗りの最新ターボプロップ機よりは効率が良い。^[6] 水素燃料航空機の効率は、濡れ面積の拡大、燃料重量の低減、タンク重量の増加とのトレードオフであり、航空機のサイズによって異なる。^[要出典]水素は短距離航空機に適している。一方、長距離航空機には新しい航空機設計が必要である。^[8]

液体水素は工学で使用される最良の冷却剤の一つであり、この特性を利用して極超音速航空機の吸入空気を冷却したり、特にスクラムジェット推進航空機の機体外板自体を冷却するために予冷ジェットエンジンが提案されている。^[9]

英国の研究機関NAPKIN（新航空、推進知識およびイノベーションネットワーク）は、ヒースロー空港、ロールスロイス、GKNエアロスペース、クランフィールドエアロスペースソリューションズの協力を得て、航空の環境への影響を軽減するための新しい水素燃料航空機設計の可能性を調査しました。^[10]航空機設計者は、7席から90席に及ぶ水素燃料航空機のコンセプトを提案し、化石燃料で動く従来の航空機エンジンの代わりに燃料電池とガスタービンで水素を使用することを検討しています。調査結果によると、英国では水素燃料航空機が2020年代後半までに短距離および地域便で商業的に実行可能になり、航空会社は2040年までに英国の地域便全機を水素航空機に置き換えることができる可能性がある。^{[10]しかし、報告書は、国内の供給と化石}灯油と比較したグリーン液体水素の価格が、航空会社による水素航空機の導入を決定する上で重要な要因であることを強調した。モデル化により、水素価格が1kgあたり1ドルに近づくと、水素航空機の導入により英国国内市場のほぼ100％をカバーできることが示された。^[10]

燃料電池設計を採用した水素航空機は、運航中に排出ガスゼロであるが、ジェットエンジンや内燃機関の燃料として水素を使用する航空機は、 CO ₂（地球温暖化の原因となる温室効果ガス）の排出はゼロであるが、 NO _x（局所的な大気汚染物質）の排出はゼロではない。空気中で水素を燃焼させると、NO _x、すなわちHが生成される。
₂+ ½ O
₂→ほ
₂窒素を多く含む環境でのO反応でもNOx_が生成されます。^[11]しかし、水素の燃焼では灯油燃料に比べて窒素酸化物が最大90%少なくなり、粒子状物質の形成も排除されます。^[5]

風力や原子力などの低炭素エネルギーから水素が大量に得られる場合、航空機で水素を使用すると、現在の航空機よりも温室効果ガス（水蒸気と少量の窒素酸化物）が少なくなります。現在、低炭素エネルギー源を使用して生産される水素はごくわずかです。^{[12] [検証に失敗]}

EUクリーン・スカイ2と燃料電池・水素2共同事業による2020年の調査では、2035年までに短距離航空機に水素を動力として利用できる可能性があることが判明した。^{[8]ハイブリッド}燃料電池/タービンを搭載した短距離航空機（< 2,000 km、1,100 nmi）は、 20～30％の追加コストで気候への影響を70～80％削減でき、 _H2タービンを搭載した中距離旅客機は、 30～40％の追加コストで気候への影響を50～60％削減でき、 _H2タービンを搭載した長距離航空機（> 7,000 km、3,800 nmi）は、40～50％の追加コストで気候への影響を40～50％削減できる。^[8]航空機技術、水素インフラ、規制、認証基準の研究開発が必要になるだろう。^[8]

水蒸気は温室効果ガスです。実際、地球上の温室効果のほとんどは水蒸気によるものです。^[13]しかし、対流圏では、水蒸気の含有量は人為的な排出物ではなく、むしろ自然の水循環によって決まります。なぜなら、水は大気のその層で長い間静止したままでいないからです。^[14]これは成層圏では異なります。成層圏は、人間の活動がなければほぼ完全に乾燥しており、依然として比較的水分が不足しています。^[15]水素が燃焼し、その結果生じた水蒸気が成層圏の高度で放出されると（一部の商業飛行の巡航高度は成層圏内です。超音速飛行はほぼ完全に成層圏の高度で行われます）、成層圏の水蒸気含有量が増加します。これらの高度では水蒸気の滞留時間が長いため、数年、あるいは数十年にわたる長期的な影響を完全に無視することはできません。^{[16] [17]}

1957年2月、NACAのマーティンB-57Bは、2基のライトJ65エンジンのうち1基をジェット燃料ではなく水素で20分間飛行しました。^[18] 1988年4月15日、Tu-154旅客機を改造したTu-155が、最初の水素動力実験機として初飛行しました。 ^[19]

ボーイングは2人乗りのダイアモンドDA20を改造し、インテリジェント・エナジーが設計・製造した燃料電池で稼働するようにした。^[20]初飛行は2008年4月3日。^[21]アンタレスDLR-H2はランゲ・アビエーションとドイツ航空宇宙センターが開発した水素燃料の飛行機である。^[22] 2010年7月、ボーイングはフォード・モーター・カンパニーのピストンエンジン2基を改造した水素燃料のファントム・アイ無人航空機を発表した。^[23]

2010年、ラピッド200FCは水素ガスを燃料とする6回の飛行試験を完了した。この航空機と電気エネルギーシステムは、トリノ工科大学が調整する欧州連合のENFICA-FCプロジェクトの範囲内で開発された。^{[24]水素ガスは350バールで貯蔵され、20kW（27馬力）の燃料電池に供給され、20kW（27馬力）}のリチウムポリマー電池パック に沿って40kW（54馬力）の電気モーターに電力を供給している。

2011年1月11日、エアロバイロンメント社の無人航空機「グローバル・オブザーバー」が水素燃料推進システムを搭載した初飛行を完了した。^[25]

ドイツのDLR工学熱力学研究所が開発した4人乗りのDLR HY4は水素燃料電池で駆動し、2016年9月29日に初飛行が行われた。^[26] 9kg（20ポンド）の水素、4x11kWの燃料電池、2x10kWhのバッテリーを貯蔵することができる。^{[27] [より良い情報源が必要]}

2023年1月19日、ゼロアビアは、客室内のターボプロップエンジン1基を、ピーク電力用の燃料電池2個とリチウムイオン電池1個で構成されたプロトタイプの水素電気パワートレインのエンジンに置き換えたドルニエ228のテストベッド機を飛行させた。 ^[28]目標は、2025年までに、最大19人の乗客を乗せて300海里（560km）以上を飛行する機体に電力を供給する認証可能なシステムを構築することである。^[28]

2023年3月2日、ユニバーサルハイドロジェンは、水素電気パワートレインを搭載したエンジン1基を搭載した40人乗りのダッシュ8テストベッド機を飛行させた。同社はコネクト航空から、75機のATR 72-600を水素パワートレインに改造する注文を受けている。^[29]

2023年11月8日、エアバスはブルーコンドルと名付けられた、水素を唯一の燃料源とする水素燃焼エンジンを搭載した改造されたシェンプヒルト・アークスMグライダーを飛行させた。 ^[30]

2024年6月24日、ジョビー・アビエーションのS4 eVTOLデモンストレーターは、5月に水素電気パワートレインに改修され、バッテリー駆動バージョンの3倍以上の距離となる523マイルの無着陸飛行記録を達成した。極低温燃料タンクに10%の液体水素燃料が残った状態で着陸し、飛行中の排出物は水蒸気のみだった。飛行中は水素燃料電池システムがeVTOLの6つの電動ローターに電力を供給し、小型バッテリーが離着陸時の追加の電力を供給した。^{[31] [32]}

1975年、ロッキードはNASAラングレーのために液体水素燃料の亜音速輸送機の研究を準備し、130人の乗客を乗せて2,780km（1,500海里）、200人の乗客を乗せて5,560km（3,000海里）、400人の乗客を乗せて9,265km（5,000海里）を飛行する旅客機を検討した。^[33]

2000年4月から2002年5月まで、欧州委員会はエアバス主導のクライオプレーン研究の半分に資金を提供し、構成、システム、エンジン、インフラ、安全性、環境適合性、移行シナリオを評価した。^[34] 想定された構成は複数あり、航続距離3,500海里（6,500km）の12人乗りビジネスジェット機、 1,500海里（2,800km）を44人乗り、2,000海里（3,700km）を70人乗りの地域型旅客機、4,000海里（7,400km）を185人乗りの中距離ナローボディ機、 8,500海里（15,700km）を380～550人乗りの長距離ワイドボディ機であった。[ ^35]

2020年9月、エアバスは2035年までに商用化を目指す3つのZEROe水素燃料コンセプトを発表しました。^{[36] 100人乗りターボプロップ機、200人乗りターボファン機、}ブレンデッドウィングボディをベースにした未来的なデザインです。^[37] これらの航空機は燃料電池ではなくガスタービンで駆動されます。^[38]

2021年12月、英国航空宇宙技術研究所（ATI）は、279人乗りで航続距離5,250海里（9,720km）の航空機向けガスタービンに使用される極低温液体水素に関するFlyZero研究を発表しました。 ^{[39] ATIは、エアバス、ロールス・ロイス、GKN、スピリット、ゼネラル・エレクトリック、リアクション・エンジンズ、イージージェット、} NATS、ベルカン、イートン、モット・マクドナルド、MTCの支援を受けています。

2021年8月、英国政府は水素戦略を策定した最初の国であると主張した。この報告書には、他の輸送手段とともに水素燃料航空機に関する戦略提案が含まれていた。^{[40] [重要性? ]}

2022年3月、FlyZeroは次の3つのコンセプト航空機の詳細を発表しました。

• 75席のFZR-1Eリージョナル航空機には燃料電池で駆動する6つの電気推進装置があり、水素貯蔵に対応するために胴体の直径が2.8メートル（9フィート2インチ）よりも大きい3.5メートル（11フィート）であるATR 72に匹敵し、巡航速度は325ノット（601 km/h）、航続距離は800海里（1,480 km）です。
• FZN-1Eナローボディ機には、後部に水素燃焼ターボファン、T字型尾翼、機首にカナード翼が装備され、エアバスA320neoより10メートル（33フィート）長い胴体（極低温燃料タンク2個を搭載するため後部が最大1メートル（3フィート3インチ）広くなっている）、および折りたたみ式の翼端を必要とするより大きな翼幅があり、2,400海里（4,400キロメートル）の航続距離と450ノット（830キロメートル/時）の巡航速度を実現している。
• 小型ワイドボディ機のFZM-1Gはボーイング767-200ERに匹敵し、279人の乗客を乗せて5,750海里（10,650km）を飛行し、胴体直径はA350や777Xに近い6メートル（20フィート）で、空港ゲートの制限内では翼幅は52メートル（171フィート）で、翼下エンジンと翼の前部に燃料タンクを備えている。^[41]

2021年3月、クランフィールド・エアロスペース・ソリューションズは、プロジェクト・フレッソンが9人乗りのブリテン・ノーマン・アイランダーの改造をバッテリーから水素に切り替え、2022年9月のデモンストレーションを行うと発表した。 ^{[42]プロジェクト・フレッソンは、英国}ビジネス・エネルギー・産業戦略省およびイノベートUKと提携して航空宇宙技術研究所によって支援されている。

_{プラット・アンド}・ホイットニーは、ギアード・ターボファン・アーキテクチャを水素蒸気噴射式中間冷却タービンエンジン（HySIITE）プロジェクトと連携させ、二酸化炭素排出を回避し、NOx排出量を80％削減し、現在のジェット燃料PW1100Gと比較して燃料消費量を35％削減し、互換性のある機体で2035年までに就航させたいと考えている。 ^[43] 2022年2月21日、米国エネルギー省は、エネルギー高等研究計画局（ARPA-E）が運営するOPEN21スキームを通じて、P&Wに2年間の初期段階の研究イニシアチブに対して380万ドルを授与した。この研究イニシアチブは、排気流中の水蒸気を回収するために使用される燃焼器と熱交換器を開発することを目的としている。水蒸気は燃焼器に噴射されて出力を高め、圧縮機には中間冷却器として、タービンには冷却剤として使用される。^[43]

2022年2月、エアバスは、 CFMインターナショナルがGEパスポートの燃焼器、燃料システム、制御システムを改造してA380プロトタイプの胴体パイロンに搭載した液体水素燃料ターボファンのデモンストレーションを発表し、5年以内に初飛行を行う予定である。^[44]

• ロッキード CL-400 サンタン、1950年代のコンセプト、SR-71に取って代わられた
• ナショナル エアロスペース プレーン、1986-1993スクラムジェットを搭載したコンセプト、開発中に中止
• ツポレフ Tu-155、1988 年に改良されたツポレフ Tu-154 テストベッド、100 回以上飛行
• エアロバイロンメント・グローバル・オブザーバー、2010-2011年燃料電池ドローン実証機、墜落前に9回の飛行を実施
• ボーイング ファントム アイ、2012-2016 年ピストン エンジン搭載ドローンのデモンストレーター、9 回の飛行、最大 9 時間の飛行

• デルフト工科大学の学生チーム、AeroDelft は、ガスおよび液体水素を燃料とするドローンとSling 4 を開発しています。
• エアバスZEROeは2020年後半に発表され、4機のコンセプト機を開発し、2035年までに商用ゼロエミッション機の初号機を発売することを目標としている^[45]。
• Cellsius H2-Sling は、 ETH チューリッヒの学生プロジェクトで、水素燃料電池推進システムを搭載した改良型Sling HW を構築しています。
• DLR Smartfish、2人乗りの実験用揚力体。以前のHyfishモデルに基づいています。
• DLRのスピンオフであるH2Flyが運営するDLR HY4は、2023年に液体水素を動力源とする世界初の有人電気飛行を完了した^[46]
• ブリテン・ノーマン・アイランダーの改修プロジェクト、フレッソン。
• 反応エンジン スカイロン、軌道水素燃料宇宙飛行機。
• リアクションエンジンA2、対蹠極超音速ジェット旅客機。
• Taifun 17H2 は、 Valentin Taifun 17E および 17EII にガス水素燃料電池電気推進システムを後付けする学生プロジェクトです。
• ユニバーサルハイドロジェン（燃料電池駆動のダッシュ8-300）は、これまでで最大の水素動力で巡航する航空機である^[47]
• ゼロアビア ハイフライヤー（燃料電池を搭載したパイパー PA-46 デモ機）^[48]

• ゼロアビア（燃料電池搭載ドルニエ228x）^[49]

• 電気飛行機
• 航空燃料#新興航空燃料

• Bjorn Fehrm (2020年2月7日)。「Bjornのコーナー：ePlaneのeが環境を表す理由、パート8」。Leeham News。
• ダン・ティスデル（2020年7月9日）。「バッテリーは忘れてください。水素は炭素排出ゼロの商業航空の聖杯となるのでしょうか？」Flightglobal。
• 「グリーン水素航空機はどのように動作するのか？」オーストラリア再生可能エネルギー庁。2022年1月24日。
• 「FlyZero レポート」。航空宇宙技術研究所。