水素燃料航空機
部分的に水素を動力源とするTu-155試作機は1988年4月15日に初飛行した。

水素燃料航空機とは、水素燃料を動力源とする航空機です。水素は、ジェットエンジンやその他の内燃機関で燃焼させるか、燃料電池で発電して電気推進装置に電力を供給するために利用されます。従来のウェットウィングには水素を貯蔵することができないため、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、航空の環境負荷を軽減することができます。エアバスは2040年から2045年までに初の商用水素燃料航空機を発売する計画ですが[ 1 ] 、ボーイングはそれほど楽観的ではありません。[ 2 ]マッキンゼー・アンド・カンパニーは、水素燃料航空機が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を占めると予測しています。[ 3 ]

水素の性質

燃料のエネルギー密度：水平方向は質量あたり、垂直方向は体積あたり。灯油は赤、水素は青で強調表示されています。

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[ 4 ] 。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であるのに対し、液体燃料の約31,293 kJ/Lと比較して3,114倍低い[ 4 ]。690 bar（10,000 psi）に加圧すると4,500 kJ/Lに達し、[ 4 ]それでも液体燃料の7倍低い。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、[ 4 ]液体燃料の3.7倍低い。

航空機設計

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を引き起こします。[ 5 ]タンクのサイズを縮小するために、液体水素が使用され、極低温燃料タンクが必要になります。[ 5 ] [ 6 ]円筒形のタンクは表面積を最小限に抑えて断熱重量を最小限に抑えるため、従来の航空機の濡れた翼ではなく、胴体内にタンクが配置されることになります。[ 5 ] [ 6 ]燃料タンクが大きいほど、飛行機の容積と抗力がいくらか増加します。[ 7 ]胴体が大きくなると、濡れた面積が増えるため、皮膚摩擦抗力が大きくなります。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。[ 8 ]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ため、容積やタンク重量の増加の影響を無視すれば、同じ航続距離であれば燃料の重量が少なくて済みます。[ 6 ]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%まで削減できます。

燃料電池は一般航空や地域航空機には理にかなっていますが、そのエンジン効率は大型ガスタービンよりも劣ります。しかし、DASH 8のような7人乗りから90人乗りの最新のターボプロップ旅客機よりも効率は優れています。[ 7 ] 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、そしてタンク重量の増加といったトレードオフであり、航空機のサイズによって異なります。水素は短距離旅客機に適していますが、長距離旅客機への採用には新たな航空機設計が必要になります。[ 9 ]

液体水素は工学で使用される最高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。[ 10 ]

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。[ 11 ]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幅広く提案し、燃料電池とガスタービンと組み合わせて水素を使用することで、化石燃料で動く従来の航空機エンジンを置き換え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路線で商業的に実現可能となり、航空会社は2040年までに英国の地域路線全機を水素燃料航空機に置き換える可能性がある。[ 11 ]しかし、報告書は、国内供給量と、化石燃料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燃料航空機の導入を決定づける重要な要因であると強調している。モデル化の結果、水素価格が1kgあたり1ドルに近づくと、水素燃料航空機の導入によって英国国内市場のほぼ100%をカバーできる可能性があることが示された。[ 11 ]

排出と環境への影響

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をゼロにしますが、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、 CO2（地球温暖化の一因となる温室効果ガス）の排出はゼロですが、 NOx（局所的な大気汚染物質）の排出はゼロではありません。空気中で水素を燃焼させるとNOxが生成され、H2+ 1/2 O2→ H2窒素に富む環境でのO反応でもNO xが生成されます。[ 12 ]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、粒子状物質の形成も排除されます。[ 6 ]

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供給されれば、航空機での使用は、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）の排出量が少なくなります。しかし、2021年現在、生産される水素のうち、排出ガスゼロのものは5%未満であり、その大部分は化石燃料に由来しています。[ 13 ]

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、短距離航空機では2035年までに水素が航空機の動力源となる可能性があることが判明しました。[ 9 ]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未満、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、水素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、同じく水素タービンを搭載した長距離航空機（7,000 km超、3,800 nmi）は40～50％の追加コストで気候への影響を40～50％削減できます。[ 9 ]航空機技術と水素インフラ、規制、認証基準の研究開発が必要になります。[ 9 ]

水蒸気は温室効果ガスであり、実際、地球上の温室効果の大部分は水蒸気によるものです。[ 14 ]しかし、対流圏では、水蒸気の含有量は人為的な排出ではなく、むしろ自然の水循環によって左右されます。なぜなら、大気のその層では水が長時間静止したままでいないからです。[ 15 ]これは成層圏では異なり、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少ない状態です。[ 16 ]水素が燃焼し、その結果生じた水蒸気が成層圏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あり、超音速飛行はほぼ完全に成層圏高度で行われます）、成層圏の水蒸気含有量は増加します。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。[ 17 ] [ 18 ]

歴史

デモ

水素を動力源とするボーイング社の無人航空機「ファントムアイ」は、2012年6月1日に初飛行した。
水素燃料電池を搭載したHY4は2016年に初飛行を行った。

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1つにジェット燃料ではなく水素を燃料として20分間飛行しました。[ 19 ] 1988年4月15日、Tu-155は胴体内に水素燃料タンクを搭載し、1つのナセルで水素燃料エンジンを使用しました。他の2つのエンジンは、改造されたTu-154旅客機の標準エンジンでした。 [ 20 ]

ボーイング社は、インテリジェント・エナジー社が設計・製造した燃料電池で稼働するように2人乗りのダイヤモンドDA20を改造した。[ 21 ]初飛行は2008年4月3日。[ 22 ]アンタレスDLR-H2は、ランゲ・アビエーション社とドイツ航空宇宙センター社製の水素燃料飛行機である。[ 23 ]ボーイング社は、2010年7月に、フォード・モーター社のピストンエンジンを2基改造した水素燃料の無人航空機ファントム・アイを発表した。[ 24 ]

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ました。この機体と電気・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プロジェクトの一環として開発されました。[ 25 ]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 と40kW（54馬力）の電気モーターを駆動します。

2011年1月11日、エアロバイロンメント社のグローバルオブザーバー無人航空機が水素燃料推進システムを搭載した初飛行を完了した。[ 26 ]

ドイツのDLR工学熱力学研究所からスピンオフしたH2Flyによって開発された。DLR HY4は4人乗りで、水素燃料電池を搭載している。初飛行は2016年9月29日に行われた。[ 27 ]

HY4はドイツのH2FLY社が製造した。この機体は、液体水素を燃料とする電気航空機として世界初の有人飛行に成功した。スロベニアのマリボルから4回の試験飛行を実施し、燃料電池推進システムに液体水素のみを使用した。H2FLY社によると、気体水素の代わりに極低温貯蔵された液体水素を使用することで、タンクの重量と容積が大幅に減少し、航続距離は750km（466マイル）から約1,500km（932マイル）へと倍増した。[ 28 ]

HY4は4人乗りで、双胴型設計を特徴としています。最高速度は時速125マイル（約190km/h）、巡航速度は時速90マイル（約145km/h）です。[ 28 ]

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ます。[ 29 ]

2023年1月19日、ゼロアビアはドルニエ228のテストベッドを飛行させた。このテストベッドでは、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。[ 30 ]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作ることである。[ 30 ]

ユニバーサル・ハイドロジェンは、2023年3月2日、自社の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型機のテストベッド飛行を実施しました。同社はコネクト・エアラインズから、75機のATR 72-600を自社の水素パワートレインに改造する注文を受けています。[ 31 ]

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。 [ 32 ]

2024年6月24日、 5月に水素電気パワートレインで改修されたJoby AviationのS4 eVTOLデモンストレーターは、バッテリー駆動バージョンの3倍以上の距離となる、記録的な523マイルの無着陸飛行を完了した。極低温燃料タンクに10%の液体水素燃料が残っている状態で着陸し、飛行中の唯一の排出物は水蒸気だった。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。[ 33 ] [ 34 ] このアメリカの航空宇宙企業は、水素電気推進の進歩で知られるドイツの水素飛行開発企業H2FLYを買収した。この技術をベースに、Jobyは同様の液体水素（LH2）システムを水素電気垂直離着陸eVTOLデモンストレーターSHy4に統合した。[ 35 ] 7月11日、ジョビー・アビエーションは、同社のデモ機が6月に523マイルの飛行を完了したと発表した。これは、同社の標準的なバッテリー電動パワートレインで達成可能な航続距離の5倍以上に相当する。この試作機は液体水素燃料タンクと水素燃料電池システムを搭載していた。メーカーによると、バッテリー電力で25,000マイル以上飛行したこの機体は、水素燃料の10%しか残っていない状態で着陸したという。ジョビーのエンジニアリングチームは、シュトゥットガルトに拠点を置く水素推進専門企業H2Flyと協力した。[ 36 ]

航空機プロジェクト

1975年、ロッキード社はNASAラングレーのために液体水素燃料の亜音速輸送機の調査研究を準備し、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。[ 37 ]

2000年4月から2002年5月の間に、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。[ 38 ] 想定された構成は複数あった。12人乗りで航続距離3,500海里（6,500キロ）のビジネスジェット機、 44人乗りで航続距離1,500海里（2,800キロ）以上、70人乗りで航続距離2,000海里（3,700キロ）以上の地域型旅客機、185人乗りで航続距離4,000海里（7,400キロ）以上の中距離ナローボディ機、380人から550人乗りで航続距離8,500海里（15,700キロ）以上の長距離ワイドボディ機である。[ 39 ]

2020年9月、エアバスは2035年までに商用サービスを開始することを目指した3つのZEROe水素燃料コンセプトを発表しました。[ 40 ] 100人乗りターボプロップ機、200人乗りターボファン機、そして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の機体です。[ 41 ] 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。[ 42 ]

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）の設計向けガスタービンで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。 [ 43 ] 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ました。この報告書には、水素燃料航空機をはじめとする他の輸送手段に関する戦略提案が含まれていました。[ 44 ]

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地域型航空機には燃料電池で駆動する6基の電気推進装置が搭載されており、水素貯蔵を可能にするため胴体の直径が2.8メートル（9フィート2インチ）よりも3.5メートル（11フィート）と大きいATR 72に匹敵し、巡航速度は時速325ノット（602 km/h）、航続距離は800海里（1,500 km）である。
  • 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字型テール、機首にカナードがあり、エアバスA320neoより10メートル（33フィート）長い胴体で、極低温燃料タンク2個を収容するために後部が最大1メートル（3フィート3インチ）広くなり、翼幅が広いため翼端を折り畳む必要があり、航続距離2,400海里（4,400キロメートル）、巡航速度450ノット（830キロメートル/時）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（10,650キロ）以上を飛行し、胴体直径はA350や777Xに近い6メートル（20フィート）で、翼幅は空港ゲートの制限内で52メートル（171フィート）で、翼下にエンジンと翼の前に燃料タンクがある。[ 45 ]

推進プロジェクト

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・フレッソンにおいて、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月の実証実験を行うと発表した。[ 46 ]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、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、そのギアード・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、現行のジェット燃料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。 [ 47 ] 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として380万ドルを授与した。この研究イニシアチブでは、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。この水蒸気は、燃焼器に噴射されて出力を増加させ、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。[ 47 ]

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実証を発表し、5年以内に初飛行を行う予定である。[ 48 ]

2025年4月、新興企業Green Aero Propulsionは、インド初の水素ベースの航空エンジンとなるBlue Dragonターボジェットエンジン[ 49 ]を披露しました。主要部品は、一体型の金属3Dプリントライナーや重要部品など、積層造形によって製造されています。Green Aeroは以前、専用の試験装置を用いて水素インジェクターと燃焼室を研究しており、燃焼室への光学アクセスを可能にし、炎の安定化と逆火現象のリアルタイム分析を可能にしました[ 50 ] 。

衰退

2025年までに、インフラの大幅な変更が必要となり、複数のプロジェクトが縮小または中止されました。一方、水素は液体合成持続可能航空燃料（SAF）の動力源としても使用されています。[ 51 ] 新たな資金が不足したユニバーサルハイドロジェンは2024年6月に閉鎖され、エアバスは水素燃料プロジェクトを5年から10年延期し、エンブラエルもそれに続きました。[ 51 ]

提案された航空機と試作機

歴史的

プロジェクト

参照

参考文献

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