Ammonia as an energy carrier for next generation of airplanes

A seguito dell’aumento della produzione di gas serra negli ultimi anni e delle conseguenze che comporta a livello climatico, si è resa necessaria la ricerca di fonti di energia alternative per contrastare tale fenomeno. Uno dei settori in cui si sta sviluppando maggiormente questa ricerca è l’aviazione, con studi che hanno come obiettivo quello di valutare la possibilità di utilizzare combustibili alternativi rispetto al cherosene. In particolare, le ricerche del settore aeronautico si stanno concentrando sulla realizzazione di un sistema di propulsione elettrificato basato sull’utilizzo di celle a combustibile, apparecchiature che, mediante l’utilizzo di idrogeno e ossigeno, permettono di convertire energia chimica in energia elettrica attraverso una reazione elettrochimica. Tra le varie tipologie commerciali di celle a combustibile, quelle che sembrano mostrare le caratteristiche adatte al campo dell’aviazione sono le celle con membrana a scambio protonico, o PEMFC. L’idrogeno potrebbe così diventare una fonte di energia pulita per la prossima generazione di velivoli, rappresentando la possibile soluzione all’aumento della produzione di gas inquinanti. La problematica principale della realizzazione di questo sistema riguarda però lo stoccaggio dell’idrogeno all’interno di un velivolo, a causa dell’elevato ingombro che esso potrebbe comportare, e dei pesi delle apparecchiature necessarie, poiché leggerezza e compattezza sono proprietà fondamentali nel settore dell’aviazione. L’obiettivo di questa tesi è quindi quello di valutare la possibile realizzazione di un sistema di stoccaggio chimico mediante l’utilizzo di ammoniaca come vettore di trasporto: essa infatti può essere facilmente stoccata in forma liquida, permettendo di risolvere i problemi legati all’ingombro e al peso del sistema di stoccaggio; successivamente, attraverso una reazione di cracking, avviene la rottura della molecola di ammoniaca e il recupero dell’idrogeno, che viene inviato al sistema di celle a combustibile. Per il dimensionamento delle apparecchiature utilizzate in tale sistema viene preso come modello di riferimento per il caso studio l’aereo regionale ATR72-600, considerando un tempo di volo di due ore. Il lavoro della tesi ha un duplice scopo: il primo obiettivo è effettuare il dimensionamento di un sistema di propulsione elettrificato alimentato attraverso stoccaggio chimico dell’idrogeno tramite ammoniaca, e il confronto di tale sistema con quello convenzionale alimentato a cherosene, per valutare se esso possa costituire una valida alternativa considerando sia il peso totale dei sistemi, sia l’eventuale riduzione di passeggeri; il secondo obiettivo è confrontare il sistema elettrificato con altri possibili sistemi di propulsione alternativi, ovvero un sistema ibrido e dei sistemi elettrificati caratterizzati però da scelte diverse per quanto riguarda lo stoccaggio dell’idrogeno o la tipologia di celle a combustibile.