Sviluppo di un modello per la stima dei costi di velivoli con propulsione ibrido-elettrica = Development of a cost estimation model for aircraft with hybrid-electric propulsion

I temi del cambiamento climatico e del riscaldamento globale sono sempre più centrali nell'opinione pubblica e nell'impegno di governi ed enti internazionali. L’obiettivo dichiarato dall’Unione Europea è il raggiungimento della neutralità al carbonio entro il 2050. In questo contesto anche il settore aeronautico, responsabile di circa il 2% delle emissioni totali di CO2, è chiamato a fare la sua parte. Dall’analisi di fonti di letteratura è risultato che una delle soluzioni di più immediata applicazione verso un futuro maggiormente ecosostenibile dell’aviazione commerciale sia l’introduzione di una propulsione ibrido-elettrica. Questa si realizza grazie a nuovi componenti alimentati a elettricità o idrogeno che si affiancano ai motori tradizionali, contribuendo a generare parte della potenza richiesta per il volo riducendo il fabbisogno di combustibile fossile e, quindi, le emissioni prodotte. Lo scopo di questa tesi è innanzitutto quello di analizzare lo stato dell'arte e le principali caratteristiche della propulsione ibrido-elettrica, studiandone le architetture disponibili e le tecnologie abilitanti. Ci si concentra quindi sulla materia della stima dei costi, considerata di fondamentale importanza nello studio di fattibilità per un velivolo innovativo e per la sua appetibilità sul mercato. Si passa in rassegna una serie di pubblicazioni che trattano l'adattamento di classici modelli di stima ai velivoli ibridi, fornendo indicazioni circa le aree di interesse per le modifiche, valori tipici da poter considerare nell'utilizzo e casi di studio applicati a design innovativi che sottolineano benefici e svantaggi dell'elettrificazione dei velivoli. Il corpo centrale è quindi dedicato allo scopo finale del lavoro di tesi, ovvero la creazione di uno strumento per la stima dei costi relativo alle fasi di sviluppo, produzione e vita operativa di velivoli ibrido-elettrici per il trasporto regionale. In assenza di una base dati statistica rilevante, dovuta alla mancanza di velivoli ibridi di questa fascia effettivamente prodotti e testati, si è fatto ricorso a diverse stime di costo per configurazioni tradizionali e ibride, effettuate con il software professionale PRICE TruePlanning nell'ambito di precedenti lavori del Politecnico di Torino. Grazie a queste è stato possibile costruire una banca dati su cui condurre un’analisi di regressione e individuare le CERs di sviluppo e produzione per ciascun componente e sistema del velivolo, nonché per il programma complessivo. È poi stata condotta una serie di analisi di sensibilità per espandere le equazioni in funzione di vari parametri organizzativi e di complessità, al fine di adeguare il modello ad un’ampia fascia di velivoli. Si è poi passati alla stima dei costi operativi, espandendo un modello preesistente e adattandolo alle nuove tecnologie previste dalla propulsione ibrida. In particolare, con apposite equazioni si implementano i componenti elettrici nel calcolo dei costi manutentivi e si valutano le spese connesse all’approvvigionamento di elettricità e idrogeno quali fonti di energia per il volo. È quindi stato sviluppato uno script MATLAB, con annesso file .xlsx di interfaccia con l’utente, che potrà essere impiegato per la stima dei costi di sviluppo, produzione e fase operativa noti che siano i parametri di input richiesti. Infine, sono stati analizzati due casi di studio per valutare il corretto funzionamento del modello e per osservare la ripartizione dei costi stimata per velivoli commerciali con configurazione tradizionale e ibrida.