ANALISI DEL SERBATOIO DI UN FUEL SYSTEM PER AEREI ALIMENTATI CON IDROGENO ATTRAVERSO SIMULINK

The aviation industry depends on fossil fuels, and the decarbonization process is an urgent need to combat climate change, as improvements in the sector's efficiency are insufficient to meet the growing transportation demand. In this context, the only viable solutions lie in the adoption of alternative energy carriers, such as SAF (Sustainable Aviation Fuels) and hydrogen, as batteries are unsuitable due to weight and energy density limitations. Of the two alternatives, hydrogen presents itself as the most promising, offering the possibility of achieving zero CO2 emissions and maintaining current flight paths. Compared to kerosene, currently in use, hydrogen has a lower specific weight (an advantageous aspect that implies lighter reservoirs), but a lower volumetric density: the latter is the reason why hydrogen must be stored as compressed gas or cryogenic liquid. Liquid hydrogen is the favored option in aeronautics, however its spread on a large scale is obstructed by issues inherent to management, storage, need for new propulsion systems, high costs and the challenge of achieving a competitive price for renewable hydrogen. Among the critical issues, one of the most difficult to address is the integration of liquid hydrogen tanks on board, given the extremely low temperatures (-253°C) required for storage, which makes an exceptional thermal insulation needed to minimize boil-off, a phenomenon caused by the vaporization of hydrogen by heat exchange with the surrounding environment. In the following work, a model of a cryogenic tank, intended for a 400-seat long-range aircraft, is proposed and developed by using Simulink, through which is analyzed the behavior of the tank under specific environmental and flight conditions.

L'industria aeronautica è dipendente dai combustibili fossili e il processo di decarbonizzazione è un'esigenza improrogabile per contrastare il cambiamento climatico, in quanto i miglioramenti nell'efficienza del settore non risultano sufficienti a soddisfare la crescente domanda di trasporto. In tale contesto, le uniche soluzioni percorribili risiedono nell'adozione di vettori energetici alternativi, quali i Carburanti Sostenibili per l'Aviazione (SAF - Sustainable Aviation Fuels) e l'idrogeno, essendo le batterie inadatte a causa di limitazioni di peso e densità energetica. Tra le due alternative, l'idrogeno si presenta come la più promettente, offrendo la possibilità di ottenere zero emissioni di CO2 e mantenere le attuali rotte di volo. Rispetto al cherosene, attualmente in uso, l'idrogeno presenta un peso specifico inferiore (un aspetto vantaggioso che implica serbatoi più leggeri), ma una densità volumetrica minore: quest'ultima è la ragione per cui l'idrogeno deve essere stoccato come gas compresso o liquido criogenico. L'idrogeno liquido rappresenta l'opzione favorita in ambito aeronautico, tuttavia la sua diffusione su larga scala è ostacolata da problematiche inerenti alla gestione, allo stoccaggio, alla necessità di nuovi sistemi propulsivi, ai costi elevati e alla sfida di raggiungere un prezzo competitivo per l'idrogeno rinnovabile. Tra le criticità, una delle più ardue da affrontare è l'integrazione a bordo dei serbatoi per idrogeno liquido, date le temperature estremamente basse (-253°C) richieste per lo stoccaggio, il che impone la necessità di un isolamento termico eccezionale per minimizzare il boil-off, fenomeno causato dalla vaporizzazione dell'idrogeno per scambio termico con l'ambiente circostante. Nel presente elaborato è stato proposto un modello di un serbatoio criogenico, destinato a un aeromobile a lungo raggio da 400 posti, sviluppato tramite il software Simulink, attraverso il quale è stato analizzato il comportamento del serbatoio in specifiche condizioni ambientali e di volo.