Polttokenno lentokoneessa: Polttokenno osana lentokoneen ensisijaista propulsiojärjestelmää

Abstract

Lentoliikenteen määrä on kasvanut merkittävästi vuosittain 2000-luvulla. Ilmailun tuottamien haitallisten kasvihuonepäästöjen vähentäminen vaatii uusien teknologioiden käyttöönottoa. Vedyn ja polttokennojen käyttöä lentokoneessa on tutkittu yhtenä ratkaisuna lentoliikenteen päästöjen rajoittamiseksi. Tämä opinnäytetyö on kirjallisuusselvitys vety- ja polttokennoteknologian potentiaalista kiinteäsiipisten ilma-alusten tehontuotossa. Työssä analysoidaan kirjallisuudessa esiintyviä ratkaisumalleja ja niiden ongelmia sekä esitellään polttokennon teoreettista toimintaa ja suorituskykyä. Polttokenno on järjestelmä, joka on suunniteltu muuntamaan sille syötettyyn polttoaineeseen varastoitunut kemiallinen energia sähköenergiaksi. Toimiakseen kenno tarvitsee reaktanteikseen vetyä tai jotakin hiilipohjaista yhdistettä ja happea. Kennossa tapahtuvan sähkökemiallisen reaktion lopputuotteena syntyy sähköä, lämpöä ja vesihöyryä. Ohjaamalla reaktiossa tuotettu sähköteho sähkömoottorille voidaan ilma-alukselle tuottaa työntövoimaa käyttämättä tähän tarkoitukseen akkuja. Akkujen yleinen ilmailukäyttöä rajoittava ominaisuus on niiden suhteellisen alhainen energiakapasiteetti. Vety soveltuu ilma-aluksen polttoaineeksi vain, jos se kyetään varastoimaan tehokkaasti. Kirjallisuudessa esiintyvät varastointimenetelmät perustuvat painekaasu-, nesteytys- ja metallihydridiratkaisuihin. Vedyn alhaisen tiheyden ja matalan kiehumislämpötilan vuoksi sen varastoinnissa käytettävien säiliöiden hyötysuhteiden ja tehokkaiden kryomenetelmien merkitys on ilmailualan sovelluksissa suuri. Polttokennojärjestelmän ominaisteho, käyttövarmuus ja elinkaaren hallinta ovat varastoinnin ohella merkittävimmät lisätutkimusta vaativat osa-alueet. Vaikka kaupallista lentoliikennettä polttokennoa tehonlähteenään käyttävillä lentokoneilla ei vuoteen 2022 mennessä ole ollut, on eksperimentaalisten rakennelmien onnistumisten myötä osoitettu polttokennojen potentiaali tulevaisuuden ilmailussa. Teknologian kehittyessä demonstraatiomallien kärkiväliä, hyötykuormakapasiteettia ja toimintasädettä on saatu kasvatettua. Vuosien 2003–2007 miehittämättömien ilma-alusten onnistuneet koelennot edelsivät vuoden 2008 ensimmäistä miehitettyä polttokennolentoa. 2010-luvun kehityssuunta on osoittanut kaupalliselle lentoliikenteelle käyttökelpoisen matkustajakapasiteetin ja toimintasäteen saavuttamisen olevan mahdollista lähivuosina.