Evaluation of hydrogen combustion propulsion system in aircraft design

Pedro Guilherme Santos Rosa

Key information

Authors:

Pedro Guilherme Santos Rosa (Pedro Guilherme Santos Rosa)

Supervisors:

Ana Filipa da Silva Ferreira (Ana Filipa da Silva Ferreira); Frederico José Prata Rente Reis Afonso (Frederico Afonso)

Published in

May 17, 2024

Abstract

A aviação civil é uma atividade importante, mas também é responsável por um grande volume de emissões prejudiciais para o ambiente. A mudança de combustível é uma opção para uma indústria mais sustentável, e o hidrogénio é um dos melhores combustíveis alternativos. Dois conceitos de sistemas de propulsão à base de hidrogénio são aplicados à aeronave ATR42-600. O primeiro é alimentado apenas pela combustão de hidrogénio, enquanto o segundo é um sistema híbrido-elétrico alimentado pela combustão de hidrogénio e baterias. Estes modelos são concebidos no Matlab e no Cantera, componente a componente. No primeiro sistema concluiu-se que é possível utilizar hidrogénio, diminuindo as emissões de NOx(-30%) e CO2e(-99%) por passageiro, mas aumentando o H2O(194%) produzido. Para o melhor caso híbrido-elétrico, a massa das baterias foi responsável por uma grande redução de passageiros, aumentando o NOx(20%) e o H2O(400\%) por passageiro, enquanto as emissões de CO2e(-99%) mantiveram-se menores. Depois, para encontrar as melhores soluções, é realizado um estudo de otimização multiobjectivo para minimizar as emissões, a massa e o volume de armazenamento. Por último, é feita uma Análise do Ciclo de Vida considerando tanto a produção de hidrogénio como das baterias, e é comparada com o sistema alimentado a querosene. A partir deste estudo, concluiu-se que o método de produção de hidrogénio determina se é melhor ou pior do que a utilização de querosene, para ambos os modelos. Para o sistema híbrido-elétrico, o aumento do fator de hibridização, provoca uma maior redução dos passageiros, piorando os resultados. Civil aviation is an important activity, but it is also responsible for a great volume of environmental harmful emissions. Fuel switching is one option towards a more sustainable industry, and hydrogen is one of the best alternative fuels. Two propulsion system concepts using of hydrogen are applied to the ATR42-600 aircraft. The first is powered only by the combustion of hydrogen, while the second is a hybrid-electric system powered by the combustion of hydrogen and batteries. These models are designed in Matlab and Cantera, component by component. For the first system it was concluded that it is possible to switch the fuel, decreasing NOx (-30%), and CO2e (-99%) emissions per passenger, but increasing the H2O (194%) produced. For the best hybrid-electric case studied, the mass of the batteries was responsible for a large reduction in passengers, which causes the increase of NOx (20%) and H2O (400%) per passenger, while the CO2e (-99%) emitted was still lower. After, with the goal of finding the best solutions, a multi-objective optimization study is carried out to minimize the emissions, the mass, and the storage volume. Lastly, it is done a Life Cycle Analysis considering both the production of the hydrogen and the batteries, and it is compared to the kerosene powered system. From this study, it was concluded that the hydrogen production method dictates if it is better or worse than using kerosene, for both models. For the hybrid-electric system, the increase of hybridization factor, causes a further reduction of passengers, worsening results.