Los investigadores de la Facultad de Ingeniería FAMU-FSU han diseñado un sistema de almacenamiento y entrega de hidrógeno líquido que podría ayudar a hacer realidad la aviación de emisiones cero. Su trabajo describe un sistema escalable e integrado que aborda varios desafíos de ingeniería a la vez al permitir que el hidrógeno se use como combustible limpio y también como un medio de enfriamiento incorporado para sistemas de energía críticos a bordo de aviones con energía eléctrica.
El estudio, publicado en Applied Energy, introduce un diseño adaptado para una aeronave híbrida-eléctrica de 100 pasajeros que extrae energía de las celdas de combustible de hidrógeno y los generadores superconductores impulsados por la turbina de hidrógeno. Muestra cómo el hidrógeno líquido puede almacenarse de manera eficiente, transferir de forma segura y usarse para enfriar sistemas críticos a bordo, todo mientras admite demandas de energía durante varias fases de vuelo como despegue, crucero y aterrizaje.
“Nuestro objetivo era crear un sistema único que maneje múltiples tareas críticas: almacenamiento de combustible, enfriamiento y control de entrega”, dijo Wei Guo, profesor del Departamento de Ingeniería Mecánica y autor correspondiente del estudio. “Este diseño sienta las bases para los sistemas de aviación de hidrógeno del mundo real”.
Lo que hicieron
El hidrógeno se considera un combustible limpio prometedor para la aviación porque empaca más energía por kilogramo que el combustible para aviones y no emite dióxido de carbono. Pero también es mucho menos denso, lo que significa que ocupa más espacio a menos que se almacene como un líquido súper frío a –253 ° C.
Para abordar este desafío, el equipo realizó una optimización integral a nivel de sistema para diseñar tanques criogénicos y sus subsistemas asociados. En lugar de centrarse únicamente en el tanque, definieron un nuevo índice gravimétrico, que es la relación de la masa de combustible con el sistema de combustible completo. Su índice incluye la masa del combustible de hidrógeno, la estructura del tanque, el aislamiento, los intercambiadores de calor, los dispositivos circulatorios y los fluidos de trabajo.
Al ajustar repetidamente los parámetros de diseño clave, como la presión de ventilación y las dimensiones del intercambiador de calor, identificaron la configuración que produce la masa de combustible máxima en relación con la masa total del sistema. La configuración óptima resultante logra un índice gravimétrico de 0.62, lo que significa que el 62% del peso total del sistema es un combustible de hidrógeno utilizable, una mejora significativa en comparación con los diseños convencionales.
La otra función clave del sistema es la gestión térmica. En lugar de instalar un sistema de enfriamiento separado, el diseño ruta el hidrógeno ultra frío a través de una serie de intercambiadores de calor que eliminan el calor de los residuos de los componentes a bordo como generadores superconductores, motores, cables y electrónica de potencia. A medida que el hidrógeno absorbe este calor, su temperatura aumenta gradualmente, un proceso necesario ya que el hidrógeno debe precalentarse antes de ingresar a las celdas de combustible y las turbinas.
Cómo funciona
La entrega de hidrógeno líquido en todo el avión presenta sus propios desafíos. Las bombas mecánicas agregan peso y complejidad y pueden introducir fallas de calor o riesgo no deseadas en condiciones criogénicas. Para evitar estos problemas, el equipo desarrolló un sistema sin bombas que utiliza la presión del tanque para controlar el flujo de combustible de hidrógeno.
La presión se regula utilizando dos métodos: inyectar gas de hidrógeno de un cilindro estándar de alta presión para aumentar la presión y ventilar vapor de hidrógeno para disminuirlo. Un bucle de retroalimentación vincula los sensores de presión con el perfil de demanda de energía de la aeronave, lo que permite el ajuste en tiempo real de la presión del tanque para garantizar la tasa de flujo de hidrógeno correcta en todas las fases de vuelo. Las simulaciones muestran que puede administrar hidrógeno a tasas de hasta 0.25 kilogramos por segundo, suficiente para satisfacer la demanda eléctrica de 16.2 megavatios durante el despegue o un cambio de emergencia.
Los intercambiadores de calor están dispuestos en una secuencia escenificada. A medida que el hidrógeno fluye a través del sistema, primero enfría componentes de alta eficiencia que funcionan a temperaturas criogénicas, como generadores superconductoras de alta temperatura y cables. Luego absorbe el calor de los componentes de temperatura superior, incluidos los motores eléctricos, las unidades de motor y la electrónica de energía. Finalmente, antes de alcanzar las celdas de combustible, el hidrógeno se precaliente para que coincida con las condiciones óptimas de entrada de la celda de combustible.
Esta integración térmica escenificada permite que el hidrógeno líquido sirva como refrigerante y combustible, maximizando la eficiencia del sistema y minimiza la complejidad del hardware.
“Anteriormente, las personas no estaban seguras de cómo mover el hidrógeno líquido de manera efectiva en una aeronave y si también podría usarlo para enfriar el componente del sistema de energía”, dijo Guo. “No solo mostramos que es factible, sino que también demostramos que necesitaba hacer una optimización a nivel de sistema para este tipo de diseño”.
Pasos futuros y colaboradores
Si bien este estudio se centró en la optimización del diseño y la simulación del sistema, la siguiente fase implicará la validación experimental. Guo y su equipo planean construir un sistema prototipo y realizar pruebas en el Centro de FSU para sistemas de energía avanzados.
El proyecto es parte del programa integrado de aviación de emisiones cero de la NASA, que reúne a instituciones en los Estados Unidos para desarrollar un conjunto completo de tecnologías de aviación limpia. Las universidades asociadas incluyen Georgia Tech, Instituto de Tecnología de Illinois, Universidad de Tennessee y Universidad de Buffalo. FSU lidera el esfuerzo en el almacenamiento de hidrógeno, el manejo térmico y el diseño del sistema de energía.
En FSU, los contribuyentes clave incluyen al estudiante graduado Parmit S. Virdi; Profesores Lance Cooley, Juan Ordóñez, Hui Li, Sastry Pamidi; y otros expertos en facultad en criogénica, superconductividad y sistemas de energía.
FONDOS
Este proyecto fue apoyado por la NASA como parte de la iniciativa de liderazgo universitario de la organización, que brinda una oportunidad para que las universidades estadounidenses reciban fondos de la NASA y tomen la iniciativa de construir sus propios equipos y establecer su propia agenda de investigación con objetivos que apoyen y complementen la Dirección de Misión de Investigación de Aeronáutica de la Agencia y su plan de implementación estratégica.
La investigación de Guo se realizó en el Laboratorio Nacional de Campo Magnético de High Magnetic de FSU, que cuenta con el apoyo de la National Science Foundation y el estado de Florida.
Más información: Parmit S. Virdi et al, almacenamiento de hidrógeno líquido, manejo térmico y sistema de transferencia para aviación integrada de emisiones cero (IZEA), energía aplicada (2025). Doi: 10.1016/j.apenergy.2025.126054
Proporcionado por la Universidad Estatal de Florida
Cita: Investigadores de FAMU-FSU Diseñe el sistema de almacenamiento y entrega de hidrógeno criogénico para aviones de próxima generación (2025, 27 de mayo) Consultado el 27 de mayo de 2025 de https://techxplore.com/news/2025-05-famu-fsu-cryogenic-hydrogen-storage.html
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