Pratt & Whitney a une confiance croissante sur le potentiel d’un moteur de turbine révolutionnaire à l’hydrogène-combustion, à l’injection de vapeur dans les années 2050, après les tests au niveau des composants des «parties les plus difficiles» du groupe motopropulseur a démontré la faisabilité et les avantages de l’architecture.
Individuellement, ni la combustion d’hydrogène ni l’injection de vapeur ne sont de nouvelles technologies, mais le défi de P&W a été de les combiner dans un système qui peut respecter les contraintes de poids et de taille exigeantes de l’aviation, tout en réduisant les émissions de gaz à effet de serre à près de zéro.
Sous un Projet soutenu par le gouvernement américain de deux ansP&W conçu, construit et testé trois composants critiques – la combustion, le condenseur et l’évaporateur – pour son concept de moteur de turbine (hysiite) à injection de vapeur.
Bien que la combustion d’hydrogène ne produit ni dioxyde de carbone ni particules, elle en résulte plutôt dans une augmentation des émissions de NOx et de la vapeur d’eau – deux contributeurs au réchauffement climatique, ce dernier par la formation de traits.
Et bien que l’injection de vapeur ou d’eau soit utilisée dans l’industrie de la génération électrique pour accroître l’efficacité, les ingénieurs P&W devaient trouver un moyen d’exploiter cette technologie sans avoir besoin de «transporter trente, quarante mille litres d’eau sur chaque vol», explique Neil Terwilliger , Fellow technique, Advanced Concepts, P&W.
L’objet du programme de recherche n’était pas de prouver que l’hydrogène pouvait être brûlé dans un moteur, mais de répondre à la question: «Comment concelions-nous un moteur différemment si l’hydrogène était le carburant?», Ajoute-t-il.
Le concept de P&W est, au moins extérieurement, un moteur à canon à engrenages conventionnel. Mais plutôt que de simplement rejeter la chaleur des déchets du noyau du moteur – «énergie utile» qui serait autrement perdue – il est utilisé pour super-coiffer l’eau dans un évaporateur pour produire de la vapeur. Ceci est ensuite injecté en amont de la combustion «convectant efficacement qui déchet la chaleur dans le cycle».
Comme l’évaporateur a déjà refroidi le flux d’échappement, «il se rapproche déjà de la température de la condensation» et en l’alimentant dans une série de condenseurs et un séparateur, l’eau est produite pour la circulation à travers le système.
Le processus d’injection de vapeur améliore l’efficacité et la densité d’énergie du moteur et réduit les émissions de NOx – «les conduisant essentiellement à presque zéro», explique le Dr Michael Winter, scientifique en chef chez P&W Parent RTX.
In fact, says the propulsion specialist, the architecture is 35% more energy efficient than the latest-generation PW1100G geared turbofan, has zero carbon dioxide emissions, reduces NOx by 99.3%, and the semi-closed-loop system means potentially less water vapour est émis que les moteurs d’aujourd’hui.
Le résultat NOX est nettement meilleur que les estimations initiales de P&W: lorsqu’il a dévoilé le programme de test en 2022, il prévoit une réduction «plus conservatrice» d’environ 80% en fonction de la modélisation qu’il a pu effectuer.
Pour la recherche sur l’hysiite, P&W a construit trois plates-formes d’essai distinctes «axées sur les éléments les plus à risque», explique l’hiver, pour évaluer les composants dans des conditions de fonctionnement simulées. Cela comprenait «mettre un évaporateur dans l’échappement et lui faire survivre», parallèlement à «la démonstration de la condensation de l’eau en quantité suffisante».
Terwilliger dit qu’il y avait également une incertitude quant à l’efficacité du condenseur – «si l’eau qui sort sera microscopique et difficile à capturer ou si vous pouvez simplement tenir un seau derrière».
Dans le cas, les tests ont montré que le condenseur serait capable de récupérer 1,26 litre à chaque seconde au niveau du moteur.
Des tests étaient également nécessaires pour valider les pertes de pression prévues par P&W par le condenseur «car si c’était bien plus, les performances de l’ensemble du système peuvent s’effondrer».
Pour la combustion, qui a utilisé un rapport de 0,8 vapeur-air, P&W a cherché à «prouver que nous pourrions faire de la combustion d’hydrogène en présence de tant d’eau».
Mais les résultats ont été positifs, montrant que la «vitesse et la température de la flamme élevée de l’hydrogène ont été effacées par l’introduction de la vapeur», dit Terwilliger.
L’évaporateur, quant à lui, un type d’échangeur de chaleur, «doit avoir de l’eau à haute pression et une vapeur super chauffée d’un côté et s’asseoir dans l’échappement d’un moteur à réaction de l’autre».
L’orientation de P&W, dit-il, était de «prouver que nous pouvions le faire, de prouver qu’elle dure dans cet environnement et qu’elle peut évaporer avec succès l’eau et ne pas se désagréger». Dans le cas où «le tout s’est tenu ensemble», ajoute-t-il.
Surtout, les tests ont démontré que l’architecture hysite s’inscrit dans une structure de nacelle à corps étroit existant.
De plus, bien que «un peu plus lourd» qu’un moteur GTF actuel, le «noyau beaucoup plus petit» est plus léger et aide à compenser le poids supplémentaire des condenseurs, des évaporateurs et de l’eau de réserve nécessaire.
De plus, parce que le noyau du moteur est nettement plus petit, un rapport de dérivation «assez extrême» de jusqu’à 50: 1 peut être réalisé, explique Terwilliger. Cela se compare à un chiffre d’environ 13: 1 pour le PW1100G.
Le financement des travaux initiaux de développement des composants, qui les a élevés au niveau de préparation technologique 3, est passé par le programme ARPA-E du ministère américain de l’Énergie.
Bien qu’aucun effort de suivi dédié ne soit prévu en vertu de l’ARPA-E, «nous cherchons à continuer à développer ces technologies dans un certain nombre d’opportunités», ajoute-t-il.
Terwilliger voit l’entrée du service comme possible vers «2050 Not 2030», si tous les obstacles restants peuvent être dégagés.
«Il ne manque pas de défis techniques. Il ne manque pas de défis non techniques. À quelle vitesse nous surmonterons, cela dépendra vraiment de la difficulté que nous poussons », dit-il.
« Mais même en poussant aussi fort que possible, il y aura encore des décennies ou plus impliqués dans la réalisation de cela. »
En effet, ces défis non techniques présentent des vents contraires importants pour la propulsion d’hydrogène: un investissement énorme est nécessaire pour produire de l’hydrogène vert à grande échelle – notamment en augmentant massivement la capacité de production d’électricité durable – et pour établir un réseau mondial de stockage et de distribution.
De plus, il y aura une concurrence pour l’hydrogène liquide: il s’agit d’une composante vitale dans la production de carburant d’aviation durable synthétique de puissance à liquide (ESAF).
En utilisant l’ESAF comme référence, P&W a calculé les économies d’énergie globales de l’utilisation de l’hydrogène comme carburant, en basant son analyse sur l’hydrogène nécessitant environ 20% d’énergie moins à produire qu’un carburant de puissance à liquide, mais provoquant un coup de 15% à des avions Efficacité énergétique en raison des réservoirs de carburant plus grands et plus lourds nécessaires.
La combustion d’hydrogène à elle seule ne produit qu’une économie d’énergie de 8%, ce qui compte tenu des coûts de conversion de l’aviation en la nouvelle source de carburant «Je ne suis pas sûr que cela justifie le risque», explique Terwilliger.
Cependant, cela s’élève à 14% si la récupération de chaleur seule est utilisée et à 26% avec une récupération de chaleur et d’eau – l’architecture proposée par l’hysiite – qui «commence à s’ouvrir une certaine lumière en termes de la voie a plus de sens sur le long terme ».
