CO2排出削減と航空機(6)水素燃料エンジンの開発と課題

前回は、エンジン洗浄による燃費改善(と、それによるCO2排出削減)の話を取り上げた。ただ、化石燃料を使用している限り、抜本的な解決にはならないので、より長期的なソリューションとして、水素を燃料とする構想もある。

水素を燃料に使うエンジンの開発計画

自動車や鉄道車両で水素を利用する際は、エンジンを使って走る代わりにモーターを動力源として、そこに水素と酸素を用いて燃料電池で発生させる電力を供給する。しかしこれは、駆動力を回転力として得られるヴィークルだからできることで、空中に浮かんでいる飛行機では使いづらい。

そこで、ジェット・エンジンでケロシンのような化石燃料を使用する代わりに水素を使い、発生する排気ガスを推進力とする方向になっている。

プラット&ホイットニーは2022年2月に、米エネルギー省(DoE : Department of Energy)から「水素ベースの推進技術開発」に関する契約を受注したことを明らかにしている。計画名称はHySIITE(Hydrogen Steam Injected, Inter‐Cooled Turbine Engine)といい、DoEが掲げているARPA-E(Advanced Research Projects Agency-Energy)計画の一環という位置付け。

HySIITEではCO2排出削減だけでなく、窒素酸化物(NOx)の排出削減も狙っている。燃費については「次世代単通路機において35％の改善を図る」との触れ込み。プラット&ホイットニーでは「燃料電池を使用するよりも効率が良く、バイオ燃料よりも低コストな方法になる」と説明している。

一方、アメリカのGEエヴィエーションとフランスのサフラン・エアクラフト・エンジンズが対等出資して設立しているCFMインターナショナルは、「エアバスと組んで、水素燃料を使用する実証機の開発に乗り出す」との発表を、2022年2月22日に行った。GE製のPassportエンジンをベースにして、燃焼室、燃料システム、制御システムを改造して水素燃料に適合させた上で、実機に載せて地上試験と飛行試験を行うとしている。

GEエヴィエーションの説明によると、水素を使用する際の燃焼温度はケロシンを使用するときよりも高く、燃焼速度も速いという。すると、高温に耐えられる素材が不可欠になるので、燃焼室に手を入れる必要が生じる。そして燃料の種類が変わるのだから、燃料システムや制御システムは当然ながら手直しが必要になる。この辺が、既存のケロシン・ベースのジェット燃料と同じ性状を備えて、同じように使えることが求められるSAF(Sustainable Aviation Fuel)と異なるところ。

使用する実証機は、エアバスA380を考えているようだ。ただし同機のエンジンを直接、水素燃料で駆動するわけではない。A380の後部胴体上部・左側面にパイロンを設けてPassportエンジンを搭載、それを水素燃料で駆動する。新種のエンジンをテストする実証機は、試験の対象になるエンジンがダウンしても安全に自力飛行を行えないと危険だから、機種は何でもよいというわけには行かない。

もしかすると、A380の機内容積の大きさが買われた可能性もある。御存じの通り、水素は密度が低いから、十分な量を搭載するには工夫が要る。

• エアバスが公開しているゼロエミッション旅客機「ZEROe」のコンセプト機のイメージ　引用：エアバス

水素の貯蔵方法

ただ、水素を燃料として使用できるエンジンを開発するだけでは足りない。燃料として使うからには、水素を機内に搭載する方法も考える必要がある。しかも、水素の体積あたりの発熱量はメタンと比べて3分の1ぐらいしかないから、同じ発熱量を確保しようとすると、3倍の体積を必要とすることになる。

自動車や鉄道車両では、水素を高圧貯蔵する方法を用いているが、これは飛行機では使いたくない方法だ。なぜかといえば、地上で走ることだけ考えていればよい自動車や鉄道車両と違い、飛行機は気圧が低い高空まで上昇する。すると、水素タンクの内外圧力差は地上と比べて大きなものになる。その圧力差に耐えられる強度を持たせようとすると、その分だけ重量増加につながってしまう。それでは実用的な機体にならない。

そこでエアバスが考えているのは、液化した水素を搭載する方法。真空層を挟んだ二重構造として、さらに断熱材を入れたタンクに、-253度まで冷却した液体水素を搭載する構想だという。液化することで体積は約800分の1になるというから、量を確保する観点からいっても理に適った方法に見える。ただし、二重構造・断熱材入りとなれば、それはそれで場所と重量を食う。また、貯蔵している液体水素は一定の割合で気化してしまうので、それをいかにして抑制するかが問題になる。

• ゼロエミッション旅客機「ZEROe」の構造。液体水素タンクを4個搭載するようだ　引用：エアバス

それをどこまで軽く、かつ信頼性を備えた形でまとめられるかが鍵になるのは、いうまでもないだろう。もしかすると、タンク単体の話では済まずに、航空機の形態にまで影響を及ぼすことになるかも知れない。実際、エアバスが披瀝している「ZEROeコンセプト機」の想像図には、一般的な形態の旅客機だけでなく、BWB(Blended-Wing Body)も含まれている。機内容積の確保を考えると、こういう形態になるという話であろうか。