Design and Integration of a Liquid Hydrogen Tank on an Aircraft
Design et Integration d'un réservoir d'hydrogène cryogénique sur un avion
Résumé
Increasing concerns about the climate crisis have led the aviation industry to make the promise to become carbon neutral by 2050. To achieve this goal, one of the key solutions might be the introduction of hydrogen-fueled aircraft. Using hydrogen as an energy source on an aircraft presents huge challenges, especially due to its complex storage. This study's focus is on developing a new medium-fidelity thermal model of a liquid hydrogen tank for an aircraft, which differs from previous models by dividing the tank into three control volumes that evolve in interaction. The thermodynamic analysis developed is notably able to describe the evolution of the tank state during a typical mission, which reveals the existence of three different thermodynamic regimes that occur during the flight. Combined with a structural model, the sensibility of tank performance on insulation and maximum design pressure was shown. Trade-off studies indicate that increasing the insulation is overall more beneficial to reduce hydrogen loss due to boil-off than increasing the tank maximum design pressure.
Les préoccupations croissantes concernant la crise climatique ont conduit l'industrie de l'aviation à promettre de devenir neutre en carbone d'ici 2050. Pour atteindre cet objectif, l'une des solutions clés pourrait être l'introduction d'avions alimentés à l'hydrogène. L'utilisation de l'hydrogène comme source d'énergie sur un avion présente d'énormes défis, notamment en raison de son stockage complexe. Cette étude se concentre sur le développement d'un nouveau modèle thermique à moyenne fidélité d'un réservoir d'hydrogène liquide pour un avion, qui se différencie des modèles précédents en divisant le réservoir en trois volumes de contrôle qui évoluent en interaction. L'analyse thermodynamique développée est capable de décrire l'évolution de l'état du réservoir au cours d'une mission typique, révélant ainsi l'existence de trois régimes thermodynamiques différents qui se produisent pendant le vol. Associée à un modèle structural, la sensibilité des performances du réservoir à l'isolation et à la pression maximale de conception a été démontrée. Les études de compromis indiquent qu'augmenter l'isolation est globalement plus bénéfique pour réduire les pertes d'hydrogène dues à l'évaporation que d'augmenter la pression maximale de conception du réservoir.