THE AVIO AERO

PEOPLE’S MAGAZINE

All’inizio di giugno, il Parlamento Europeo ha annunciato un cambiamento epocale: dal 2035 non sarà più possibile comprare automobili alimentate a gasolio o benzina. Anche questa svolta è parte del Green Deal, il piano europeo incentrato su clima, energia, trasporti e fiscalità per una società futura più sostenibile e per ridurre le emissioni nette di gas a effetto serra di almeno il 55% entro il 2030 rispetto ai livelli del 1990.

Il settore dell’automotive - che già da oltre un paio di decenni ha immesso sul mercato auto ibrido-elettriche, e più di recente quelle chiamate plug-in o full-electric - sarà perciò unicamente votato a tali tecnologie. Una simile svolta normativa sarebbe auspicabile anche per il trasporto aereo, che dopo lo stop pandemico, seppure a fatica, sta riprendendo la sua parabola crescente per quanto riguarda i passeggeri (le previsioni parlano di 4 miliardi di viaggiatori entro il 2024).

Fatto salvo che i SAF (Sustainable Aviation Fuels) sono una risposta pronta, ed efficace, alla riduzione di emissioni in volo – e che i primi voli di linea con utilizzo di SAF sono avvenuti con successo e soddisfazione – serve ora concentrarsi sulle tecnologie che potranno drasticamente, e infine totalmente, ridurre le emissioni di CO₂: quelle più ambiziose, a zero emissioni, come l’idrogeno, e quelle più vicine alla realizzazione, come l’elettrificazione del volo.

“In realtà, i nostri studi di sviluppo nuove architetture motore sono iniziati già con i progetti MAESTRO e IRON all’interno del principale programma di ricerca europeo, Clean Sky2, che quest’anno ha lanciato il proseguimento in Clean Aviation”, spiega Silvia Calabrini Enhanced Turboprop & Hybrid-Electric Program Manager di Avio Aero, a margine di un’esposizione tenutasi a fine giugno proprio al Parlamento Europeo e dedicata ai risultati dei dimostratori tecnologici Clean Sky2.

A moment of the exhibition by Clean Aviation Joint Undertaking at the European Parliament in Brussels.

“MAESTRO si è infatti dedicato ad aerei di piccola taglia con motori turboelica (e il nostro Catalyst ha beneficiato di tecnologie ad alta efficienza nate in questo progetto) maturando e validando tecnologie propulsive che hanno dimostrato risultati di riduzione dei consumi fino al 20%, così come di riduzione emissioni di CO₂ e NO_X. Mentre il progetto IRON, in collaborazione con Leonardo, si è da subito focalizzato su aerei da trasporto regionale con soluzioni che prevedono motori turboelica di nuova generazione o architetture innovative come il motore Open Fan”.

Insieme al team di R&D di Avio Aero, Silvia Calabrini ha percorso una traiettoria, specie in questi  due progetti che evolvendosi sono stati rinominati e-MAESTRO ed e-IRON, che si è concentrata su configurazioni ibrido-elettriche capaci di abbattere le emissioni gassose insieme al rumore e ai consumi. “Gli studi per l’elettrificazione in ambito aeronautico trovano sviluppo anche nel programma IMOTHEP, parte di Horizon 2020, in cui stiamo sviluppando soluzioni innovative insieme ad altri partner industriali e delle ricerca”, aggiunge Calabrini.

“In questo cammino di sviluppo siamo stati supportati dai colleghi dell’ingegneria europea con cui collaboriamo assiduamente da tempo: l’AAT di Monaco di Baviera, l’EDC di Varsavia, Dowty Propellers in UK, GEAC in Repubblica Ceca e persino il TTC di Istanbul. Senza dimenticare che la nostra casa madre, GE Aviation, ha siglato una partnership con NASA e Boeing per un dimostratore ibrido-elettrico che utilizzi un MW di potenza”.

Si parla di ibrido-elettrico più che di full-electric – qualcosa che ormai già da qualche tempo vola su piccoli aerei o velivoli eVTOL (electric vertical take off and landing) per la futura urban air mobility – perché si pensa a soluzioni per velivoli che trasportino ben più di 8-10 persone massimo. E la chiave sta tutta in quella espressione di potenza, da almeno 1MW. “Questo quantitativo di potenza è quello necessario a trasportare circa venti persone”, dice Sergio Salvano, Engineering Leader di GE Aviation Turboprop, parte di Avio Aero.

Silvia Calabrini speaking during the exhibition at the European Parliament last June 30.

"Le soluzioni studiate per elettrificare la propulsione di un aereo del futuro si basano su un abbinamento di componenti elettrici alla tradizionale macchina termica, un sistema ibrido sfrutta molteplici fonti di energia che lavorano in sinergia tra loro"

“Abbinando a tale potenza la fonte elettrica, è possibile raggiungere oltre 2MW per ala. E complessivamente con 4MW di potenza sviluppati a bordo di un aereo regionale si possono trasportare fino a 80 passeggeri: per questo i turboprop sono considerati l’apriporta delle soluzioni ibrido-elettriche nel trasporto aereo, tali da permettere per permettere consolidamento e maturazione di nuovissime tecnologie” spiega Salvano.

I motori turboprop sono dunque sono per natura più efficienti, per via del peso e della dimensione, rispetto ai grandi turbofan, e perché proprio la loro struttura che comprende elica e pale permette un utilizzo del flusso più diretto e dunque efficiente. Ma non è tutto.

“Le soluzioni che abbiamo studiato per la propulsione di un aereo futuro di questo tipo,” continua Calabrini, “si basano su un abbinamento di componenti elettrici alla tradizionale macchina termica. Un sistema ibrido sfrutta molteplici fonti di energia che lavorano in sinergia tra loro: nel caso del motore ibrido-elettrico di un velivolo, coesistono motore termico e componenti elettrici come generatori, motori elettrici, power converter, con o senza sistemi di accumulo che hanno l’obiettivo di generare la spinta necessaria.”

Sostanzialmente, le modalità di combinazione si possono riassumere in tre configurazioni: quella turboelettrica, la parallel-hybrid e la series hybrid. Nella prima, il motore termico (un turboprop, o meglio turboshaft in questo caso) alimenta un generatore che a sua volta fornisce energia a più motori elettrici (cosiddetta, propulsione diffusa perché sfrutta tutta la superficie alare e distribuisce più eliche sul velivolo). Nelle altre due entrano in gioco le batterie o le fuel cell (un sistema che utilizza idrogeno per generare elettricità da un processo elettrochimico) e un ruolo eventualmente più attivo del motore turboelica.

“Nella parallel hybrid la spinta è prodotta principalmente da un motore termico tradizionale, supportato da un motore elettrico che integra per il fabbisogno totale di potenza,” spiega Calabrini. “Invece, nella series hybrid l’elettricità è prodotta da un generatore collegato al motore termico e, a seconda della fase di volo, l’elettricità viene accumulata o utilizzata per dare più potenza a motori ed eliche.  La scelta della configurazione è ciò che stiamo studiando oggi, con l’obbiettivo di garantire la potenza richiesta e le massime condizioni di sicurezza, riducendo le emissioni e massimizzando l’efficienza propulsiva. E la parallel hybrid si distingue anche perché permette di disaccoppiare le due fonti (elettrica e termica) con un impatto positivo sulla sicurezza”.

How hybrid electric propulsion solutions can work on a turboprop airplane.

Insieme al motore e alla sua architettura cambia, ovviamente, anche la configurazione dell’aereo: non solo dovrà ospitare componenti nuovi e diversi in termini di peso, misure, geometrie, ma anche i componenti convenzionali potranno subire modifiche. Le nuove architetture velivolo, infatti, necessitano di studi di conformità e design ad hoc per gestire alti livelli di potenza elettrica e calore, per ottimizzare il posizionamento dei componenti e garantire i livelli di sicurezza e, infine, la certificazione.

Questo è uno dei motivi per cui risulta essenziale il lavoro a braccetto con i costruttori di velivoli che, come i motoristi, hanno la missione di portare a maturazione i loro prodotti per vederli volare entro il 2030 ed entrare in servizio entro il 2035. Insieme a ciò, come in un logico sforzo corale, anche aeroporti e infrastrutture di servizio o fornitura dovranno trasformarsi in modo sostenibile e sicuro (specie se si tratterà un elemento come l’idrogeno, ad esempio).

“Obiettivi e tempistiche sono sfidanti, ma Avio Aero è pronta a essere parte attiva di questa trasformazione. E Clean Aviation è l’opportunità per accelerare la transizione verso architetture innovative, puntando sui turboprop e sul loro potenziale per il pillar tecnologico ‘Hybrid-Electric’, all’interno del programma europeo. Un giorno, potremmo portare in volo il primo motore ibrido-elettrico per aerei regionali ad impatto ambientale ridotto” chiosa Calabrini.

_{Images from Brussels exhibition are courtesy of Clean Aviation.}