ZEROe è l’Innovazione di Airbus per un cielo a emissioni zero.
di Lisa Borreani
Airbus ha avviato il progetto ZEROe con l’obiettivo di sviluppare il primo aereo commerciale alimentato a idrogeno, puntando a renderlo operativo entro il 2035. Si tratta di un’iniziativa pionieristica e strategica che nasce in risposta alla crescente esigenza globale di ridurre le emissioni di gas serra. In particolare si rivolge al settore del trasporto aereo, noto per il suo impatto significativo in termini di CO₂. Al centro del progetto vi sono l’innovazione tecnologica e la sostenibilità ambientale. Airbus mira a superare i tradizionali motori a combustione di carburanti fossili, adottando sistemi di propulsione alternativi basati sull’idrogeno come vettore energetico pulito.
Le configurazioni dei velivoli ZEROe
ZEROe si basa su tre principali configurazioni di velivoli alimentati a idrogeno, studiate per identificare l’architettura più efficiente, sicura e sostenibile. Queste configurazioni includono turbofan adattati per la combustione di idrogeno, motori turbopropulsori e un design innovativo chiamato blended-wing body, caratterizzato da una fusoliera ampia e a forma alare. Quest’ultima soluzione consente un’efficienza aerodinamica superiore e una maggiore capacità di integrazione dei serbatoi criogenici per l’idrogeno, contribuendo a ridurre la resistenza e ottimizzare la distribuzione del peso, aspetti fondamentali per mantenere elevate le performance di volo pur utilizzando un carburante dalle caratteristiche molto diverse dal kerosene tradizionale.
Le celle a combustibile
Il cuore tecnologico dell’aereo è rappresentato dalle celle a combustibile, un sistema innovativo che trasforma l’idrogeno in energia elettrica tramite un processo elettrochimico senza combustione, il cui unico sottoprodotto è il vapore acqueo, eliminando completamente le emissioni dirette di CO₂ durante il volo. Questa tecnologia offre un potenziale enorme in termini di efficienza energetica e sostenibilità, soprattutto se l’idrogeno impiegato è prodotto da fonti rinnovabili, definito appunto “idrogeno verde”.
Airbus ha concentrato risorse e investimenti per sviluppare celle a combustibile ad alta potenza, riuscendo a compiere importanti progressi tecnologici in collaborazione con partner industriali. La joint venture Aerostack, realizzata insieme a ElringKlinger, ha portato allo sviluppo di un dimostratore di celle a combustibile in grado di erogare fino a 1,2 megawatt di potenza, il livello più alto mai raggiunto in test condotti su sistemi destinati all’aviazione commerciale. Questi test sono stati eseguiti presso il centro di Ottobrunn, in Germania, centro europeo di eccellenza per le tecnologie di propulsione avanzate, confermando la scalabilità e l’affidabilità del sistema su scala industriale.
L’integrazione di queste celle a combustibile con motori elettrici per la propulsione rappresenta l’elemento centrale del concetto di aereo ibrido-elettrico ZEROe. Airbus sta sviluppando sistemi avanzati di gestione dell’energia, capaci di coordinare la produzione elettrica dalle celle a combustibile con la trazione elettrica dei motori, ottimizzando così l’efficienza complessiva e garantendo performance di volo sicure e affidabili. Un importante passo in avanti per la validazione di questa tecnologia è l’utilizzo del primo Airbus A380 prodotto, identificato come MSN001, convertito in una piattaforma sperimentale multimodale per test a terra e successivamente per voli dimostrativi.
Prospettive future
Le prove a terra sono programmate a partire dal 2024 e, una volta completate con successo, saranno seguite da voli di prova nel 2026. Questi test rappresentano una fase cruciale per dimostrare la sicurezza, l’affidabilità e la funzionalità dell’intero sistema di propulsione a idrogeno, oltre a raccogliere dati fondamentali per l’iter di certificazione, uno degli ostacoli tecnologici e normativi più rilevanti per l’adozione commerciale di questa nuova generazione di velivoli.
L’approccio multidisciplinare di Airbus combina innovazioni tecnologiche nei motori, nelle celle a combustibile e nella progettazione aerodinamica, con un attento studio dei materiali e dei sistemi di sicurezza legati alla gestione dell’idrogeno. Questo sistema integrato rappresenta una vera e propria rivoluzione nell’aviazione commerciale, offrendo la prospettiva concreta di un trasporto aereo a zero emissioni di CO₂, senza compromessi sulle prestazioni operative o sull’efficienza.
Architetture propulsive a idrogeno: le tre soluzioni
Airbus sta esplorando tre configurazioni concettuali per i suoi futuri aeromobili a zero emissioni, ciascuna progettata per integrare sistemi di propulsione a idrogeno e ottimizzare l’efficienza aerodinamica e il consumo energetico, in funzione di segmenti operativi distinti nel trasporto aereo regionale e medio-raggio.
- Turbofan a idrogeno montato in posizione convenzionale sotto le ali. Questo sistema adotta un motore turboventola modificato in modo da bruciare idrogeno liquido anziché cherosene. Il combustibile criogenico è stoccato in serbatoi ad alta efficienza nella parte posteriore della fusoliera. Questa configurazione, pensata per voli di medio raggio con una capacità fino a circa 200 passeggeri, consente prestazioni paragonabili agli attuali narrow-body come l’A320, ma con impatto ambientale quasi nullo, grazie all’eliminazione della CO₂ e alla minimizzazione degli ossidi di azoto attraverso una combustione ad alta efficienza.
- Turboprop a idrogeno, ovvero un aereo regionale equipaggiato con motori turboelica modificati anch’essi per la combustione diretta dell’idrogeno. La propulsione elicoidale è più efficiente a velocità inferiori e su distanze più brevi, rendendo questa architettura ideale per collegamenti regionali fino a 1000 miglia nautiche e un numero di passeggeri intorno ai 100. Come nel caso del turbofan, il sistema prevede lo stoccaggio dell’idrogeno liquido in serbatoi criogenici, con una gestione termica avanzata e sistemi di distribuzione ridondanti per garantire la sicurezza in tutte le fasi operative. Il turboprop rappresenta una soluzione a basse emissioni particolarmente adatta alla sostituzione degli attuali aerei regionali a corto raggio.
- Blended-wing body (BWB), un concetto radicalmente diverso che unisce in modo integrato le superfici portanti e la fusoliera, creando una struttura a geometria continua con un profilo alare molto esteso. In questa architettura, la fusoliera stessa contribuisce alla portanza, migliorando drasticamente l’efficienza aerodinamica e offrendo ampio spazio interno per lo stoccaggio dell’idrogeno criogenico e per l’alloggiamento modulare dei sistemi propulsivi. Il BWB consente una distribuzione ottimizzata dei carichi strutturali e termici, riducendo il peso complessivo e aprendo nuove possibilità nella configurazione dei sistemi di bordo. È un design potenzialmente rivoluzionario, in grado di ospitare sia motori turbofan che soluzioni ibride, e rappresenta la frontiera più avanzata nello sviluppo di aeromobili a zero emissioni.
Focus sull’aeromobile ZEROe
Il progetto di Airbus si distingue per un’architettura innovativa progettata per ottimizzare l’uso dell’idrogeno come combustibile primario, affrontando le sfide legate alla sua conservazione, distribuzione e utilizzo in volo. Le tre configurazioni—turbofan, turbopropulsore e blended-wing body—sono sviluppate con tecnologie specifiche di propulsione, strutturali e di gestione energetica che rappresentano un salto significativo rispetto agli aerei tradizionali.
Uno degli elementi più critici è la gestione del carburante idrogeno in forma liquida, che richiede temperature estremamente basse (-253 °C). Airbus utilizza serbatoi criogenici in materiali compositi a matrice polimerica rinforzati con fibre di carbonio, in grado di offrire leggerezza e alta resistenza meccanica. L’isolamento termico multilayer a vuoto riduce significativamente la perdita di idrogeno per evaporazione, migliorando l’efficienza del sistema e la sicurezza a bordo. La configurazione modulare dei serbatoi permette inoltre una facile integrazione e manutenzione.
Il sistema di distribuzione dell’idrogeno si avvale di pompe criogeniche ad alta efficienza e valvole di precisione. Queste ultime regolano pressione e flusso di combustibile verso i motori o le celle a combustibile, mantenendo condizioni ottimali in tutte le fasi del volo. Sistemi di monitoraggio in tempo reale rilevano variazioni di temperatura, pressione e quantità di carburante, garantendo un controllo puntuale e affidabile.
Le celle a combustibile PEM sono il cuore della propulsione ibrida delle configurazioni turboprop e BWB. Queste celle operano attraverso una reazione elettrochimica tra idrogeno e ossigeno che produce energia elettrica, calore e acqua come unico sottoprodotto. Il design modulare consente di scalare la potenza del sistema in base alla configurazione e alla domanda energetica del velivolo. I sistemi di gestione termica a bordo recuperano il calore generato durante la reazione, contribuendo al riscaldamento di altri sistemi o riducendo il carico termico complessivo.
Materiali di ZEROe
Il sistema elettrico integra batterie ad alta densità e supercondensatori per immagazzinare energia supplementare e fornire picchi di potenza nei momenti critici, come il decollo o la fase di salita. Questa architettura ibrida consente una gestione flessibile dell’energia, ottimizzando il consumo e aumentando l’affidabilità complessiva.
Il progetto ZEROe implementa materiali compositi avanzati in tutta la struttura per ridurre il peso complessivo senza compromettere la resistenza. L’utilizzo di fibre di carbonio e leghe leggere consente un significativo miglioramento del rapporto peso/potenza rispetto agli aeromobili convenzionali. La fusoliera del BWB presenta superfici estese e forme fluide. Queste riducono la turbolenza e migliorano il flusso aerodinamico, contribuendo a una riduzione dei consumi e delle emissioni.
Le ali sono dotate di sistemi di controllo elettronico avanzati (fly-by-wire) con superfici di controllo adattive. Ottimizzano così l’efficienza di volo e migliorano la stabilità, riducendo al contempo il carico sulle superfici strutturali. La gestione integrata di questi sistemi consente di adattare in tempo reale l’aerodinamica alle condizioni atmosferiche, ottimizzando le prestazioni e riducendo il consumo energetico.
E’ progettato per operare con autonomie fino a 3.000 km, sufficienti per coprire tratte regionali e medio-corte. La velocità di crociera prevista per il modello turbofan si attesta intorno ai 800 km/h, mentre il turboprop è ottimizzato per velocità inferiori ma con maggiore efficienza energetica nelle rotte più brevi. La versione BWB, grazie alla sua configurazione aerodinamica e alla gestione integrata del carburante, offre un equilibrio ottimale tra autonomia e capacità passeggeri, stimata in circa 200 posti.
Gestione e controllo
I sistemi avionici e di controllo volo sono stati ridisegnati per integrare la propulsione ibrida-elettrica e la gestione avanzata dell’idrogeno. I software di controllo implementano algoritmi di diagnostica predittiva e ridondanza multipla, fondamentali per garantire la sicurezza di volo. La gestione della combustione, delle celle a combustibile e dei sistemi di raffreddamento è costantemente monitorata per prevenire condizioni di funzionamento fuori specifica.
La sicurezza è ulteriormente garantita da sistemi di spegnimento automatico, rilevamento perdite e isolamento immediato delle sezioni interessate in caso di anomalia. Le procedure di emergenza e i protocolli di manutenzione sono sviluppati in collaborazione con autorità aeronautiche internazionali per soddisfare i più rigorosi standard di sicurezza.
Il successo commerciale del ZEROe dipende anche dall’adeguamento delle infrastrutture aeroportuali. Airbus collabora con partner industriali per lo sviluppo di impianti di rifornimento criogenico sicuri e efficienti, nonché per la gestione logistica dell’idrogeno liquido. L’obiettivo è realizzare stazioni di rifornimento in grado di operare con tempi comparabili a quelli del rifornimento tradizionale, garantendo al contempo elevati standard di sicurezza e costi contenuti.
Programmazione ZEROe di Airbus
2020: Avvio del programma ZEROe, con la presentazione di tre concetti di aeromobili a idrogeno: un velivolo a fusoliera integrata (blended-wing body), un aereo regionale a turbopropulsione e un aereo a fusoliera convenzionale con motori a idrogeno.
2023: Completamento con successo della campagna di test del sistema di celle a combustibile, raggiungendo una potenza di 1,2 megawatt. Questo test ha rappresentato il più potente mai realizzato nel settore aeronautico per una cella a combustibile destinata a velivoli di grandi dimensioni.
2024: Accensione del sistema di propulsione “iron pod” alimentato a idrogeno, integrando celle a combustibile e motori elettrici. Questo passo ha permesso di testare l’intero sistema di propulsione in condizioni operative simulate.
2025: Continuazione dei test a terra e ottimizzazione del sistema di propulsione per soddisfare le specifiche di volo.
2026: Installazione del sistema di propulsione a idrogeno sul primo A380 costruito da Airbus (MSN001), utilizzato come piattaforma di test. Sono previsti test a terra e, successivamente, voli di prova per valutare le prestazioni del sistema in condizioni reali.
2035: Obiettivo iniziale per l’entrata in servizio commerciale di un aeromobile a idrogeno. Tuttavia, a causa di sfide tecnologiche e infrastrutturali, Airbus ha recentemente rivisto questa tempistica, con un possibile ingresso in servizio posticipato.
