皆さんこんにちは！
先日、エアバス社が水素エンジンの開発延期を発表したその4週間前、プラット・アンド・
ホイットニー 社が水素燃焼代替案に関する大きなニュースを発表したのは、少し皮肉なことです。プラット アンド ホイットニーの発表を分析してみましょう。
プラット・アンド・ホイットニー HySIITE
図 1. ハンス・フォン・オハインの最初のジェットエンジンは 1937 年に水素で始動しました。出典: Wikipedia。
最初のジェット エンジンであるハンス フォン オハインの He S-1 (図 1) は、灯油では動か
ないため、水素で始動しました。水素はガス タービン燃焼エンジンに適した燃料です。水素は
灯油ベースの Jet-A1 よりもクリーンな燃焼を実現しますが、燃料電池の出力 (純水を出力)
ほどクリーンではありません。水素燃焼ガス タービンは、Jet-A1 燃焼エンジンより数倍低いとはいえ、NOx を排出します。
プラット・アンド・ホイットニーは、水素燃焼ガスタービンに関する豊富な経験を持って
います。1958 年、CIA はロッキード・スカンクワークスに、高度 100,000 フィートで
マッハ 2.5 まで飛行できる U-2 スパイ機の後継機の製造を依頼しました。ロッキードは、
エンジンを翼端に、液体水素を胴体に搭載した、双発の F-104 に似た CL-400 を構想しま
した。プラット・アンド・ホイットニーは、このプログラムのために LH2 燃焼エンジンを
製造し、テスト スタンドで動作させました (図 2)。プロジェクトはキャンセルされましたが、プラット・アンド・ホイットニーは LH2 エンジンを初めて体験しました。
図 2. Project Suntan の PW 304 LH2 エンジン。出典: Secret Projects フォーラム。
水素が旅客機のガスタービンの燃料として復活すると、プラット・アンド・ホイットニー社
は米国エネルギー省のARPA-Eから水素燃焼プロセスのさらなる開発を研究する契約を獲得しました。
HySIITE（水素蒸気噴射式中間冷却タービンエンジン）と呼ばれるこのプロジェクトは、重要な部品とプロセスに関する2年間の研究を経て、昨年末に終了しました。
図 3. 逆流コアを備えた HySIITE エンジン。出典: Pratt & Whitney。
重要なプロセスは、水蒸気とあらかじめ混合したコンプレッサー空気で水素を燃焼させるこ
とでした。HySIITE エンジンは、バックフロー コアを使用して、必要な追加コンポーネント
を適切な順序でバイパス ストリームに配置します (図 3)。コアのバイパス空気はエンジンの
後部で捕捉され、コアを通って前方に送られます (図 3 の青い矢印は燃焼器の後で赤に変わります)。
燃焼器内の水素酸化の結果として水から蒸気を生成するために必要なコンポーネントは、バイ
パス ストリーム内の大型熱交換器 (図 3 のオレンジ色の矢印) であり、コア排気を冷却します (同時にエネルギーをバイパス ストリームに転送します)。
冷却された排気中の水は、その後、ナセル外板に近いさらに後方の遠心水分離器で捕らえら
れます (青い円形の矢印)。水はコア排気の熱交換器に戻され、最初の部分は蒸気蒸発器として
設計されています。そこで水は蒸気に加熱され、燃焼器の上流のコンプレッサーに入ります (白い点線の経路)。
プラット・アンド・ホイットニーが達成した結果は素晴らしいものでした。RTX テクノロ
ジー リサーチ センター (コネチカット州イースト ハートフォード) で実施された重要なプロセスとコンポーネントのフルスケール リグ テストでは、次のことが確認されました。
- H2 燃料を使用した単一ノズル燃焼装置テストでは、現在のベンチマークと比較して NOx が 99.3% 削減されることが実証されました。
- 凝縮器は、設計要件を満たし、3 秒ごとに 1 ガロン (1.26 リットル/秒) の水を捕捉できることを実証しました。
- 排気ガス経路内で蒸発器が効果的に機能し、蒸気を生成しました。
その結果、HySIITE アーキテクチャは、単通路航空機用の現在の最先端のターボファンと比較して、エネルギー効率を最大 35% 向上させることができることがわかりました。
NOx 排出が事実上なくなるため、水素燃焼代替案の主なマイナス面が解消されます。
35% のエネルギー効率により、水素燃焼は、100 席以上 (近い将来における燃料電池航空
機のサイズ制限) の排出ガスゼロの航空機にとって唯一の実行可能な代替案となります。
電力と液体水素またはSAF燃料航空機のバランスの変化
HySIITE で導き出されたエネルギー効率の変化により、Power to Liquid プロセスにおける
LH2 と SAF の電力方程式が変わります。大型航空機用の将来の排出ガスゼロ燃料は何かという徹底的な議論が、次のコーナーのテーマです。
HySIITEはPtL SAFとグリーン水素のバランスを変えます
HySIITE エンジンの効率が 35% 向上したことにより、再生可能エネルギーから生成された
SAF (いわゆる PtL SAF) と、同じエネルギーから生成された水素との間で「油井から使用
まで」の全エネルギー消費量を比較した場合、水素燃焼エンジン搭載の航空機に明らかな効率上の利点がもたらされます。
SAFはさまざまな方法で製造できます。これらのうち、Power-to-Liquid SAF には原材料の供給に制限はありません。
水素と PtL SAF がどのように生成されるかを理解するには、図 2 と以下のテキストを参照してください。これは、プロセスを説明するエアバスの Web サイトからの抜粋です。
図 2. グリーン水素と PtL SAF を製造するプロセス。出典: エアバス。
PtL は合成された液体炭化水素です。再生可能電力が主要なエネルギー源であり、水と二酸
化炭素 (CO ₂) が SAF PtL 生産に使用される主な資源です。SAF PtL 生産は主に次の 3 つのステップで構成されます。
- 再生可能エネルギーは電解装置に電力を供給し、グリーン水素を生成します。
- 気候中立の CO ₂（Direct Air CarbonCapture などによって捕捉）は、炭素原料に変換されます。
- 炭素原料は、フィッシャー・トロプシュ法などのプロセスを経てグリーン水素と合成され、液体炭化水素を生成します。その後、これらが変換されて灯油に相当する合成物質が生産されます。
ステップ 1のプロセスでは、グリーン水素が生成され、ステップ 2での CO2 回収コストが
回避され、ステップ 3で水素と炭素を組み合わせて PtL が生成されます 。これが、生産レベルでは水素が有機的に PtL よりも低コストの燃料である理由です 。
PtL の主な利点は、パイプラインや燃料補給所などの既存の化石燃料インフラ ネットワークを
介して輸送および配布できることです。また、既存の航空機の燃料タンクに充填して、既存のエンジンで燃焼させることもできます。
これらの利点を補うには、水素の使用コストを PtL SAF より大幅に安くする必要があります。ここで HySIITE がバランスを変えます。
図 3 は、1 月のブリーフィングで RTX 主任科学者のマイケル・ウィンター 博士と プラット
・アンド・ホイットニー のテクニカル フェロー ニール・ターウィリガーが発表した パスウエイ（経路） 分析におけるエネルギー使用量を示しています。
図 3. PtL SAF および LH2 経路データは 1 月のブリーフィングで発表されました。出典: RTX および Pratt & Whitney。
HySIITE 以前の水素燃焼代替手段は、PtL SAF 代替手段と比較して 8% のエネルギー使用上
の利点がありました。この利点は非常に低いため、航空機に LH2 を供給するためのインフラ
ストラクチャに必要な投資と航空機の変更が動機付けられているかどうか疑問に思わざるを得ません。
HySIITE における水の回収と再利用により、その利点は 3 倍になり、将来の水素供給システムと航空機の魅力が高まります。
要約すると、HySIITE プロセスでは次の利点を持つエンジンが製造されます。
- HySIITE プロセスを採用した LH2 エンジンは、今日の同等の技術エンジンよりも 35% 効率が優れています。
- NOx排出は実質的に排除されます。
- LH2 エンジンの飛行機雲形成問題に対処します。
- PtL と比較した純エネルギー節約は 3 倍になります。
水はガスタービンエンジンの効率を高める
水を捕捉して蒸気として HySIITE プロセスに再注入すると、エンジンの効率が向上すること
を説明しました。その理由は、燃料が燃焼器で燃焼してタービンとファンを駆動する高速ガス
を生成するため、ガスの質量が重要になるからです。一般的な巡航高度の空気の密度は地上レ
ベルの 1/4 です。圧縮機で圧縮されると密度は増加しますが、同じ圧縮レベルの空気と蒸気の混合では密度がはるかに高くなります。
密度（つまり、体積あたりの質量）が増加すると、タービンでの電力抽出が増加し、エンジンの効率が向上します。
灯油燃焼エンジンでも水は生成されますが、その規模は小さくなります。WET エンジン
プロセスの開発に携わる MTU は、それでも実行する価値があると考えています。
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