Liquid hydrogen powered aviation electrification

Abstract

Aviation is a major contributor to global greenhouse gas emissions and climate change. To complete the industry’s target of net-zero carbon emissions by 2050, innovative propulsion technologies are required. This thesis explores the electrification of aviation powered by liquid hydrogen (LH2). The research is conducted as a literature review. A key focus is the synergistic application of LH2 as both a fuel source and a highly effective cryogenic coolant for high-specific-power superconducting motors. Various powertrain configurations, including fuel cell-superconducting motor systems, gas turbines, and hybrid architectures, are analysed. The study also reviews current industry initiatives by major organizations such as Airbus, ZeroAvia, Rolls-Royce, and NASA, which demonstrate the growing technical viability of these systems. The findings conclude that while significant logistical, infrastructural, and airframe integration challenges remain regarding cryogenic storage, LH2-supported electric propulsion systems represent a highly promising and necessary route toward sustainable, zero-emission aviation.

Ilmailu on merkittävä kasvihuonepäästöjen lähde ja siten ilmastonmuutoksen aiheuttaja. Alan tavoitteena on saavuttaa hiilineutraalisuus vuoteen 2050 mennessä, mikä edellyttää innovatiivisia ratkaisuja. Tässä opinnäytetyössä tarkastellaan nestemäisellä vedyllä (LH2) toimivaa sähköistämistä ja sen potentiaalia vastata ympäristöhaasteisiin. Tutkimus toteutetaan kirjallisuuskatsauksena. Keskeisenä tarkastelukohteena on nestemäisen vedyn synerginen hyödyntäminen sekä polttoaineena että erittäin tehokkaana kryogeenisenä jäähdytysaineena suuren ominaistehon suprajohtaville sähkömoottoreille. Työssä analysoidaan erilaisia voimalinjakonfiguraatioita, kuten polttokenno–suprajohtava sähkömoottorijärjestelmiä, kaasuturbiineja ja hybridijärjestelmiä. Lisäksi tutkimuksessa tarkastellaan alan nykyisiä hankkeita, joita toteuttavat suuret organisaatiot, kuten Airbus, ZeroAvia, Rolls-Royce ja NASA. Nämä hankkeet osoittavat järjestelmien teknisen toteuttamiskelpoisuuden kasvavan jatkuvasti. Tulokset osoittavat, että vaikka kryogeeniseen varastointiin liittyy edelleen merkittäviä logistisia, infrastruktuurisia ja lentokonerakenteen integraatiohaasteita, nestemäiseen vetyyn perustuvat sähköiset propulsiojärjestelmät muodostavat erittäin lupaavan ja välttämättömän kehityssuunnan kohti kestävää ja päästötöntä ilmailua.