Energy integration in hybrid power and propulsion systems: a multi-fidelity approach

Abstract

This thesis is concerned with the investigation of a novel concept targeting to couple the sectors of power generation and aviation in an ‘energy systems integration’ approach, in line with Europe’s strategic plans for climate neutrality by 2050. The developed approach is based on multi-fidelity computational studies spanning from zero- and one-dimensional models exploring the design space of a hybrid-electric aircraft and its thermal management system, to validated fluid dynamics simulations, as the first phase of component zooming (e.g. on the heat exchangers) development in this type of integrated systems. A set of research questions are posed about the feasibility of the integrated system and, the challenges occurring both in the underlying physics, as well as the models’ suitability are sought and discussed. A theoretical background discussing about advanced thermodynamic cycles and existing commonalities between hybrid, combined cycles is given to demonstrate how these can reduce the propulsion system’s irreversibilities, as representatives of its losses. A description of the multi-fidelity modelling is then given. To account for the hybrid-power production unit, the work done employs higher fidelity models for the performance evaluation of land based thermal storage units with phase change materials. Two different layouts are examined, based on the selected temperature levels as a function of the power unit’s operating strategy. Three types of heat exchangers are examined, namely a finned shell and tube, a spiral coil, and a macro-encapsulated configuration. Regarding the latter, a novel macro-encapsulated configuration is proposed as a method for thermal energy storage and management, as part of a cooling/heating system intended for power generation. To account for the hybrid-propulsion unit, the work done employs lower fidelity models for the design space exploration of a hybrid electric aircraft, with electrical energy storage. Furthermore, a thermodynamic model is developed for the evaluation of the benefits in using fluids as coolant agents, for thermal management purposes and power augmentation at take-off. The hybrid-electric propulsion configuration is based on a novel series/parallel hybrid concept, with an electrically driven aft fan which takes advantage of the boundary layer ingestion concept. The following part presents the design of the thermal management system for the selected propulsive configuration, by also identifying its performance and overall sizing. It is shown that this part becomes the enabling system to allow for the integration of power and propulsion systems. An architecture is presented, considering the redundancy characteristics, to avoid critical engine failure modes. An error propagation analysis is included, to determine the impact of critical parameters in this system’s design. Τhe final part includes a feasibility study about technical and economic aspects of concepts allowing the integration of a power and propulsion unit, using an on-board thermal energy storage. The main outcome indicates the potential of an on-board thermal storage unit, to save up to 20 kWh of energy for each flight, for the selected propulsive configuration. Moreover, the minimum requirements of this system are determined, to justify an investment for further research and development.

Στη διατριβή αυτή διερευνώνται καινοτόμες τεχνολογικές έννοιες που αποσκοπούν στην ‘συνενσωμάτωση’ υβριδικών συστημάτων παραγωγής ενέργειας και πρόωσης. Η ‘ενεργειακή συνενσωμάτωση’ αναφέρεται σε ένα περίπλοκο σύστημα που σχεδιάζεται και λειτουργεί ενιαία, εκμεταλλευόμενο τις διαφορετικές μορφές ενέργειας, με τις αντίστοιχες υποδομές που τις υποστηρίζουν, καθώς και με τους τομείς όπου αυτές καταναλώνονται (μεταφορές, βιομηχανία, κτίρια). Η προσέγγιση βασίζεται σε μοντέλα πολλαπλής πιστότητας που αναπτύσσονται για την μελέτη της απόδοσης και θερμικής διαχείρισης συστημάτων. Επίσης, γίνεται χρήση επικυρωμένων μοντέλων υπολογιστικής ρευστοδυναμικής, ως μέθοδος εστίασης συγκεκριμένων σημείων (π.χ. εναλλάκτες θερμότητας) του συστήματος παραγωγής ενέργειας και πρόωσης που μελετάται. Η διατριβή θέτει ερευνητικά ερωτήματα σχετικά με τη σκοπιμότητα αυτών των συστημάτων, καθώς και τις προκλήσεις που προκύπτουν από τη φυσική που τα περιγράφει. Στην ενότητα όπου διερευνάται το σύστημα υβριδικής παραγωγής ενέργειας, χρησιμοποιούνται μοντέλα υψηλότερης πιστότητας για τον υπολογισμό της απόδοσης συστημάτων αποθήκευσης θερμικής ενέργειας με υλικά αλλαγής φάσης. Εδώ εξετάζονται δύο διαμορφώσεις με βάση το θερμοκρασιακό επίπεδο και τη στρατηγική λειτουργίας που ακολουθείται. Τρεις τύποι εναλλακτών θερμότητας διερευνώνται με μεγαλύτερη λεπτομέρεια. Πιο συγκεκριμένα, ένας εναλλάκτης τύπου κελύφους – σωλήνα, ένας σπειροειδής εναλλάκτης και τέλος, ένας εναλλάκτης τύπου μακρο-ενθυλάκωσης. Σχετικά με τον τελευταίο τύπο, προτείνεται μια καινοτόμα διαμόρφωση μακρο-ενθυλάκωσης που προσφέρει τη δυνατότητα θερμικής αποθήκευσης και διαχείρισης σε ένα σύστημα ψύξης/θέρμανσης, σχεδιασμένο για συστήματα παραγωγής ενέργειας. Στην ενότητα όπου μελετάται το σύστημα υβριδικής πρόωσης, χρησιμοποιούνται μοντέλα χαμηλότερης πιστότητας για τη διερεύνηση του σχεδιαστικού χώρου ενός υβριδικού – ηλεκτρικού επιβατικού αεροσκάφους. Επιπλέον, δημιουργείται ένα θερμοδυναμικό μοντέλο για την αξιολόγηση των πλεονεκτημάτων χρήσης ρευστών στην ψύξη του αέρα εισόδου του αεριοστροβίλου, κατά την απογείωση. Σημειώνεται ότι ο τύπος υβριδοποίησης βασίζεται στον συνδυασμό σειριακής/παράλληλης υβριδοποίησης με χρήση ενός ηλεκτροκινητήρα στο πίσω μέρος της ατράκτου, για την πρόσδοση ισχύος σε εμφωλιασμένο κινητήρα που βασίζεται σε τεχνολογίες εισρόφησης οριακού στρώματος. Η επόμενη ενότητα περιγράφει τη σχεδίαση ενός συστήματος θερμικής διαχείρισης του αεροσκάφους. Η μελέτη αυτή δείχνει ότι το σύστημα διαχείρισης θερμικής ενέργειας του αεροσκάφους, είναι ένα από τα κρισιμότερα υποσυστήματα που είναι υπεύθυνα για να καταστήσουν ικανή την συνενσωμάτωση μεταξύ των δύο συστημάτων που μελετώνται. Επίσης, στην ενότητα αυτή παρουσιάζεται και η αρχιτεκτονική του συστήματος ψύξης ενώ λαμβάνονται υπόψη τεχνικές λειτουργικού πλεονασμού, προκειμένου να αποτραπούν πιθανά σενάρια βλαβών. Στο σημείο αυτό εξετάζεται και η μετάδοση σφάλματος προκειμένου να διερευνηθεί η επίδραση των σημαντικότερων παραμέτρων του συστήματος διαχείρισης θερμικής ενέργειας, στο συνολικό του σχεδιασμό. Στην τελευταία ενότητα περιγράφεται η μελέτη σκοπιμότητας σχετικά με τα τεχνικά και οικονομικά στοιχεία που πρέπει να ληφθούν υπόψη για τη συνενσωμάτωση των δύο συστημάτων, διαμέσω του συστήματος αποθήκευσης θερμικής ενέργειας. Το βασικότερο αποτέλεσμα της διατριβής είναι ότι καταδεικνύει την αποθήκευση θερμικής ενέργειας κατά τη διάρκεια μιας πτήσης, ως μέθοδος σημαντικής εξοικονόμησης ενέργειας. Επιπρόσθετα, καθορίζονται οι ελάχιστες προδιαγραφές που πρέπει να έχει ένα τέτοιο σύστημα, για να είναι άξιο επένδυσης σε περαιτέρω δραστηριότητες μελέτης και ανάπτυξης.