A study on hydrogen storage systems for sustainable aviation

The decarbonization of commercial aviation has renewed interest in hydrogen as an alternative energy carrier, with onboard storage emerging as a critical enabling technology. This thesis presents a comprehensive framework for the conceptual design, high-fidelity modelling, and multidisciplinary optimization of liquid hydrogen pressure vessels for aircraft integration. The proposed approach focuses on a passively insulated sandwich-composite architecture, aiming to simultaneously maximize gravimetric efficiency and minimize boil-off losses under realistic operational and integration constraints.A computational tool is developed that couples multiphysics finite-element thermo-mechanical modelling with nonlinear, constraint-based multidisciplinary optimization. The framework explicitly accounts for standardized safety factors, cryogenic thermal loads, internal pressurization, material failure criteria, and pragmatic design features, including non-spherical end domes, refuelling cutouts, anti-sloshing baffles, and fuselage integration constraints. The exploration of the optimized design space demonstrates that all-metal tank configurations are intrinsically penalized by structural mass, yielding gravimetric efficiencies below 30%. In contrast, composite-based architectures with metallic liners achieve gravimetric efficiencies approaching 50%, with overall tank mass reductions of up to 57% relative to whole metallic counterparts, even when realistic integration features are included. Scaling effects are investigated, highlighting the influence of tank size and geometry on both thermal and structural performance.Finally, the optimized storage systems are integrated into a sustainable aircraft concept to assess system-level implications and identify pathways to mitigate the performance gap with conventional kerosene-fuelled aviation. Beyond design optimization, the results provide quantitative insights relevant to future certification activities, supporting the development of physically grounded methodologies for the safe introduction of liquid hydrogen storage in commercial aircraft.

La decarbonizzazione dell’aviazione commerciale ha suscitato un rinnovato interesse per l’idrogeno come vettore energetico alternativo, con lo stoccaggio a bordo che si sta affermando come una tecnologia abilitante fondamentale. La presente tesi presenta un quadro completo per la progettazione concettuale, la modellazione ad alta fedeltà e l’ottimizzazione multidisciplinare dei serbatoi a pressione per idrogeno liquido destinati all’integrazione sugli aeromobili. L’approccio proposto si concentra su un’architettura a sandwich composito con isolamento passivo, con l’obiettivo di massimizzare l’efficienza gravimetrica e ridurre al minimo le perdite per evaporazione in condizioni operative e di integrazione realistiche.È stato sviluppato uno strumento computazionale che accoppia la modellazione termomeccanica multifisica con elementi finiti all’ottimizzazione multidisciplinare non lineare basata su vincoli. Il quadro tiene esplicitamente conto dei fattori di sicurezza standardizzati, dei carichi termici criogenici, della pressurizzazione interna, dei criteri di cedimento dei materiali e delle caratteristiche progettuali pragmatiche, tra cui cupole terminali non sferiche, aperture per il rifornimento, deflettori anti-sloshing e vincoli di integrazione nella fusoliera. L’analisi dello spazio di progettazione ottimizzato dimostra che le configurazioni dei serbatoi interamente in metallo sono intrinsecamente penalizzate dalla massa strutturale, con efficienze gravimetriche inferiori al 30%. Al contrario, le architetture basate su materiali compositi con rivestimenti metallici raggiungono efficienze gravimetriche prossime al 50%, con riduzioni complessive della massa dei serbatoi fino al 57% rispetto alle controparti interamente metalliche, anche quando vengono incluse caratteristiche di integrazione realistiche. Vengono studiati gli effetti di scala, evidenziando l’influenza delle dimensioni e della geometria dei serbatoi sulle prestazioni sia termiche che strutturali.Infine, i sistemi di stoccaggio ottimizzati vengono integrati in un concetto di velivolo sostenibile per valutare le implicazioni a livello di sistema e identificare percorsi per mitigare il divario prestazionale rispetto all’aviazione convenzionale alimentata a cherosene. Al di là dell’ottimizzazione progettuale, i risultati forniscono approfondimenti quantitativi rilevanti per le future attività di certificazione, supportando lo sviluppo di metodologie fisicamente fondate per l’introduzione sicura dello stoccaggio di idrogeno liquido negli aerei commerciali.