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A las puertas de la aviación del futuro

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La mejora continuada en la eficiencia energética de los aviones comerciales permite que, en la actualidad, los de última generación consuman de media tres litros de combustible por cada 100 pasajeros-km, lo mismo que un automóvil eficiente. Pero para ser ambientalmente sostenible, el sector debe avanzar mucho más. Su meta actual está en conseguir un crecimiento neutro en CO2 a partir de 2020 y que en el año 2050 las emisiones supongan la mitad del nivel de 2005. La electrificación de los vuelos y el hidrógeno se presentan como las alternativas más disruptivas para lograrlo.
A las puertas de la aviación del futuro

El sector de la aviación, responsable del 2,4% de las emisiones globales de efecto invernadero, debe necesariamente reducir el CO2. Pero también otros gases que emite, como los óxidos de nitrógeno, que provocan la formación de estelas y nubosidad inducida, dos fenómenos con claro efecto invernadero (algunos estudios indican que debido a ello la aviación estaría contribuyendo realmente hasta con un 5% al calentamiento global). Minimizar el ruido, mejorar las infraestructuras y la gestión del tráfico aéreo y diseñar aviones cada vez más eficientes son otros imperativos para que el sector resulte verdaderamente sostenible.



El Colegio Oficial de Ingenieros Aeronáuticos de España (COIAE) publicaba en octubre pasado un informe, elaborado por el Comité de Sostenibilidad que el propio Colegio creó en 2019, en el que repasa de manera exhaustiva el abanico de medidas, estrategias y tecnologías en las que se está trabajando para dar respuesta a todas estas demandas. De acuerdo con Estefanía Matesanz, Decana del COIAE, en un horizonte de 10 a 20 años es factible alcanzar una aviación en la que predomine la propulsión eléctrica e híbrida para el transporte regional y de corto alcance, motores de combustión de hidrógeno para rutas intermedias y de alta capacidad, y vuelos de larga distancia con combustibles sostenibles. Pero eso es el futuro.




El presente
Si nos ceñimos al presente, el mayor avance viene de la mano de los combustibles sostenibles, tanto de origen biológico como sintético a partir de fuentes energéticas renovables. Estos combustibles son ya una realidad, aunque con un uso aún minoritario.



Desde el COIAE explican  que existen básicamente dos tipos de combustibles sostenibles para aviación: los producidos a partir de compuestos biológicos (biocombustibles), ya sean cultivados directamente para este propósito o residuales, y los producidos de forma sintética a partir de CO2 e hidrógeno, que se conocen como electrocombustibles, “e-fuels” o también “synfuels”.

Estos combustibles están formulados de manera que pueden mezclarse directamente con el combustible habitual en los motores de las aeronaves, en una proporción que teóricamente podría llegar hasta el 100% (en la actualidad está permitido hasta el 50%). 

Estos combustibles ayudan a mejorar la sostenibilidad de las aeronaves actuales, incluidas las que operan vuelos de alta capacidad y larga distancia, si bien para calcular su eficiencia medioambiental debe tenerse en cuenta su ciclo de vida completo, incluyendo los impactos directos e indirectos de su producción.



El primer vuelo con biocombustibles se realizó en 2008 (un jumbo de Virgin Atlantic entre Londres y Amsterdam) y desde entonces se ha avanzado bastante en su introducción, estimándose que el total de vuelos realizados con algún porcentaje de este tipo de combustibles rondaría los 300.000 en 2020, según la Asociación Internacional de Transporte Aéreo, IATA.  Datos referidos a 2018 indican que la aviación utilizó 15 millones de litros de biocombustibles ese año, cifra que, no obstante,  sigue siendo mínima ya que supone menos del 0,1% del total de combustible usados por los aviones ese año. El COIAE estima, sin embargo,  que los biocombustibles podrían haber cubierto potencialmente el 4% de las necesidades totales de combustible de aviación en Europa en 2019. 




Los e-fuels

La producción sintética de combustibles alternativos a los de origen fósil –los citados e-fuels–  supone un salto cualitativo en lo referente a la sostenibilidad de la aviación. Mimetizando en cierta forma el ciclo de los biocombustibles, el proceso implica la extracción del CO2 directamente de la atmósfera o su captura en procesos industriales, y su conversión en hidrocarburos al combinarlo con hidrógeno, que a su vez se obtiene, por ejemplo, por electrólisis del agua. El tipo de energía utilizada en el proceso es lo que determinará el saldo neto de emisiones de CO2. Si se utilizan fuentes renovables, como la energía solar o eólica, el e-fuel resultante podría ser prácticamente neutro en CO2.



A pesar de estar un paso por detrás de los biocombustibles, tanto en aplicación industrial como en coste, estos electrocarburantes cuentan con la ventaja de ocupar mucho menos terreno por unidad de combustible producido. Y evitan toda la problemática de los efectos directos e indirectos de cambio de uso de suelo cultivable, además de demandar un mínimo consumo de agua.



Noruega –uno de los países más avanzados del mundo en el desarrollo de estos biocarburantesl– cuenta ya con una normativa que obligará a las aerolíneas a utilizar un mínimo del 30% de combustibles sostenibles en sus operaciones domésticas e internacionales para 2030. Y para ayudar a ponerlo en práctica, a partir de 2023 empezará a fabricar e-fuel con fuentes renovables. La empresa noruega Norsk-e pretender tener para ese mismo año una capacidad anual de 10 millones de litros, multiplicarla por 10 en solo tres años y replicar el modelo en otras factorías.



España participa en otro proyecto singular de enorme potencial, en este caso basado en reacciones termoquímicas de alta temperatura. Se trata del proyecto Sun-To-Liquid, que con financiación de la Unión Europea y Suiza se está desarrollando en las instalaciones de IMDEA Energía en la localidad madrileña de Móstoles. En su caso, un reactor alimentado con luz solar concentrada consigue transformar CO2 y agua en gas de síntesis, compuesto de hidrógeno y monóxido de carbono, antes de su transformación en "queroseno solar". A finales de 2019 concluyó con éxito la validación del ciclo completo de producción escalable a nivel industrial.




Un poco más eléctricos

Según los autores del informe del COIAE,  la aviación comercial con propulsión eléctrica es, de momento, la única vía para poder realizar vuelos con un impacto medioambiental cero, asumiendo que se usen suministros renovables (y a falta de evaluar el ciclo de vida de los equipos empleados). Aunque los plazos para convertir en realidad esta alternativa son inciertos, los autores del informe creen que su despliegue empezará esta misma década. Estiman que hacia 2025 puede haber ya aeronaves eléctricas pequeñas, para 20 pasajeros, surcando los cielos; y al comienzo de la siguiente década, aeronaves mayores, de 50-80 pasajeros.  

Estas aeronaves tendrán configuraciones muy variadas y flexibles y se podrán híbridas con otras formas de propulsión, para optimizar sus capacidades. En cuanto al suministro eléctrico, pueden aportarlo baterías o pilas de combustible. Ahora bien, lo que de momento hay no son aviones eléctricos, sino aviones"más eléctricos". Aviones, por ejemplo, en los que los pesados y complejos circuitos hidráulicos, neumáticos y mecánicos se eliminan gracias al uso de motores y sistemas eléctricos, con la consiguiente reducción de peso y optimización de los motores principales, dedicados en exclusiva a la propulsión. Como ejemplo de este avance citan el Airbus A380, en el que se ha reemplazado el mecanismo hidráulico que acciona los inversores de empuje por uno eléctrico.



Otro logro significativo de este enfoque es el sistema “e-taxi”, desarrollado por Airbus y Safran. Esta innovación, que podremos ver ya volando en 2022, consiste en utilizar la propulsión eléctrica durante las operaciones en tierra mediante un motor eléctrico conectado al tren de aterrizaje. Con ello logra un ahorro de combustible y emisiones de hasta un 4% en corta y media distancia, además de una considerable reducción del ruido.



El sistema turboeléctrico, en el que una turbina de gas, alimentada por combustible convencional, mueve un generador eléctrico que a su vez transmite la potencia para que motores eléctricos generen el empuje es otro enfoque en el que se está trabajando. Aunque la fuente de energía primaria siga siendo hidrocarburos, esta arquitectura permite optimizar el régimen de la turbina de gas, dedicada en exclusiva a la generación de energía eléctrica, lo que incrementa de manera significativa su eficiencia. Además,  el comportamiento medioambiental de este sistema se podría mejorar recurriendo a combustibles sostenibles.



El futurista N3-X de NASA, un ala volante con las turbinas de gas en las puntas y sistema eléctrico superconductor, mejoraría la eficiencia energética en un 72% frente al equivalente Boeing 777, según sus ideólogos, si bien el horizonte tecnológico a alcanzar para hacerlo técnicamente viable está muy lejano. Más a corto plazo, podrían verse  propuestas similares como la planteada en el marco del proyecto ESAero ECO-150, una nave para 150 pasajeros basada en la propulsión turboeléctrica, lo que significa que utiliza motores eléctricos impulsados por turbinas de gas a bordo.


Híbridos, siguiente hito
El siguiente hito en esta estrategia hacia la sostenibilidad del transporte aéreo se producirá con la incorporación de la propulsión eléctrica en el vuelo (al menos durante algunas fases), para lo cual entran en escena las baterías o las pilas de combustible. Según el COIAE, esta propulsión híbrida permitiría, por ejemplo, aprovechar la mayor energía específica del queroseno para superar fases de alta demanda, como el despegue y ascenso; y reservar el empuje eléctrico para el crucero, eliminando así las dañinas emisiones en altura y otros efectos negativos asociados a la propulsión a reacción,  como son las estelas de condensación y la nubosidad asociada.



Boeing presenta esta posibilidad de hibridación en su SUGAR Volt, un aparato que mantiene motores turbofán que pueden operar de manera convencional, quemando queroseno, o gracias a un motor eléctrico acoplado en diferentes momentos del vuelo. Se estima que el SUGAR Volt ahorraría en combustible alrededor del 60% respecto al equivalente convencional.



La otra opción híbrida más trabajada consiste en confiar la propulsión exclusivamente a motores eléctricos, que a su vez estarían alimentados alternativamente desde baterías o mediante un motor convencional conectado a un generador eléctrico. A estos sistemas se les denomina híbridos en serie y comparten con la opción turboeléctrica la ventaja de poder optimizar el punto de diseño del motor convencional, ya sea de combustión interna o turbina de gas, al estar dedicado en exclusiva a la producción de electricidad. Como en la opción anterior, los tramos alimentados por baterías conseguirían la eliminación total de emisiones durante algunas fases del vuelo, aunque el hecho de contar con dos fuentes energéticas en la aeronave eleva su peso y dificulta su mantenimiento.


El consorcio internacional Futprint50, financiado por la Unión Europea, busca el desarrollo de las herramientas y tecnologías necesarias que permitan la entrada en servicio de un avión de este tipo, de 50 plazas, antes del año 2040.

Baterías de altos vuelos
En el camino hacia los aviones 100% eléctricos, el siguiente escalón es almacenar la energía necesaria para el vuelo en baterías o en pilas de combustible, desde donde ésta se transmite directamente a motores eléctricos que generan el empuje. El desafío es conseguir baterías con 
suficiente autonomía; tanta como la aportada por los hidrocarburos utilizados en la aviación convencional, que contienen al menos 40 veces más energía por unidad de peso.



Diferentes estudios señalan que los umbrales de energía específica que permitirían desarrollar soluciones eléctricas viables para la aviación comercial se conseguirían a partir de baterías que alcanzasen los 400 W•h/kg. Sin embargo, en el caso de pequeñas aeronaves, el vuelo 100% eléctrico parece posible con las actuales baterías de Ion-Litio. Ahí están para demostrarlo el Alpha Electro de Pipistrel, una aeronave ligera de nuevo diseño 100% eléctrica; o las remotorizaciones eléctricas de aeronaves ya existentes como la de un De Havilland Beaver para 6 pasajeros (Harbour Air y Magnix) o la de un Cessna Grand Caravan con hasta 9 pasajeros (Aerotec y Magnix). Todas estas aeronaves han realizado ya vuelos exitosos de demostración. 



Las baterías actuales parecen también capaces de alimentar los eVTOL, pequeñas aeronaves destinadas al transporte aéreo urbano, cuyo desarrollo es en la actualidad una auténtica competición con multitud de proyectos en fase de ensayos en vuelo. En ella participan desde los grandes constructores aeronáuticos, como Airbus o Boeing, hasta nuevos actores con experiencia en movilidad (Uber, Hyundai) y una multitud de start-ups (Joby Aviation, Volocopter, Lilium). También hay propuestas muy ambiciosas para trayectos de largo alcance con aviones de 186 pasajeros, como el de Wright Electric, cuya entrada en servicio está prevista para 2030.



Para disponer de la energía requerida que permitan estos vuelos, se está trabajando, por ejemplo, en el desarrollo de baterías de litio-sulfuro, como la que prepara la empresa Oxis Energy, en las baterías de metal-aire o con aplicaciones de grafeno. También se investiga en cómo lograr de forma eficiente y segura la distribución y gestión de las altas potencias necesarias.



El (esperado) hidrógeno

El hidrógeno se presenta como una solución idónea al problema del almacenamiento energético: cada kg de H2 tiene 2,7 veces más energía que su equivalente de combustible convencional. Esto elimina, en principio, el problema de autonomía de la aviación eléctrica. No obstante, la densidad energética del H2—la cantidad de energía almacenada por litro— es al menos cuatro veces inferior a la del queroseno, lo que implica que aún contando con mayor energía específica, las aeronaves que utilicen hidrógeno como combustible necesitarán mayor espacio de almacenaje. Además, la geometría cilíndrica de los depósitos criogénicos (-253º C) o de alta presión (700 bar) necesarios para alojarlo supone un desafío para la configuración y dimensiones de las aeronaves.



El uso del hidrógeno en aviación se puede aplicar con dos tipos de tecnologías: las pilas de combustible, que convierten la energía química de un compuesto en electricidad, y la combustión directa en motores convencionales. El primer ensayo en vuelo de una aeronave propulsada por pilas de hidrógeno se realizó en España en 2008, de la mano de Boeing. Mucho antes, en el año 1937, ya se planteó el uso directo de este combustible en un motor a reacción, aunque hubo que esperar hasta 1990 para que se produjese el primer ensayo en vuelo de un avión parcialmente propulsado por motores turbofán de hidrógeno, el Tupolev Tu-155.



La gran ventaja medioambiental de utilizar hidrógeno es que solo emite agua. Sin embargo, desde el COIAE advierten que el uso directo de hidrógeno en motores a reacción presenta algunos inconvenientes, al producirse óxidos de nitrógeno (NOx) y liberarse directamente vapor de agua en la atmósfera. Para mitigar las emisiones de NOX, fruto de las altas temperaturas alcanzadas en la cámara de combustión, se están desarrollando investigaciones que reducirían su volumen entre el 66 y el 80%.  En cuanto a la emisión de vapor de agua en altura, que conduce a la creación de estelas de condensación y nubosidad asociada –con su consiguiente impacto sobre el calentamiento global– diversos estudios indican que su efecto negativo total será al menos un 11% menor que el provocado por los hidrocarburos. Medidas adicionales, como modificar la altitud del vuelo, contribuirían significante a reducir este problema.



Otro aspecto relacionado con la aviación con hidrógeno es su seguridad. El informe Cryoplane despejó dudas al respecto, concluyendo que la seguridad en aeronaves con este tipo de combustible sería cuando menos similar a de las aeronaves con tanques de queroseno. Otros estudios posteriores apuntan incluso a una mayor seguridad en el caso de aviones alimentados con hidrógeno líquido.


"El año 2020 ha marcado un hito de cambio y aceleración hacia una aviación propulsada por hidrógeno y los factores políticos, tecnológicos y económicos parecen alinearse por fin para hacer realidad el enorme potencial en el ámbito de la sostenibilidad de este vector energético", concluyen los autores del informe del COIAE. Y recuerdan que  tanto la la Alianza Europea del Hidrógeno Limpio, presentada en julio de 2020, como la Hoja de Ruta española para el hidrógeno renovable, de octubre de 2020, contemplan el uso de este vector energético en la aviación e incluyen la instalación de hidrogeneras en los principales aeropuertos.


Este artículo se ha publicado en el número de febrero de Energías Renovables en papel. Aquí puedes descargar la revista en PDF:
 



Trazos en el cielo

Los motores actuales de los aviones emiten vapor de agua, dióxido de carbono, pequeñas cantidades de óxidos de nitrógeno (NOx), hidrocarburos, monóxido de carbono, gases de azufre y partículas de hollín y metal. El vapor de agua es relevante para la formación de estelas de condensación, esas nubes de hielo, en forma de largas líneas, que surgen en ocasiones al paso de un avión, por condensación del vapor de agua emitido. Y también lo son las partículas de hollín, ya que permiten la nucleación de los microcristales que las componen. La ventaja de los combustibles sostenibles es que emiten menos hollín y, por tanto, generan menos estelas.



Las estelas pueden permanecer en el cielo en forma de cirros cuando se dan las condiciones atmosféricas adecuadas (humedad ambiental, viento…); y un incremento de estas nubes puede cambiar el balance radiativo local, reduciendo, por ejemplo, la cantidad de energía solar que alcanza la superficie terrestre. A la vez pueden provocar un calentamiento local al impedir la salida de la radiación terrestre. En definitiva, contribuyen al cambio climático. No obstante, todavía existen incertidumbres con respecto al alcance de este impacto y en particular, su impacto en las temperaturas de la superficie. Pero está claro que suponen un problema.

El plan CORSIA

El sistema europeo de compensación de emisiones (EU ETS) ha certificado la reducción de 193 millones de toneladas de emisiones de dióxido de carbono relacionadas con el tráfico aéreo entre 2013 y 2020. Así lo destacan los miembros del Comité de Sostenibilidad del COIAE, quienes aseguran que "el sector de la aviación lleva tratando de encontrar soluciones técnicas para que el trasporte aéreo y la aviación en general sean cada día más sostenibles, prácticamente desde su mismo origen, pero desde luego desde los últimos veinte años".

A nivel global, este año entrará en funcionamiento la primera fase del marco regulador del Plan de Compensación y Reducción de Carbono para la Aviación Internacional (CORSIA, por sus siglas en inglés), adoptado por la Organización de Aviación Civil Internacional (OACI) y que afecta a la práctica totalidad de la aviación civil internacional.  Los objetivos principales de este plan son el crecimiento neutro en carbono del sector a partir de 2020 y reducir las emisiones netas a la mitad en 2050 respecto a niveles de 2005. El promedio de emisiones de CO2 de la aviación internacional entre 2019 y 2020 representará la base de referencia para el crecimiento neutro en carbono a partir de 2020, con respecto al cual se compararán las emisiones de los próximos años.






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