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Aviación sostenible: entre aviones eléctricos y combustibles no fósiles


Por Ángel Rojo

Docente investigador del Observatorio Aeroespacial

https://www.esga.mil.ar/Observatorio/

Si bien la pandemia ha golpeado duramente la industria de la aviación, se estima que, superado este momento, continúe con el patrón histórico de crecimiento, como lo hizo después de múltiples crisis petroleras, de la crisis financiera mundial de 2008 y de los atentados del 11 de septiembre.

Históricamente y previo al COVID-19, el tráfico casi se ha duplicado cada 15 años aproximadamente (es decir, será 4 veces mayor para 2050 en comparación con los inicios del 2020) y la industria está previendo que esta tendencia continuará en el futuro previsible, aunque marcadas por ciertas pautas.

Una de estas pautas estará orientada a una aviación más eficiente junto a una creciente conciencia de que los viajes en avión están teniendo un impacto significativo en el medio ambiente.

Durante 2018, las emisiones de CO2 de todas las operaciones de la aviación comercial totalizaron el 2,4% de las emisiones globales de CO2 sobre el total de uso de combustibles fósiles, habiéndose incrementado en un 32% durante los últimos cinco años[1].

Es por ello que Flightpath de la Unión Europea ha establecido entre sus metas para el 2050 una reducción del 75% en las emisiones de CO2 por pasajero-kilómetro, una reducción del 90% en las emisiones de óxido de nitrógeno (NOx) y una reducción del 65% en el ruido percibido[2].

Si bien, el sector ha logrado un progreso sustancial en los últimos 50 años para abordar algunos de estos factores, el ritmo de mejora se está desacelerando a medida que disminuyen las oportunidades para hacerlo en los aviones existentes y aún estamos muy lejos de revertir el impacto en el medio ambiente.

La industria de la aviación está haciendo esfuerzos para contribuir a la reducción de la contaminación del medioambiente con diferentes propuestas y desarrollos, aunque todavía no han logrado el impacto esperado. Estás van desde motores eléctricos a aeronaves de propulsión híbrida, pasando por el desarrollo de motores de plasma o la utilización de combustible no fósil, entre otras.

Entre las propuestas está el uso de motores eléctricos que, si bien diferentes empresas han alcanzado desarrollos interesantes con motores eléctricos livianos y que producen potencia de unos 750 CV, el problema se centra en la tecnología de las baterías, que pese a haber evolucionado con el uso de ion de litio, el peso y la potencia de las mismas limita su empleo a aeronaves livianas y a vuelos de corta duración.

Unos de los principales problemas de las aeronaves totalmente eléctricas es la capacidad de almacenar energía en sus baterías y el peso de éstas, que pueden llegar a más del 50% del peso máximo de despegue. Además, a diferencia de los aviones de combustión que a medida que queman combustible se hacen más livianos y mejoran sus performances, en los eléctricos el peso se mantiene prácticamente constante desde el despegue hasta el aterrizaje.

Por ello, esta nueva tendencia de motores eléctricos también busca el uso de perfiles aerodinámicos más eficientes y estructuras de materiales compuestos más livianas con el objeto de mejorar la eficiencia y el rendimiento de la energía acumulada en las baterías, inclusive en detrimento de la velocidad.

Algunos, prevén el empleo de paneles de células fotovoltaicas en la parte superior del fuselaje para aumentar la autonomía de las baterías.

Una variante es el empleo del motor a reacción de chorro de plasma que se genera a través de la comprensión de aire a alta presión e ionizándolo empleando microondas. Este proceso genera un plasma que produce el impulso. Con esta tecnología, algún día sería posible volar un avión en la atmósfera que sólo utilice electricidad y aire. Por el momento, solo se empleó en pequeños motores para posicionamiento de satélites, pero todavía falta superar algunas barreras tecnológicas, por las altas temperaturas que genera, para el empleo en la aviación.

Otra opción es el empleo de motores híbridos, tal vez la fórmula combinada más plausible para los próximos años, es decir que están compuestos por un motor de combustión y varios motores eléctricos. El motor a combustión se utiliza para reforzar la potencia y recargar las baterías, mientras que los eléctricos se utilizan en determinados perfiles de vuelo reduciendo la emisión.

Además, este sistema es más silencioso que los similares convencionales. En determinadas condiciones se emplean ambos sistemas de propulsión para obtener mayor potencia, por ejemplo, durante el despegue y ascenso. Otra de las ventajas de los motores híbridos es que le brinda más seguridad a la aeronave al tener un motor de combustión ante una falla eléctrica.

Otra opción es el empleo de combustibles no fósiles, por ejemplo, el amoníaco (NH3) que no produce residuos de CO2 y que es más seguro que el querosene que actualmente utilizan las aeronaves porque es más difícil de quemar. Además, tiene la ventaja de que no deberían realizar grandes reformas a las aeronaves que emplean querosene. Las desventajas del uso de este combustible alternativo es que producirlo completamente verde resulta más caro que el querosene y, además, tiene menor energía, por lo cual los aviones tendrían menor alcance.

También se ha incrementado el uso de combustibles de aviación sostenibles (SAF), siendo Neste el mayor productor mundial. Este combustible es realizado a partir de residuos y materias primas de residuos 100% renovables, el cual reduce en hasta un 80% las emisiones de gases de efecto invernadero en comparación con combustibles de origen fósil[3]. Neste se ha asociado con Air BP para entregar combustible de aviación sostenible a clientes en Suecia y Francia. Además, Lufthansa y KLM utilizan ese producto renovable, mezclado con combustible de aviación fósil, de forma continua en vuelos que salen de Frankfurt y el aeropuerto de Schiphol.

Además, está la opción alternativa del empleo de biocombustibles producidos a partir de material vegetal rico en carbohidratos y mediante unas bacterias, genéticamente modificadas, que se emplean para digerir los azúcares aislados en moléculas densas de energía que luego se convierten químicamente en un producto combustible[4].

Otra forma de reducir la contaminación es retirar CO2 de la atmosfera y generar combustible sintético a través de un proceso llamado captura de carbono. Muy básicamente el proceso consiste en aspirar aire del ambiente y pasarlo a través de un líquido, también puede ser un sólido, para producir una solución rica en dióxido de carbono. El CO2 colectado se mezcla con hidrógeno para producir los hidrocarburos[5]. Con este proceso se saca de la atmósfera el CO2 con lo cual se pararía el aumento, pero todo el proceso es muy caro y está lejos de ser lo eficiente que se espera.

Concluyendo, los aviones eléctricos están disponibles hoy en día, pero limitados a aeronaves livianas y vuelos de corta distancia debido a que las baterías necesitan tener mayor densidad de energía y ser más livianas.

Por otro lado, los combustibles no fósiles son una realidad que permite reducir la firma de carbono sin tener que hacer modificaciones importantes en las aeronaves actuales; pero el problema radica en que no se produce en las cantidades necesarias.

Mientras que para los combustibles sintéticos todavía falta desarrollar mayor tecnología para poder aplicarlos en el mercado.

A continuación, veremos algunos de los proyectos en desarrollo vigentes y otros a futuro.

Primer vuelo del Cessna Grand Caravan eléctrico


Fuente: AeroTEC[6]

Una Cessna Grand Caravan 208B[7] realizó en mayo su primer vuelo propulsada por un motor eléctrico de la empresa MagniX, el motor magni500 de 750 hp (560 kW).

El Grand Caravan será el más grande, pero no el primer avión comercial que MagniX ha convertido para volar con energía eléctrica en un 100 %. También viene trabajando con el De Havilland DHC – 2 Beaver, que ha volado por primera vez en diciembre del año pasado, y continúa su programa de vuelos de prueba en Canadá y Harbor Air, una aerolínea de corto alcance con una flota de hidroaviones que está trabajando con MagniX para convertir su flota totalmente a energía eléctrica con el mismo motor eléctrico magni500.

El motor eléctrico de Siemens para aviones


Fuente: aerotendencias[8]

Siemens es una de las empresas pioneras en el desarrollo de la tecnología de propulsión eléctrica, disponiendo de un prototipo de conjunto motor eléctrico y batería montados en el avión Extra 330LE.

El secreto de este proyecto se basa en que el motor como las baterías tienen un peso reducido, con la potencia y autonomía adecuada.

El motor eléctrico pesa 50 kilos y es capaz de ofrecer una potencia de 260 kW, que son unos 350 hp a 2.500 rpm. Sobre autonomía y capacidad de baterías, no se dispone de información.

Este es un proyecto de investigación funcional, pero sin la intención de llevarlo a producción.

Un avión eléctrico eVTOL


Fuente dufour.aero[9]


Dufour Aerospace es una compañía suiza que está desarrollando un demostrador de una aeronave VTOL (despegue y aterrizaje vertical) eléctrico con la idea de ser empleado en entornos urbanos o lugares donde no se dispone de una pista de aterrizaje espaciosa.

Sobre la base de la experiencia alcanzada en vuelo eléctrico tripulado con el avión acrobático aEro 1, Dufour ha completado la primera fase de pruebas de vuelo del avión demostrador de tecnología VTOL, luego de haber realizado 550 vuelos de prueba. Durante estas pruebas se ha ido ampliando la envolvente de vuelo de manera incremental, permitiendo demostrar un alto grado de estabilidad y control en todas las condiciones, incluidas las transiciones de vuelo estacionario a crucero y viceversa.

X-57 Maxwell el avión eléctrico de la NASA


Fuente: Nasa[10]

La Nasa ha lanzado una serie de imágenes conceptuales del avión Maxwell X-57 en su Modificación IV, una pequeña aeronave experimental totalmente eléctrica. En esencia, se tomó como base un avión Tecnam P2006T y se lo modificó para llevar 14 motores eléctricos, 12 de los cuales están sobre el borde de ataque del ala y que se utilizan para el despegue y el aterrizaje, mientras que los otros dos se encuentra en las puntas de las alas y sirven para el perfil de vuelo de crucero. Cuando estos últimos se activan, los 12 restantes pliegan las palas de sus hélices para mejorar la aerodinámica del avión[11].

Según la NASA, este avión alcanzará velocidades de hasta 282 km/h, teniendo siempre en cuenta que se alimenta sólo de electricidad proveniente de sus baterías de Lithium-Ion. Esta configuración 100% eléctrica le permite disminuir el ruido, bajar a cero las emisiones de carbono y reducir los costes de operación hasta un 30% en cada vuelo[12].

El X-57 ayudará a establecer estándares de certificación a medida que surjan mercados para estos tipos de avión.

VoltAero Cassio, el avión eléctrico que será el Tesla de los aires.


Fuente: Voltaero[13]

El VoltAero Cassio[14] es uno de los modelos más avanzados en este segmento de aeronaves, pudiendo ser el primero en producirse en serie en Francia.

Recientemente se presentó su diseño definitivo, que posee unos canard en la parte delantera, para permitir su estabilidad y mejorar su aerodinámica, mientras que en la parte trasera tiene una doble cola con el estabilizador horizontal elevado y entre ellas está el motor híbrido de combustión y eléctrico y la hélice invertida.

Este motor, patentado por VoltAero, combina motores eléctricos y un motor de combustión interna, permitiendo obtener una potencia de propulsión que va de 330 a 600 kW, de acuerdo con las versiones de la aeronave para 4, 6 o 10 asientos.

Para la versión media de 6 asientos el módulo de potencia híbrido combina 300 kW de potencia de motor de combustión interna con tres motores eléctricos de 60 kW cada uno, entregando una potencia total de 480 kW (640 hp). Estas múltiples fuentes de energía garantizan modos de funcionamiento muy seguros mediante el uso de una fuente de energía (eléctrica o mecánica), o ambas, según el perfil de vuelo. En un vuelo típico, los motores eléctricos se usarían para despegues y aterrizajes casi silenciosos, con el motor de combustión interna como extensor de alcance al producir la recarga de las baterías.

Algunas de las características del diseño único de la propulsión es que puede trabajar desde totalmente eléctrico hasta híbrido totalmente recargable, según el perfil de vuelo y los requisitos de la misión. Además, al disponer motores eléctricos y otro de combustión le da mayor seguridad.

Asimismo, produce 4 dBa menos de ruido que las aeronaves comparables durante las operaciones y con una reducción del 20% de las emisiones en modo totalmente híbrido y 100% en modo totalmente eléctrico.

También, posee características de despegue y aterrizaje cortos, necesitando de unos 550 mts de pista y su alcance estará dado por el sistema de propulsión empleado, que puede rondar los 200 km con potencias disponibles de 330 kW, entre 200 a 600 km con potencias de 480 kW y entre 600 y 1.200 con potencias de 600 kW.

Se tiene la previsión de realizar las primeras entregas a finales de 2022. Inicialmente será en versión de cuatro asientos, el equivalente a la capacidad las célebres Cessna o Piper, pequeñas aeronaves dedicadas al entrenamiento de aviadores y a los vuelos turísticos, de ocio o personales.

Evation Alice el primer avión de pasajeros 100% eléctrico


Fuente: eviation[15]

Alice[16] es el primer avión 100% eléctrico del mundo y es obra de la startup israelí Eviation.

La aeronave puede desarrollar una velocidad de 240 kts con un alcance de 540 NM (1.000 km) más 45 min de reserva de tiempo de vuelo a una altitud de 10.000 pies.

Para su propulsión posee tres motores. El motor de cola le permite reducir la resistencia al avance, además, es capaz de asegurar el vuelo de la aeronave en caso de falla de los motores de puntera de ala. Los otros dos motores de puntera de ala permiten realizar un equilibrio automático de la guiñada de la aeronave como así también contrarrestar la rotación del vórtice, reduciendo la resistencia inducida.

Para alivianar el peso su estructura es totalmente construida en materiales compuestos, siendo su fuselaje inferior plano para ayudar a generar mayor sustentación; su sistema de comando de vuelo emplea Fly-By-Wire y posee una batería de Lithium Ion (NMC) de 920 kWh utilizables empleando unos 900 kW en el despegue o potencia máxima y 260 kW en vuelo de crucero.

Está diseñado para 9 pasajeros y 2 tripulantes, con un peso máximo de despegue de 6.350 kg, una carga paga de 1.134 kg y el resto del peso corresponde a la batería de unos 3.600 kg, casi el 60% del peso máximo de despegue. Estas características le permiten emplear una distancia de despegue de 914 metros y un costo directo de operación unos 200 u$s/h.

Las dimensiones de la aeronave son: 13,2 metros de largo, 16,12 de envergadura y 4,2 de alto.

De los motores eléctricos se hará cargo la marca MagniX junto con Siemens.

El avión de pasajero eléctrico híbrido más grande del mundo


Fuente: aviacionline[17]

La Aeronave Regional Eléctrica Híbrida (HERA) es un diseño del Grupo de Aviación Eléctrica (EAG). Tiene una capacidad de más de 70 asientos y apunta a reemplazar unos 1.800 ATR72 y 1.200 Bombardier Dash 8[18].

Esta aeronave además de un funcionamiento silencioso y una mejor economía operativa ofrece un alcance de 1.500 km y la capacidad de despegue y aterrizaje cortos (STOL) utilizando el sistema patentado por AEG de despegue asistido por engranajes (GATOR – Gear Assisted Take-Off Run). Consiste en motores eléctricos en el tren de aterrizaje que asistirían durante la carrera de despegue, lo que produciría un ahorro del 20% comparado a si se empleara la propulsión de las hélices.

Además, la aeronave también implementa un innovador Sistema de Recuperación de Energía Potencial (PERS) que permite el funcionamiento con batería neutra, es decir, no se necesita infraestructura de carga.

HERA tendrá un peso máximo de despegue de unos 25.000 kg, una distancia de despegue de unos 1.200 metros y una velocidad de crucero de 275 nudos. Estaría disponible para su entrega en 2028.

Her0 ZERO emissions


Fuente: cnn[19]


Es un diseño de Joe Doucet que busca un concepto de avión eléctrico centrado en la eficiencia y no tanto en romper récords de velocidad.

Este diseño procura una disminución del peso y una mayor eficiencia aerodinámica, donde los rendimientos de los motores eléctricos sean rentables y adecuados.

Las alas son bastante más largas, en proporción, que las de un avión corriente, con la idea de optimizar el ascenso y para mantenerse volando con la menor propulsión posible. Las mismas están situadas en la parte trasera para compensar el grueso del peso de motores y baterías. Esta configuración le permitiría a la aeronave planear en el caso de que hubiese un fallo eléctrico.

Así, el Her0 sería un avión 100% eléctrico, con baterías, motores y generadores eléctricos. La carga de las baterías se realizaría con energía solar o con una turbina eólica.

Doucet explica que su velocidad sería un 20% menor que la media de un avión actual, con lo que un vuelo de dos horas demoraría unos 24 minutos más con este avión, lo cual se compensa en que no contaminaría el medio ambiente.

Los motores, además, no traccionan, sino que las hélices son propulsoras. El diseñador investigó los enfoques actuales sobre la acción de las hélices y según su punto de vista la eficiencia es mayor si emplea hélices propulsoras, si bien también hay parte de motivación estética en esta decisión.

EasyJet y Wright Electric desarrollarán el motor de un avión eléctrico de 186 plazas


Fuente: hibridosyelectricos[20]

La aerolínea EasyJet y la compañía Wright Electric han empezado un programa conjunto con el objetivo de desarrollar el motor de un avión eléctrico de 186 plazas llamado Wright 1. Se trata de un paso más en el camino hacia los aviones eléctricos comerciales[21].

Para un avión comercial de 186 plazas, implicaría un motor eléctrico de 1,5 MW (aproximadamente 2.000 CV) acompañado de un inversor que funciona a un voltaje de 3 kV. Este motor no solo será el sistema propulsor del revolucionario avión Wright 1, sino que se convertirá en un precursor de la aviación del futuro, orientada a cero emisiones en Europa y en el mundo.

La empresa espera la entrada en servicio de su avión insignia en 2030. Numerosas agencias gubernamentales de Estados Unidos están financiando la investigación en aviación eléctrica, incluyendo la Nasa y el Laboratorio de Investigación de Fuerza Aérea (AFRL).

[1] https://theicct.org/publications/co2-emissions-commercial-aviation-2018 [2] https://www.electricaviationgroup.com/electric-flight/ [3] https://www.neste.com/companies/products/aviation/neste-my-renewable-jet-fuel [4] https://aerolatinnews.com/industria-aeronautica/biocombustibles-para-aviones-pueden-competir-con-el-petroleo/ [5] https://www.technologyreview.es/s/5254/canada-empieza-capturar-carbono-del-aire-para-crear-combustible-neutro [6] https://www.aerotec.com/magnix-and-aerotec-announce-successful-first-flight-of-the-worlds-largest-all-electric-aircraft/ [7] https://www.aopa.org/news-and-media/all-news/2020/may/20/watch-first-electric-caravan-fly [8] https://www.aerotendencias.com/actualidad-aeronautica/38997-avion-electrico-extra-330le-con-motor-siemens-de-record-mundial/ [9] https://dufour.aero/vtol-tech-demonstrator-flight-testing/ [10] https://www.nasa.gov/specials/X57/modification.html#4 [11] https://www.nasa.gov/specials/X57/modification.html#4 [12] https://www.xataka.com/vehiculos/primer-avion-electrico-nasa-va-tomando-forma-asi-x-57-maxwell-su-diseno-final [13] https://www.voltaero.aero/en/propulsion/ [14] https://www.lavanguardia.com/magazine/experiencias/20200517/481122120218/avion-electrico-tesla.html [15] https://www.eviation.co/company/ [16] https://www.abc.es/summum/motor/abci-todo-sobre-primer-avion-pasajeros-100-por-ciento-electrico-201908201333_noticia.html [17] https://aviacionline.com/2020/09/lo-que-se-viene-el-primer-avion-hibrido-para-mas-de-70-pasajeros/ [18] https://www.electricaviationgroup.com/electric-flight/ [19] https://edition.cnn.com/travel/article/electric-airplane-joe-doucet-hero-zero/index.html [20] https://www.hibridosyelectricos.com/articulo/actualidad/motor-electrico-15-mw-movera-aviones-electricos-easyjet/20200203125148032896.html [21] https://actualidadaeroespacial.com/easyjet-y-wright-electric-desarrollaran-el-motor-de-un-avion-electrico-de-186-plazas/

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