Viajando en verde con aviones híbridos y de combustible

Autor: Sandrine Ceurstemont

La aviación contribuye significativamente a la economía europea, genera más de 500 000 millones de euros al año y mantiene 9,3 millones de puestos de trabajo. Pero también tiene un impacto medioambiental que debe abordarse. Volar es responsable de más del 2% de las emisiones globales de gases de efecto invernadero y alrededor del 3% en Europa. Se necesitan aviones más sostenibles para cumplir el objetivo de la Unión Europea de cero emisiones netas de gases de efecto invernadero para 2050.

Y dado que la industria se ha visto muy afectada por la pandemia, que ha provocado una caída del tráfico aéreo, hacer que los viajes aéreos sean sostenibles se considera clave para la recuperación de Europa.

El desarrollo de aviones híbridos eléctricos podría ser parte de la solución. Al igual que en los coches híbridos, la tecnología combina dos fuentes de energía, normalmente combustible y una batería eléctrica o pila de combustible de hidrógeno.

"Al hibridar fuentes, se puede reducir el consumo de combustible de los aviones y, por lo tanto, el impacto ambiental", explica Xavier Roboam, científico senior y subdirector del laboratorio LAPLACE de la Universidad de Toulouse en Francia. "Es el primer paso antes del paso final, que puede ser un avión totalmente eléctrico sin emisiones".

La densidad de energía, o la cantidad de energía que se obtiene por kilogramo, sigue siendo un factor limitante para los aviones eléctricos. Las baterías necesarias para alimentar motores eléctricos todavía son demasiado pesadas para ser alternativas viables por sí mismas, donde una batería suele ser aproximadamente 30 veces más pesada que un volumen de combustible de queroseno para aviones que podría proporcionar la misma cantidad de energía. Los pequeños aviones eléctricos han realizado con éxito vuelos de prueba cortos, y el más grande del mundo podría comenzar a transportar hasta nueve pasajeros en vuelos comerciales de hasta 160 km para fines del próximo año. Pero las baterías que permitirían a un gran avión lleno de personas viajar miles de kilómetros, como hacen los aviones convencionales hoy en día, harían que el avión fuera demasiado pesado para despegar.

Peso

Los aviones híbridos son actualmente más prometedores, ya que usar algo de combustible ayuda con el problema del peso. Roboam y sus colegas están estudiando cómo se puede reducir aún más el peso de un avión como parte del proyecto HASTECS.

Se centran en los componentes principales, como el sistema que convierte la energía entre las dos fuentes y los motores eléctricos. Están creando nuevos diseños que se están probando mediante simulaciones por computadora. "Estamos tratando de maximizar la relación entre la potencia que puede entregar y el peso que es necesario para entregar esa potencia", aclara el experto.

El proyecto tiene como meta objetivos específicos. El objetivo es diseñar un motor eléctrico que duplique la relación potencia-peso de los motores eléctricos que se utilizan hoy en día, como en un automóvil eléctrico Tesla, para alcanzar 10 kilovatios por kilogramo para 2035. También quieren aumentar la potencia a -relación de peso de los convertidores de potencia a 25 kilovatios por kilogramo en el mismo período. Cumplir estos dos objetivos permitiría que un avión híbrido fuera aproximadamente 1600 kilogramos más ligero de lo que se proyecta en 2025 y quemaría hasta un 10% menos de combustible.

Después de unos cuatro años de trabajo, el equipo ha cumplido su objetivo para los motores eléctricos. Pudieron optimizar su estructura mediante el uso de materiales electromagnéticos, por ejemplo, y el uso de cables especiales llamados cables Litz ayudó a mejorar su rendimiento. Los motores se calientan más cuando se reduce su tamaño, por lo que los miembros del equipo también idearon una forma más eficiente de enfriarlos utilizando un sistema de enfriamiento interno.

Para el sistema de conversión de energía, su objetivo fue superado modificando su estructura y mejorando el sistema de refrigeración. "Estamos más allá del objetivo, que es un gran éxito para el proyecto", dice Roboam.

Una vez que el proyecto se complete el próximo año, al Dr. Roboam y sus colegas les gustaría continuar realizando experimentos para validar las simulaciones producidas durante HASTECS. Pero necesitarán encontrar una instalación experimental que pueda proporcionar alta potencia para probar sus diseños. "Es muy complicado y también costoso realizar tales validaciones porque es una aplicación de muy alta potencia (que requiere) un megavatio de potencia", continúa el científico.

Hidrógeno

El Dr. Roboam cree que dentro de cinco a 15 años, un avión híbrido que use sus conceptos podría volar. El 21 de septiembre, Airbus anunció planes para el primer avión sin emisiones del mundo que utiliza hidrógeno como fuente de energía. Dado que los diseños de aviones híbridos producidos en HASTECS utilizan una pila de combustible de hidrógeno, alienta al Dr. Roboam. "Para nosotros, es una muy buena noticia continuar", dijo. "HASTECS es el primer paso para lograrlo".

El profesor Andreas Strohmayer, jefe del Departamento de Diseño de Aeronaves de la Universidad de Stuttgart en Alemania, y sus colegas también están trabajando para hacer realidad el vuelo híbrido-eléctrico. Están tratando de acelerar el desarrollo de un avión híbrido-eléctrico con hasta 50 asientos que comenzaría a proporcionar vuelos comerciales en 2035 como parte del proyecto FutPrInt50. "La gama de 40 a 50 asientos es la primera herramienta comercial que tiene un impacto (en términos de) capacidad de transporte", dijo el profesor Strohmayer. "Cuanto más se avanza a partir de ahí, más problemas tienes, así que creo en un enfoque progresivo".

Uno de los objetivos del proyecto es diseñar un avión de este tipo. Desde que comenzó el proyecto en enero, el equipo ha estado analizando los requisitos necesarios. Han estado tratando de descubrir, por ejemplo, la importancia relativa de las bajas emisiones, el rango y la velocidad para su diseño, y han buscado diferentes opciones para componentes como el tren motriz, que está compuesto por el motor y las partes asociadas, y el almacenamiento de energía. utilizando tecnologías existentes. También están investigando soluciones para la gestión térmica. "Estamos trabajando en nuestro avión de referencia para poder comparar nuestro diseño con un avión convencional del mismo tamaño", aclara Strohmayer.

El equipo también se centrará en desarrollar formas de recolectar energía que también ayuden a reducir el peso de la batería y el combustible en aviones híbridos. Durante el descenso, por ejemplo, cuando el avión no requiere energía, las hélices podrían generar energía a partir del flujo de aire. En los coches eléctricos de hoy, el frenado puede generar electricidad, comenta Strohmayer. "Lo mismo ocurre con los aviones y podemos recuperar energía".

Al final del proyecto en 2022, el equipo habrá desarrollado una hoja de ruta tecnológica para todos los diferentes componentes necesarios, así como una hoja de ruta para los estándares que deben cumplirse para la certificación. Irá acompañado de un diseño de avión híbrido que podría entregarse a un fabricante de aviones para que cobre vida. "Mi visión es que mis nietos puedan sentarse conmigo a bordo de uno de estos aviones dentro de 20 años", aduce Strohmayer. "Quiero ver esto construido".

Artículo original

This article was originally published in Horizon, the EU Research and Innovation Magazine