Los retos de la propulsión eléctrica en la aviación

La transformación de la aviación comercial en una industria más sustentable no es fácil, hacer un cambio en los motores de propulsión de un avión hacia eléctricos conlleva muchos factores y problemas que se deben solucionar, desde las baterías de almacenamiento, los motores, el cableado y el enfriamiento, por citar algunos, pensando en un avión completamente eléctrico. Si se hace a través de células de hidrógeno, que puede tener sus ventajas, también tiene sus propios retos.

La industria automotriz ha hecho muchos progresos al respecto por la presión de muchos gobiernos de cambiar completamente los motores de combustión por vehículos de cero emisiones, por lo que los desarrollos que se han hecho pueden aprovecharse también para la industria aérea. Y es que no está nada fácil cambiar por completo en pocos años el parque vehicular con componentes totalmente diferentes, el más importante son las baterías.

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Actualmente se utilizan baterías de litio que, aunque ofrecen un mayor almacenamiento de energía, duración y facilidad de recarga, siguen siendo una limitante por su peso, su costo de reposición y, hay que decirlo, la huella de carbono que se emite por la extracción y procesamiento del litio para hacer baterías. Más su reprocesamiento al final de su vida útil porque puede ser un contaminante muy peligroso (más que las emisiones de carbono). Al final se emite una contaminación similar a la de un motor de combustión en toda su vida útil. Así que dejar de echar humo por el escape cuando se sigue emitiendo en otro lugar no da un resultado positivo. Se requieren forzosamente otras tecnologías de baterías que se están desarrollando y podrían tenerse alternativas en los próximos años.

La clave está en la densidad de energía

En el caso de la aviación esto es más crítico tanto por el peso de las baterías que actualmente es demasiado, así como la densidad de energía que pueden entregar. El combustible para avión tiene una densidad de energía de alrededor de 12,000 Wh/kg, mientras que las baterías de iones de litio tienen una densidad de 250 Wh/kg, es decir, el 5% de lo que puede dar el combustible, y hay que tomar en cuenta la penalización del peso las pérdidas térmicas y otras cuestiones de seguridad, hacen que sea todavía 20% menos. Y agreguen que el peso del avión no se reduce conforme se consume la energía, así que el peso de aterrizaje sería el mismo que el de salida.

Pareciera que salvar esta brecha es imposible, pero los pioneros de la propulsión eléctrica creen que pueden desarrollar un avión comercialmente viable pequeño, de rango corto, con las baterías actuales. Por pequeño se refieren a no más de 19 asientos y con un rango de menos de 250 millas (380 km), suficiente para muchas rutas regionales.

No es que se ignoren los retos de las baterías, sino que están planeando obtener una mayor eficiencia de los motores comparada con los de combustión interna, así como los avances técnicos que se puedan ir obteniendo. La eficiencia de las baterías mejora entre un 5 y 8% al año, la NASA proyecta que baterías con una densidad de energía de 350 Wh/kg puedan estar listas para el 2030 y permitirían un avión eléctrico de corto rango pero de unos 30 pasajeros. Por “baterías listas” se refieren que estén disponibles en paquetes grandes con tiempos de carga y de ciclo de vida adecuados.

El punto adecuado para los paquetes de densidad de energía sería de 400 a 500 Wh/kg, estos abrirían un potencial de aplicaciones para aviones híbrido-eléctricos desde regionales de 50 asientos hasta 150. La NASA espera que estas baterías pudieran estar comercialmente listas hacia el 2035, pero piensa que exceder los 400 Wh/kg requerirá inversiones en nuevas tecnologías.

El hidrógeno es otra alternativa

Otra manera de almacenar energía para motores eléctricos en con el uso de hidrógeno. Debe almacenarse líquido a una temperatura criogénica de -253°C (-423°F), es más ligero que el combustible de avión convencional para una cantidad de energía dada y el proceso para convertirlo en electricidad en células de combustible ya es bien conocido. Así que el hidrógeno podría ser un mejor método que las baterías para el almacenamiento de energía. No tan rápido. El hidrógeno líquido requiere tanques más grandes por su baja densidad comparado con el combustible y el tamaño de las células de combustible para los mega watts que requerirían los aviones comerciales todavía está por desarrollarse.

Por casi un año Airbus ha estado hablando de utilizar hidrógeno en la aviación y está considerando varias opciones híbridas. Parte del hidrógeno a bordo podría quemarse en una turbina (sería un uso menos eficiente del hidrógeno) y otra parte podría convertirse en electricidad en células de combustible.

Durante las fases del vuelo que requieren máxima potencia, como el despegue y ascenso, tanto la turbina como el motor eléctrico impulsarán a la propela o fan. En crucero se puede depender solamente de la turbina que estaría optimizada para esta fase, y la parte eléctrica del sistema de propulsión haría contribuciones para una más eficiente configuración general.

Los problemas de la distribución

Además del almacenamiento de energía, la propulsión necesita avances en la densidad de potencia y eficiencia de los motores eléctricos y la electrónica requerida mucho más allá de los niveles de la industria automotriz. Las densidades de alta potencia reducen el peso y volumen mientras que la eficiencia reduce el desperdicio en calor y el peso del necesario sistema de enfriamiento. En un sistema de propulsión de un mega watt para avión, incluso pérdidas tan bajas del 1 o 2% requieren que se retiren kilowatts de desperdicio por temperatura.

Un avión eléctrico también necesita altos voltajes para minimizar el tamaño y peso del sistema de distribución, con altos niveles de potencia el incremento del voltaje reduce la corriente y reduce el tamaño del cableado necesario para la distribución de la energía. Los aviones tradicionalmente utilizan 28 volts en la distribución, pero los aviones nuevos comienzan a utilizar sistemas de 270 volts. El primer avión completamente eléctrico está utilizando voltajes de 500, pero los diseñadores están buscando sistemas electrificados de propulsión de la clase mega watts para aviones de un pasillo, están hablando de kilo volts, hasta unos 3000 volts.

Pero los altos voltajes en un lugar con presión atmosférica reducida en las altitudes de crucero de los aviones comerciales, pueden llevar a un fenómeno potencialmente peligroso conocido como descarga parcial. Así que se requieren nuevos diseños de cableado y sistemas de aislamiento para evitar los peligros como la descarga parcial o de corona.

Los superconductores abren nuevas posibilidades

En el largo plazo está el potencial del uso de tecnología de superconductores (que Airbus está explorando) en máquinas eléctricas y cables de distribución. Los superconductores son materiales que no tienen resistencia eléctrica cuando se enfrían a temperaturas criogénicas, por lo que incrementar la eficiencia y reducen el peso. El uso de motores y cables de superconductores incrementa la densidad de potencia y reduce el desperdicio en calor, pero en la mayoría de los aviones eléctricos o híbridos eso requiere agregar los complejos y pesados enfriadores criogénicos. Los aviones impulsados por hidrógeno podrían utilizar su propio hidrógeno líquido criogénico para enfriar los sistemas.

Con lo que hemos señalado podría pensarse que hay demasiados retos desmotivadores para la utilización de la propulsión eléctrica en aviones comerciales; pero como la ingeniería aeroespacial apenas está comenzando a atender los problemas, veremos que las tecnologías avanzarán rápidamente desde donde las está dejando la industria automotriz.

La propulsión eléctrica podría estar restringida para las rutas cortas, dejando que los mercados medios y largos tomen otras alternativas como los combustibles sintéticos, pero incluso a ese nivel la tecnología parece tener el potencial para cambiar la industria del transporte aéreo. Y no pasará mucho tiempo para que comencemos a ver los primeros resultados.

Fotos; NASA, Airbus, Heart Aerospace