Electrificando los Cielos:
En un mundo cada vez más consciente de la necesidad de reducir las emisiones de carbono y abrazar la sostenibilidad, la industria de la aviación se encuentra en un momento crucial de transformación. Airbus, un líder mundial en el diseño y fabricación de aeronaves, está liderando esta revolución con su enfoque pionero en los aviones eléctricos.
En Airbus apuestan por la energía híbrida-eléctrica ya que auguran que pueden reducir las emisiones de CO2 de los aviones hasta en un 5%. Esa cifra podría llegar al 10% en el caso de los helicópteros, generalmente más ligeros que los aviones de ala fija. La hibridación es un gran paso en el camino hacia la descarbonización del sector aeroespacial y Airbus está liderando un esfuerzo intersectorial para hacerlo realidad.
Explorando la energía eléctrica
Los helicópteros están abriendo camino. Airbus ya ha probado en vuelo un sistema híbrido-eléctrico que reemplaza al motor térmico en caso de que falle. El sistema de respaldo del motor es el precursor de sistemas de propulsión híbridos más grandes que se probarán en una etapa posterior, utilizando un helicóptero de demostración.
Por supuesto, los aviones comerciales y militares de tamaño mediano necesitarán mucha más energía eléctrica, hasta un megavatio de energía generada a bordo. Esa energía se puede utilizar para alimentar algunos sistemas y aliviar el motor principal durante operaciones como el retroceso y el despegue.
Sin embargo, alcanzar el objetivo <5% requiere que Airbus y los fabricantes de motores desarrollen conjuntamente una nueva clase de turbina de gas más eficiente. Con este fin, Airbus ya ha iniciado una serie de proyectos para demostrar diferentes conceptos de motores híbridos con diferentes niveles de potencia. Es igualmente importante decidir qué tipo de motor eléctrico los soportará.
Seleccionar un motor eléctrico
Los motores eléctricos convierten la energía eléctrica en energía mecánica; Los generadores realizan la operación opuesta. Existen varios tipos de motores eléctricos, pero las principales características de interés para la hibridación son su relación potencia-peso y su eficiencia relativa. En los niveles actuales, una relación potencia-peso razonable es de 6 a 8 kW/kg, pero no es adecuada para aplicaciones con peso limitado. Afortunadamente, es probable que estas cifras se dupliquen en los próximos diez años.
Dadas las relativamente pocas piezas móviles que contienen, los motores eléctricos son más fáciles de mantener y están menos expuestos a fallas que las turbinas de gas. También pueden funcionar en un rango de temperatura más bajo, eliminando la fase de calentamiento que necesitan las turbinas de gas.
El motor eléctrico se encuentra dentro de una «arquitectura» funcional de avión. Para los aviones híbridos-eléctricos, la elección es entre dos opciones de arquitectura: serie y paralelo.
¿Arquitectura serie o paralela?
En una arquitectura en serie, una única fuente de energía mecánica impulsa la hélice o el ventilador. Las baterías no son la única fuente de energía. Existen alternativas, incluidas las pilas de combustible de hidrógeno. En cualquier caso, la hélice siempre está accionada por un motor eléctrico, lo que permite la propulsión distribuida.
En lo que respecta a la hibridación, ésta es la mayor ventaja de la arquitectura en serie. Pero significa agregar peso en forma de generador, para convertir la energía mecánica en energía eléctrica.
En una arquitectura paralela, la turbina de gas a veces funciona por debajo de su máxima eficiencia. Sin embargo, un motor eléctrico más pequeño y ligero es suficiente para satisfacer las necesidades. Por tanto, una arquitectura paralela se adapta mejor a aplicaciones híbridas. Airbus reconoce el potencial transformador de esta tecnología y está comprometido con su desarrollo y comercialización.
Avances en baterías
El principal inconveniente de las baterías de la generación actual es su baja densidad energética en comparación con el queroseno y el hidrógeno. Por ejemplo, la densidad de las baterías de iones de litio (Li-Ion) ampliamente utilizadas en el sector automotriz alcanza alrededor de 200 vatios-hora por kilogramo (Wh/kg). En comparación, la densidad energética del queroseno es unas 50 veces mayor. Aunque numerosos estudios sostienen que el Li-Ion aún tiene margen de mejora, la electrificación de los aviones necesita algo mucho más potente.
Airbus está trabajando junto con actores de otros sectores para lograrlo. Es necesario encontrar un equilibrio entre rendimiento, volumen y masa en el entorno aerodinámicamente optimizado y sensible al peso de una aeronave.
A diferencia de los electrolitos líquidos que se encuentran en las baterías de iones de litio, los electrolitos «sólidos» mitigan el riesgo de fuga térmica (sobrecalentamiento). El riesgo persiste, pero las consecuencias son mucho menos graves, lo que facilita el diseño de un sistema de baterías seguro.
El estado sólido es un facilitador. Las tecnologías de baterías de alto rendimiento, como el litio metálico, existen desde hace más de 40 años, pero el riesgo de que se descontrolen debido a su inestabilidad es demasiado alto. Los electrolitos sólidos anulan ese riesgo, abriendo el camino a un mejor rendimiento. Mitigar la fuga térmica también simplifica el diseño de la batería. Se necesitan menos piezas para “vestir” sus células. Esto tiene un impacto positivo en el peso.
Opciones de carga
Cualquiera que sea la tecnología, es necesario cargar las baterías. Para la aviación comercial hay tres opciones: intercambiar unidades agotadas por otras nuevas en tierra; o instalar puntos de carga en la puerta, potencialmente utilizando energía renovable. Esto último requiere inversión en infraestructura, pero a largo plazo esto se compensaría con ahorros de combustible.
En tercer lugar, cuando falta infraestructura terrestre, los motores de los aviones podrían recargar las baterías durante la fase de crucero de un vuelo.
Uniendo fuerzas para obtener resultados más rápidos
Ya está claro que un enfoque colaborativo ofrecerá los resultados más rápidos en términos de madurez e integración de la batería. Para ello, Airbus y el Grupo Renault anunciaron un acuerdo de asociación en la Cumbre Airbus de noviembre de 2022.
Las dos empresas están uniendo fuerzas para avanzar en la investigación sobre almacenamiento y gestión de energía. Ambas son tecnologías cruciales no sólo para la hibridación, sino también para la sostenibilidad a largo plazo de todo el sector del transporte. La descarbonización no es más que un esfuerzo colectivo.
