La industria de la aviación se encuentra en una encrucijada crítica en el esfuerzo global por combatir el cambio climático. A medida que la demanda de viajes aéreos sigue creciendo, también lo hace la presión para reducir las emisiones de la aviación y minimizar la dependencia del sector del combustible tradicional para aviones y otros combustibles fósiles. Los aviones sostenibles están a la vanguardia de esta transformación - impulsando la investigación, la inversión y la innovación hacia una aviación con cero emisiones netas. Con el objetivo de lograr un cielo más limpio, la industria está explorando una amplia gama de soluciones rentables y eficientes desde el punto de vista energético para descarbonizar la aviación, desde la propulsión eléctrica hasta las alternativas de combustibles bajos en carbono. Estos esfuerzos no solo ofrecen importantes beneficios medioambientales, sino que también remodelan el futuro de la aviación internacional, redefiniendo el funcionamiento de las aerolíneas y el diseño, la propulsión y el mantenimiento de los aviones.
Han surgido tres opciones prometedoras: aviones totalmente eléctricos, aviones híbridos eléctricos y pilas de combustible de hidrógeno/eléctricas. Cada una de estas opciones puede reducir el consumo de combustible convencional para aviones y las emisiones de carbono. Sin embargo, cada una de ellas plantea retos únicos, que requieren replantearse el diseño de los aviones y las normas operativas, así como una evaluación completa de su impacto medioambiental.
El equipo de Accuris ESDU cuenta con más de 80 años de experiencia en datos de diseño de ingeniería validados, lo que le permite ofrecer una base de conocimientos sin igual que ayuda a los ingenieros a tomar decisiones de diseño informadas y fiables. Nuestros conocimientos sobre aerodinámica, propulsión y diseño innovador de aeronaves proporcionan una base fundamental para evaluar las tecnologías de aviación sostenible. En este artículo, analizamos tres opciones sostenibles para el transporte aéreo civil y las consideraciones que deben tenerse en cuenta para garantizar que estas tecnologías emergentes sean sólidas tanto desde el punto de vista técnico como operativo.
Aeronaves totalmente eléctricas
Debido a la limitación del alcance de la propulsión eléctrica alimentada por baterías y a los diversos retos que plantean los aviones propulsados por hidrógeno, es probable que los aviones de cercanías respetuosos con el medio ambiente sean los primeros tipos de aviones civiles sostenibles en entrar en servicio. En la actualidad, la aerolínea canadiense Harbour Air ha realizado más de 90 vuelos con un De Havilland Canada DHC-2 Beaver propulsado por electricidad y se espera que obtenga la certificación completa de la autoridad reguladora canadiense en 2026-2027. El desarrollo de aviones totalmente eléctricos se encuentra todavía en una fase inicial.
Es probable que los primeros aviones totalmente eléctricos sean aviones de hélice con motores eléctricos que sustituyan al sistema de propulsión. Varias empresas están participando en el desarrollo y la certificación de estos aviones eléctricos. Cabe preguntarse si esto dará lugar a un diseño eficiente. ¿Qué impacto tiene el cambio del sistema de propulsión y el combustible por baterías en la carga útil y la autonomía? Como punto de partida, esto impulsará el desarrollo de motores eléctricos y baterías más eficientes y proporcionará información sobre cómo operar aviones respetuosos con el medio ambiente.
Aeronave eléctrica híbrida
Para la sustitución de aviones de medio alcance, como el A320 y el Boeing 737, es probable que primero se imponga la propulsión híbrida eléctrica, seguida de los turboventiladores propulsados por hidrógeno para la sustitución de aviones de largo alcance.
La desventaja de la propulsión eléctrica híbrida es la necesidad de quemar combustible para generar electricidad, ya sea para alimentar directamente el motor eléctrico o para cargar las baterías. Cambiar de una fuente de energía a otra tiende a ser ineficiente, además de que se añade el peso adicional de transportar la unidad de potencia auxiliar (APU). Por lo tanto, la propulsión eléctrica híbrida necesitaría una versión mejorada de la APU para generar la electricidad necesaria para las hélices/rotores abiertos o ventiladores. Esto implicaría el desarrollo de los sistemas y la arquitectura necesarios para filtrar las emisiones de la turbina generadora de electricidad.
Es esencial adoptar un enfoque holístico para integrar la propulsión eléctrica híbrida en el sector de la aviación, que abarque el desarrollo tecnológico, la investigación y la implementación de soluciones sostenibles.
Pilas de combustible de hidrógeno/eléctricas
Boeing ha utilizado pilas de combustible de hidrógeno/eléctricas para propulsar un avión Dimona de dos plazas construido por Diamond Aircraft Industries de Austria. Una pila de combustible es un dispositivo electroquímico que convierte el hidrógeno directamente en electricidad y calor sin producir ninguno de los subproductos de la combustión, como el dióxido de carbono. Aparte del calor, el agua es el único residuo que produce una pila de combustible. Para el despegue y el ascenso, se utiliza una combinación de batería y pila de combustible para alimentar el motor eléctrico conectado a la hélice. Una vez superados los 3000 pies, las baterías se desconectan y se mantiene el vuelo nivelado utilizando únicamente pilas de combustible para proporcionar energía al motor eléctrico. Se prevé que esta tecnología tenga el potencial de propulsar pequeños vehículos aéreos tripulados o no tripulados para tareas de vigilancia.
La tecnología de pilas de combustible podría aplicarse a las APU de los grandes aviones comerciales y a los de mayor autonomía de vuelo. Sin embargo, se cree que las pilas de combustible por sí solas no podrán proporcionar la energía primaria necesaria para los grandes aviones comerciales. Airbus ha desarrollado y volado una gama de aviones ligeros totalmente eléctricos durante la última década y actualmente está investigando una serie de conceptos de propulsión por hidrógeno para impulsar los futuros aviones civiles como parte del proyecto ZEROe.
Consideraciones de diseño para aeronaves sostenibles
El impacto de los aviones eléctricos o propulsados por hidrógeno en el diseño requerirá un enfoque alternativo al diseño actual de los aviones. Los nuevos diseños de los aviones civiles actuales se basan en gran medida en los aviones existentes, ya que los cambios radicales son costosos de desarrollar para cumplir con todas las normas de certificación. El uso de energía eléctrica o de hidrógeno supone un cambio radical y deben evaluarse muchas configuraciones posibles, incluidos diseños poco convencionales como el Blended Wing Body (BWB). Será esencial contar con nuevas infraestructuras para apoyar la integración de los aviones eléctricos y propulsados por hidrógeno en las instalaciones aeroportuarias existentes.
Por ejemplo, el diseño de aeronaves eléctricas debe tener en cuenta la ubicación de las baterías, el fuselaje y las alas, así como los requisitos de seguridad. Se deben tener en cuenta la refrigeración y el sobrecalentamiento (los incendios de las baterías del Boeing 787 fueron un problema reciente). Los diseñadores deben decidir si la aeronave necesita llevar baterías de repuesto, en caso de que una o dos dejen de funcionar. Si las baterías se encuentran en el fuselaje, el diseño debe renunciar a las ventajas de la flexión de las alas, lo que puede suponer un aumento de peso. En las aeronaves actuales, el combustible se transporta en las alas y su peso ofrece alivio gracias a la flexión y la sustentación de las mismas.
En los diseños totalmente eléctricos, el peso de despegue es el mismo que el peso de aterrizaje, lo que difiere de los diseños actuales de aeronaves. ¿Cómo afectará esto al peso estructural, especialmente si es necesario llevar baterías adicionales?
La cuestión del alcance de la carga útil también requerirá un nuevo enfoque. Actualmente, el peso del combustible se compensa con la carga útil y el alcance. En el caso de las aeronaves propulsadas por hidrógeno, la atención se centrará en las cuestiones de seguridad relacionadas con el transporte y el impacto en el diseño. Esto facilita la necesidad de nuevas normas internacionales de seguridad, prácticas recomendadas y directrices de diseño fiables.
Desde el punto de vista de las operaciones aeroportuarias, será necesario adaptar las instalaciones para dar cabida a los nuevos tipos de aeronaves, teniendo en cuenta la recarga, el almacenamiento y la sustitución de las baterías. ¿Se retirarán las baterías y se sustituirán por otras completamente cargadas? Si es así, ¿qué repercusión tendrá esto en el tiempo de rotación? ¿Permitirá el diseño de la aeronave un cambio rápido? ¿El suministro de electricidad procederá de la red nacional o será local, del propio aeropuerto? ¿Se generará utilizando tecnología ecológica? Además, se deben tener en cuenta el almacenamiento y el suministro de hidrógeno.
Por último, la fabricación de nuevos aviones debe tener en cuenta el impacto sobre el medio ambiente. También deben tenerse en cuenta las repercusiones medioambientales de la fabricación y la eliminación de las baterías.
El futuro de la aviación sostenible
El camino hacia una aviación sostenible avanza con prometedores avances en aviones híbridos eléctricos, propulsión totalmente eléctrica y tecnología de pilas de combustible de hidrógeno. Aunque cada una de estas soluciones se enfrenta a obstáculos técnicos y operativos únicos, su potencial para reducir el consumo de combustible y las emisiones las hace vitales para el futuro de la industria de la aviación.
A medida que avanzan la investigación y el desarrollo, estas alternativas sostenibles prometen transformar la aviación, ofrecer nuevos niveles de rendimiento y allanar el camino hacia cielos más limpios. Con la innovación y la colaboración continuas, el futuro de la aviación está destinado a ser más eficiente y sostenible.
