Saltar al contenido

La descarbonización de la propulsión en aviones

Sebastien Kahn
7 de junio de 2023
capgemini-engineering

La palanca más importante para descarbonizar la aviación es encontrar fuentes de propulsión ecológicas. Se calcula que la quema de combustible de aviación -que en la actualidad es sobre todo queroseno derivado del petróleo- representa el 99% de las emisiones de la aviación, las llamadas emisiones descendentes de “Alcance 3” (es decir, las emisiones de los productos en uso).

El combustible sostenible de aviación (SAF) es una opción, y tiene la ventaja de funcionar con la mayoría de los diseños de motor existentes. Pero los sistemas de propulsión totalmente nuevos, como el hidrógeno y la electricidad, requieren diseños completamente nuevos para la impulsión del avión, desde los motores hasta los depósitos de combustible y el transporte, pasando por la transmisión de potencia hacia los propulsores. Y en algunos casos, puede ser necesario rediseñar el avión por completo.

No será fácil. Las empresas que se han iniciado en este camino prevén muchos años de trabajo antes de poder poner aviones ecológicos en vuelo regular. Se trata de un reto de ingeniería a una escala y con una urgencia nunca vistas en la aviación. No obstante, empresas grandes y pequeñas están asumiendo el reto.

El tiempo apremia, no sólo porque el reloj del cambio climático no se detiene, sino también porque las empresas que lleguen antes tendrán una ventaja significativa. No se trata sólo de fabricar aviones nuevos, sino también de adaptar las flotas existentes para que sean sostenibles. Por ejemplo, un año de ventaja sobre los competidores podría significar muchos pedidos antes de que otros se pongan al día.

Entonces, ¿cómo pueden las empresas acelerar este proceso de I+D en ingeniería?

Descarga el Punto de Vista

El reto que nos espera

La descarbonización de la propulsión conlleva una serie de opciones, cada una con sus propios retos. Resumiremos las oportunidades y los retos de cada una, antes de hablar de las soluciones.

La solución más fácil y prometedora a corto plazo es el combustible de aviación sostenible (SAF), una categoría de combustibles derivados de la biomasa o de la captura de carbono, que extraen el CO2 del aire o de las emisiones y lo transforman químicamente en precursores del queroseno. Según la Asociación de Transporte Aéreo Internacional (IATA), el SAF podría contribuir en torno al 65% de la reducción de emisiones que necesita la aviación para alcanzar el objetivo de cero emisiones netas en 2050.

IEn términos de rediseño, el SAF es la opción fácil. El SAF puede mezclarse con el combustible convencional y, en algunos casos (…más en el futuro), sustituirlo por completo. Esto significa que el SAF apenas requiere rediseño. Airbus ya dispone de aviones comerciales y militares capaces de volar con una mezcla de SAF de hasta el 50%, y su objetivo es alcanzar el 100% en 2030. El Ministerio de Defensa británico ha empezado a aceptar hasta un 50% de SAF de sus proveedores de combustible y ya ha hecho una demostración de vuelo con un 100% de SAF.
También hay que señalar que el SAF puede producirse de forma neutra en carbono, pero extrae el CO2 a nivel del suelo y lo devuelve en altitud, por lo que, aunque es mucho mejor que el queroseno y un excelente combustible de transición, el SAF no es una solución completamente ecológica.
Cabe mencionar que el proceso de producción de SAF (y, por tanto, su escalabilidad) es un factor importante. Por ejemplo, es importante garantizar que el SAF creado a partir de fuentes biológicas (como los residuos forestales) no compita con otros sectores que necesitan utilizar esos mismos residuos, como la industria papelera. La UE y EE.UU. tienen planteamientos diferentes ante este reto. Puedes leer más sobre la importancia de las cadenas de suministro sostenibles en el artículo 4.

Como fuente de combustible, el hidrógeno puede quemarse directamente o utilizarse en una pila de combustible de hidrógeno para producir electricidad. Debido a su inicio más tardío, el hidrógeno tiene un plazo más corto y es probable que se empiece a utilizar en la aviación en la década de 2030. Cuando se quema, el hidrógeno reacciona con el oxígeno para generar energía y vapor de agua, por lo que no produce emisiones de carbono. Si el hidrógeno se produce a partir de fuentes ecológicas, los vuelos podrían, en teoría, ser neutros en carbono (aunque es poco probable que eliminemos por completo las emisiones de las infraestructuras de producción, almacenamiento y transporte del hidrógeno).

La densidad energética del hidrógeno, en masa, es tres veces superior a la del queroseno, lo que hace que el hidrógeno resulte muy atractivo como vector energético. Sin embargo, tiene menos energía por volumen que el queroseno: seis veces menos en el caso del gas a alta presión (700 bares) y tres veces menos en el del líquido (lo que requiere enfriarlo a -253°C). Así pues, el hidrógeno líquido es más viable, pero seguirá necesitando más espacio para almacenarse que el combustible, lo que supondrá un reto para la forma y la arquitectura de los aviones.

Por ello, es probable que los aviones tengan que rediseñarse para albergar depósitos de combustible más grandes. Esto, por ejemplo, podría crear una oportunidad para mejorar los aviones trasladando el almacenamiento de combustible – por ejemplo, sacándolo de las alas. Las alas podrían hacerse más delgadas, lo que reduciría la resistencia aerodinámica y aumentaría la eficiencia del combustible. También plantea retos complejos en cuanto al diseño, la ingeniería y la elección de materiales para los tanques de almacenamiento de hidrógeno, la inyección de combustible y el propio motor, que tendría que modificarse para adaptarse a esta nueva fuente de combustible.
El H2 (tanto si se quema como si se utiliza en pilas de combustible) también produce estelas/vapor de agua; la dispersión de estas nubes (cirros de estelas) puede atrapar el calor que irradia la Tierra por debajo, aumentando el calentamiento. Su combustión también produce óxidos de nitrógeno (“NOx”), que pueden provocar niebla tóxica, lluvia ácida y problemas respiratorios en los seres humanos, aunque su producción es menor que la del queroseno.

El hidrógeno también podría utilizarse para alimentar pilas de combustible, que impulsan un sistema de propulsión eléctrico y no emiten residuos. Algunas pruebas recientes, como las de las empresas ZeroAvia y Universal Hydrogen, son prometedoras. Airbus quiere desplegar su motor de pila de combustible de hidrógeno motor de pila de combustible de hidrógeno a gran escala para 2035. No obstante, cabe señalar que el peso de estas pilas de combustible puede limitarlas a aviones de pasillo único y autonomía media.

Al igual que los vehículos eléctricos, las baterías podrían alimentar los motores y cargarse en los aeropuertos entre operaciones. La principal limitación son las propias baterías, que son pesadas. Esto reduce la eficiencia del vuelo y, gracias a las leyes de la física, pone un límite a la cantidad de energía que puede almacenarse antes de que un avión sea demasiado pesado para volar.

No obstante, la propulsión eléctrica ya ha demostrado ser prometedora en aviones más pequeños. Pipistrel afirma ser la primera empresa en obtener la certificación para un avión eléctrico (el Velis Electro), allá por 2020.

Más recientemente, en septiembre de 2022, Eviation Aircraft, con sede en EE.UU., demostró lo que afirma ser “la primera nave de pasajerso totalmente eléctrica del mundo“, con una fecha de servicio prevista para 2027, y un plan para vuelos de cercanías y de carga de entre 150 y 250 millas.

El principal reto de ingeniería será exprimir al máximo el almacenamiento y la eficiencia de las baterías, así como aligerar su peso, para ampliar la autonomía de los aviones eléctricos. Los avances pueden venir de la mano de nuevas químicas de baterías más ligeras y potentes, como el litio-azufre. También puede mejorarse mucho la gestión térmica, que puede contribuir a prolongar la vida útil de las baterías.

El reto secundario de la electrificación será rediseñar los subsistemas y superficies de control de los aviones con motores eléctricos y líneas de transmisión para sustituir a los hidráulicos. Su funcionamiento difiere del de los controles hidráulicos existentes, por lo que habrá que realizar un trabajo importante para adaptarlos a los aviones actuales.

No obstante, puede ser viable. La “electrificación” puede utilizarse en aeronaves con cualquier tipo de motor (convencional, SAF, H2, etc.), permite ahorrar peso en comparación con los sistemas hidráulicos convencionales y puede consumir menos energía de la planta motriz de la aeronave, además de ser más fácil de instalar y mantener (debido al menor número de piezas móviles) y ofrecer un control más preciso.

La propulsión eléctrica híbrida (en la que un vehículo utiliza energía eléctrica combinada con otras fuentes de propulsión) ya ha demostrado su eficacia en el sector del automóvil. Un avión podría utilizar una propulsión eléctrica para gestionar mejor la energía, por ejemplo, durante el rodaje, o junto con los demás motores de la aeronave para proporcionar asistencia durante el despegue y el ascenso.

Airbus afirma que la propulsión eléctrica híbrida podría reducir el consumo de combustible en un 5% por vuelo. También podría ser muy valiosa cuando se combina con otros tipos de fuentes de energía que carecen de la potencia máxima de salida del queroseno.

Facilitadores digitales para llegar más rápido

Es evidente que los retos mencionados requerirán energía e investigación. Dada la naturaleza crítica de la seguridad en el sector aeroespacial, también habrá que hacer muchas pruebas antes de permitir que los pasajeros los usen. Parte de esto está por hacer, pero algunos elementos pueden acelerarse mediante nuevos enfoques de ingeniería digital.

Las herramientas de diseño digital pueden ayudar a abarcar el diseño y la arquitectura, la ingeniería, así como los sistemas eléctricos y mecánicos y los dominios físicos, y cómo deben unirse. La modelización -cuando la diseñan expertos aeroespaciales- puede ayudar a optimizar y definir la configuración más eficaz para fuselajes, depósitos y alas, predecir las mejores opciones de materiales y diseñar la integración de componentes eléctricos, electrónicos y mecánicos. Incluso la Inteligencia Artificial (IA) puede ayudar a proponer diseños óptimos si se le proporcionan criterios de entrada claros, reduciendo el número de falsos comienzos y la necesidad de producir prototipos físicos tempranos.

Las simulaciones y la modelización de sistemas basados en la física pueden utilizarse para comprender propiedades importantes, como la gestión térmica, que será fundamental para la seguridad y la eficiencia de los diseños de paquetes de baterías y motores que utilicen nuevas fuentes de combustible almacenadas a diferentes presiones y temperaturas.

El diseño de software también será cada vez más importante para la gestión de sistemas, a medida que se electrifique la propulsión y los sistemas deban controlarse y mantenerse en determinados estados durante todo el vuelo.

La ingeniería de sistemas basada en modelos (MBSE) – “la aplicación de modelos para apoyar las actividades de requisitos, diseño, análisis, verificación y validación (V&V) de sistemas”- permite a los diseñadores adoptar una visión holística, analizar el sistema de la aeronave en su conjunto a lo largo de todo su ciclo de vida e identificar las interacciones entre sus componentes. El enfoque digital puede ayudar a acelerar los proyectos, acelerando el proceso de certificación de validación y verificación (V&V), por ejemplo, al permitir que una mayor parte del trabajo de prueba y evaluación se realice digitalmente.

La IA también puede utilizarse para traducir los datos de vuelo en escenarios de pruebas simuladas, desde el nivel de los componentes hasta las pruebas de vuelo virtuales en condiciones variadas y difíciles. Esto ayuda a detectar los problemas con antelación, reduciendo el riesgo en las costosas pruebas de vuelo reales, aunque éstas, por supuesto, deben realizarse en algún momento. Una vez realizados, la recopilación de datos detallados, el posprocesamiento y la visualización pueden ayudar a comprender los riesgos y las mejoras, que pueden retroalimentar al modelo digital para mejorar el diseño.

El programa Digital Design Manufacturing and Services (DDMS) de Airbus es un buen ejemplo de “digital-first” en acción. Ha servido para desarrollar el Future Combat Air System y el A321XLR, que, según Airbus, consume un 30% menos de combustible que los aviones de la generación anterior.

No hay soluciones milagrosas, pero sí muchas opciones

No hay soluciones milagrosas, pero sí muchas opciones

La mayoría de la aviación comercial está de acuerdo en una mezcla de soluciones de propulsión, pero no hay soluciones milagrosas.

En un futuro próximo, lo más probable es que predominen los aviones propulsados por SAF, ya que este combustible no requiere modificaciones en el fuselaje y supone una mejora respecto al combustible convencional desde el punto de vista de la sostenibilidad. Sin embargo, las SAF por sí solas no nos llevarán al Net Zero.

Nos quedan el hidrógeno y la electricidad. La electricidad siempre estará limitada a vuelos de corta distancia debido al peso de las baterías. El hidrógeno verde será probablemente la solución final para los vuelos comerciales, debido a sus credenciales altamente sostenibles y a su capacidad para ser almacenado a bordo como combustible líquido. No obstante, el hidrógeno añadirá almacenamiento y peso a los aviones actuales en comparación con el queroseno, por lo que es probable que el SAF sea la mejor opción para los vuelos de larga distancia, al menos a medio plazo.

Ni la propulsión eléctrica ni la de hidrógeno están ni mucho menos preparadas para satisfacer todas las necesidades de la aviación comercial, pero ambas progresan rápidamente. Ambas requerirán importantes rediseños de los aviones, seguidos de un sinfín de optimizaciones y pruebas rigurosas. Aquellos que superen este proceso en primer lugar tendrán una ventaja competitiva significativa. La ingeniería digital determinará probablemente a los ganadores.

Conoce a nuestro experto

Sebastien Kahn

Vice President Sustainability & Industry, A&D Sustainability Lead, Capgemini
Desde hace 15 años, Sébastien Kahn acompaña a los actores públicos y privados en sus grandes proyectos de transición ecológica, en particular las estrategias de descarbonización energética, los ecosistemas de hidrógeno o eléctricos, y los planes de financiación y competencias asociados. Diplomado por ESSEC y el MIT, es profesor de políticas de descarbonización en Sciences Po Paris y dirige las actividades de descarbonización del Grupo Capgemini en el sector aeroespacial y de defensa.