Sistemas de energía en las aeronaves del futuro basados en hidrógeno

El compromiso entre legislación, cooperación y financiación, sin duda, convertirá al sector aeronáutico en los próximos años en uno de los campos industriales más respetuosos con el medio ambiente y más atractivo para desarrollar y aglutinar tecnologías innovadoras.

Entre las palancas de innovación con mayor potencial para acelerar la descarbonización del transporte aéreo se encuentran las tecnologías de hidrógeno, posiblemente el vector energético que más atención está acaparando en los últimos tiempos. El hidrógeno, un elemento muy abundante en la naturaleza, posee unas características únicas, tanto por su potencial energético al ofrecer casi 4 veces más poder calorífico que el queroseno por unidad de masa, como por su fácil combinación con fuentes de energía renovables.

Sin embargo, existen también ciertas dificultades que hay que sortear para lograr una aplicación efectiva del hidrógeno en la aeronáutica. En primer lugar, se debe tener en cuenta su comportamiento poco intuitivo durante el proceso de evaporación, su expansión o su responsabilidad en la fragilización de ciertos metales ante su presencia. Además, debe almacenarse bajo estrictas condiciones de presión y temperatura: en estado gaseoso, con necesidades de más de 700 bares, o a -253 ºC en su almacenamiento en estado líquido, criogénico. Asimismo, es necesario manipularlo bajo exigentes medidas de seguridad debido a su elevada inflamabilidad y su alta velocidad de combustión.

Por tanto, teniendo en cuenta las prometedoras características del hidrógeno, así como la incipiente madurez de las infraestructuras de producción, almacenamiento, distribución y explotación, es lógico que estén apareciendo programas estratégicos tanto nacionales (PERTE aeronáutico) como europeos (Clean Aviation) y multitud de proyectos que pretenden revolucionar el estado de la tecnología actual y sentar el siguiente paso en el desarrollo de la economía de escala del hidrógeno en las aeronaves.

Capgemini, en línea con su firme compromiso con la reducción de la huella de carbono tanto en sus servicios propios como en aquéllos que presta a sus clientes, no es ajena al interés que despierta el hidrógeno como vector energético. En este contexto, ha lanzado el proyecto IRON NPE cuyo objetivo es desarrollar un sistema de generación de energía no propulsiva en aeronaves centrado en el uso de pilas de combustible de hidrógeno de alta potencia. Esta tecnología representa una de las soluciones más prometedoras para cumplir los objetivos de sostenibilidad de la industria aeronáutica para las próximas décadas.

Gracias a un marco de financiación español impulsado por los fondos europeos Next Generation y dentro del plan estratégico del sector aeroespacial (PTA), en el año 2022 se formó un consorcio liderado por Airbus España, en el que participan empresas como Aertec, Ariema y Capgemini. El objetivo de este consorcio es desarrollar el primer demostrador real de pilas de hidrógeno en el entorno aeronáutico, constituyendo un importante banco de pruebas para diversas soluciones innovadoras nunca integradas en conjunto con anterioridad, así como llevar a cabo una campaña de ensayos en tierra clave para demostrar la viabilidad y la escalabilidad de la tecnología.

El proyecto IRON NPE incluye actividades relacionadas con el dimensionado, diseño, simulación, integración y ensayo en tierra de tecnologías de hidrógeno y sus necesarios sistemas auxiliares embarcados. En particular:

• Diseño y optimización de sistemas de gestión de hidrógeno.
• Diseño y análisis de sistemas de distribución y tanques embarcados.
• Diseño y optimización de sistemas de gestión de calor.
• Desarrollo de modelos multifásicos integrados.
• Diseño y pruebas de un sistema de recuperación de energía de pilas de hidrógeno.
• Diseño y pruebas de un sistema de arranque de pilas de combustible de hidrógeno.

En el consorcio, Capgemini aporta su experiencia y capacidad de investigación tanto para el diseño de la Arquitectura del sistema y de diferentes subsistemas, como para asegurar la integración y escalabilidad de las tecnologías desarrolladas. A continuación, se detallan estos desarrollos.

Tecnologías para la generación, almacenaje y distribución de la energía del hidrógeno

Ante la necesidad de integraciones más eficientes de la tecnología de hidrógeno, se han desarrollado propuestas alternativas de tecnología basadas en H₂: pilas de combustible, sistemas de almacenamiento de hidrógeno líquido y gaseoso, y sistemas de distribución.

Para el dimensionamiento del sistema se ha considerado la aplicación tanto de tecnologías presentes como futuras de pila de combustible de hidrógeno en un amplio rango de aplicaciones aeronáuticas. Específicamente, se ha dimensionado un paquete de baterías considerando un rango de potencia y una misión aeronáutica típica y dos escenarios diferenciados (uso del hidrógeno en estado líquido y gaseoso), desarrollando geometrías más eficientes y multifuncionales para:

• El sistema de distribución, formado principalmente por válvulas y tuberías específicas orientadas a formar parte de un sistema aeronáutico embarcado.
• El sistema de almacenamiento, apoyado en tanques presurizados y geometrías plausibles para uso aeronáutico, adaptadas y optimizadas a los volúmenes típicos que se pueden encontrar en un avión civil de pasajeros convencional.

Sistemas auxiliares

Dentro de estos sistemas destacan:

• El sistema de refrigeración secundario cuya función es enfriar determinados componentes de la celda de hidrogeno como el sistema de suministro de aire y sistemas eléctricos y electrónicos.
• Sistemas de evacuación del calor.
• Sistemas de humidificación para la pila de combustible que garanticen su correcto funcionamiento, prestaciones, funcionalidad y vida útil.

Integración de Sistemas

La mayor interconectividad de los sistemas complejos de una aeronave hace necesario unificar en modelos digitales integrados los sistemas más importantes alrededor de la producción de electricidad por parte de las pilas de hidrógeno, permitiendo así verificar el comportamiento del sistema y cada subsistema, maximizar las capacidades de los sistemas a bordo y avanzar hacia el diseño mecánico del vehículo. 

Para el diseño de este modelo se han considerado tanto los principales parámetros que describen las actuaciones de cada uno de los subsistemas, como la interacción entre los principales componentes del sistema global, lo cual habilita su integración en una plataforma virtual. El uso de estas técnicas de virtualización HW/SW permitirá abordar prototipado rápido de las tecnologías innovadoras para, en etapas futuras, calibrar cada subsistema a partir de los datos obtenidos en las diferentes fases de experimentación planificadas e ir adaptando los modelos para hacerlos más fieles a las condiciones reales de operación del sistema.

Sistema de recuperación de energía excedente de la pila de combustible de H₂ y generación eléctrica adicional

Se está desarrollando un sistema de producción de potencia eléctrica secundaria a partir de la energía residual derivada de una planta basada en hidrógeno. De esta forma se contribuye a la optimización integral de la generación, distribución y almacenamiento de la energía no propulsiva en la aeronave. En el proceso, algunos sistemas embarcados mecánicos, hidráulicos o neumáticos, hasta ahora ligados directa o indirectamente a los motores principales, serán sustituidos por alternativas eléctricas no dependientes de la planta propulsiva, redundando en una mayor eficiencia y flexibilidad de la planta secundaria.

Se consideran dos opciones tecnológicas principales: primero, una planta híbrida basada en pilas de hidrógeno de tipo PEM de baja (80 ºC) o alta temperatura (200 ºC); segundo, una microturbina de gas que consuma hidrógeno como combustible (550 ºC). Ambas plantas irán acompañadas de su correspondiente sistema de recuperación, adaptado a la potencia térmica disponible en los gases de escape de cada una de las alternativas.

El diseño y la optimización de este sistema para diferentes fases de vuelo constituye el núcleo de trabajo de la actividad. Para ello, Capgemini, en colaboración con el Grupo de Máquinas y Motores Térmicos de la Universidad de Sevilla, está proyectando un banco de ensayos que permita evaluar las soluciones técnicas desarrolladas.

Sistema de reencendido autónomo de pilas de hidrogeno mediante recuperación de presión dinámica

Se está diseñando una nueva arquitectura para los sistemas de rearranque de pilas de hidrógeno que permita reencender la pila en una determinada envuelta de vuelo gracias a la energía absorbida de la corriente externa. Adicionalmente, se realizará un estudio del dimensionado de esos sistemas, apoyado en ensayos en un túnel de viento de la Universidad Politécnica de Madrid, con la idea de validar las simulaciones computaciones realizadas por Capgemini, proponer mejoras de diseño y evaluar la mejor propuesta topológica entre las planteadas.

En definitiva, estas investigaciones pretenden ir un paso más allá en ciertos sistemas y modelos complejos, en la maduración de la tecnología de hidrógeno en futuras aeronaves sostenibles, y parte de las conclusiones alcanzadas deberán representar un nuevo estado del arte de la tecnología, orientadas a aeronaves del futuro.

Este proyecto ha sido subvencionado por el CDTI, cofinanciado con fondos Europeos del Mecanismo de Recuperación y Resiliencia y apoyado por el Ministerio de Ciencia e Innovación. Este proyecto tiene número de expediente PTAE-20221001