La mayoría de nosotros no invierte mucho tiempo en aprender sobre cosas que no impactan directamente en nuestras vidas o que no tienen un interés significativo para nosotros. Esto podría ser un problema cuando una nueva tecnología hace que los espacios a los que estamos habituados parezcan extraños y comienzan a escucharse términos que no encajan para nada de lo que uno conoce. La buena noticia es que algunas veces no se necesita un título avanzado para familiarizarse con conceptos y lenguajes de una nueva tecnología para sentirse cómodo con ellos. Los aviones eléctricos son un gran ejemplo de esto. Permítanme presentarles conceptos básicos en este campo en rápido desarrollo.
Una comparación pertinente
Los sistemas de propulsión eléctrica y de combustión hacen lo mismo: transforman la energía potencial en energía cinética para volar. Ahora hablemos de los términos. El vatio es una unidad de potencia que significa una cantidad seleccionada de transferencia de energía durante un tiempo específico. Un vatio equivale a un jules de energía transferida por segundo. En la mayoría de los usos hablamos de kilovatios (kW), que son 1.000 vatios. En el transporte, la potencia (especialmente la potencia del motor) se expresa generalmente en caballos de fuerza (hp). Dado que ambas son unidades derivadas, se pueden convertir fácilmente (1 hp = 0,7457 kW). Un ejemplo: Un motor de 100 hp equivaldría aproximadamente a un motor de 75 kW independientemente de la fuente de energía.
La siguiente unidad a considerar es el kilovatio hora (kWh), seguramente está familiarizado con esta unidad porque la conoce como componente principal de su factura de electricidad. Un kWh es la energía de un kW (fluyendo) durante una hora. El kWh es la unidad de medida para el “tanque de combustible” de un vehículo eléctrico, lo que lo convierte en la contraparte del galón o litro de un motor de combustión interna (ICE). Una batería de 10 kWh podría suministrar 1 kW durante 10 horas o 10 kW durante una hora, asumiendo que el motor y los sistemas conectados a ella podrían consumir esa cantidad de energía. Este sistema hipotético tampoco tiene en cuenta las pérdidas por la transformación en el sistema, pero dejaremos el asunto de la eficiencia para más adelante.
Reacciones de otro tipo
La electrificación cambia una reacción química por otra. Como la mayoría de las compensaciones, existen pros y contras. Del lado positivo, la eficiencia de referencia es mejor que ICE. Los motores eléctricos generalmente tienen una eficiencia del 75 al 95%. Con los motores ICE generalmente en el rango de 30 a 40%, los motores de avión no están exactamente a la vanguardia de la eficiencia.Por lo tanto, los motores eléctricos posiblemente podrían triplicar la eficiencia por unidad del “combustible”, sin emisiones directas. Los motores eléctricos también son más ligeros y mecánicamente más simples con menos partes móviles. ¿Parece que lo eléctrico es el camino a seguir, verdad? No tan rápido. Todos los métodos de transporte utilizan la química para transformar la energía potencial en energía cinética. Esto apunta hacia el desafío principal de la electrificación, la energía específica.
Discutimos la energía específica en detalle en otro artículo, pero aquí está el resumen. Las baterías almacenan mucha menos energía por unidad de volumen o masa que los combustibles fósiles. La Avgas (100LL) tiene una energía específica de aproximadamente 12 kWh por kilogramo (KG). Las mejores baterías disponibles actualmente (en términos de energía específica) son las baterías de iones de litio (Li-ion) con una energía específica de alrededor de 0,25 kWh / KG. Incluso asumiendo una eficiencia del motor del 100%, la batería administraría sólo 0.25 kWh / KG, mientras que un ICE con una eficiencia del 25% generaría 3 kWh / KG, aproximadamente 12 veces más energía. En operaciones intensivas en energía como la aviación, eso importa.
El lado más oscuro de la energía verde
Otro desafío para la electrificación es el uso de ciertos recursos. La mayor parte del cobalto necesario para las baterías proviene de la República Democrática del Congo, donde el conflicto y la estructura regulatoria plantean problemas éticos y ambientales. El litio (Li), un componente clave de una batería de iones de litio, debe procesarse a partir de compuestos. La minería de roca dura ha sido la fuente dominante de Li, pero los procesos ahora permiten la extracción de depósitos de salmuera principalmente en América del Sur (NdeR: Argentina, Chile y Bolivia).
Los investigadores están trabajando en métodos para extraer Li del agua de mar (donde se produce naturalmente a razón de 0,1 partes por millón), pero en este momento la extracción de mineral de Li implica el tipo de impactos ambientales asociados con la extracción a cielo abierto y la extracción de la cima de las montañas. La extracción de salmuera tiene menos impacto pero puede consumir grandes cantidades de agua, un problema en regiones muy áridas.
¿Eso significa que las baterías de iones de litio son malas? No exactamente. Todas las formas de energía tienen externalidades negativas. Pensar en las baterías como una solución de “impacto cero” a las preocupaciones ambientales es incorrecto, pero las baterías claramente tienen un papel que desempeñar en nuestro futuro energético. La forma en que eso evolucione dependerá de cómo avance la tecnología.
La carga
Si bien los motores eléctricos son más simples y requieren menos mantenimiento que sus contrapartes ICE, las baterías son mucho más caras y complicadas. En la mayoría de los vehículos eléctricos (EV) una parte de los cargadores están instalados en los propios vehículos, la otra es fácil de tener en hogares y lugares públicos sin mayores problemas de compatibilidad. Independientemente de dónde resida el cargador real, existen diferentes niveles de carga. Queda por ver cómo se aplicará esto a los aviones, pero el mundo de los vehículos eléctricos ofrece algunas opciones. La carga de corriente alterna (CA) de nivel 1 [120 V / hasta 16 amperios (A)] es un tomacorriente doméstico estándar. La carga de CA de nivel 2 es de 240 V (generalmente alrededor de 50 A) similar a una secadora de ropa eléctrica. Cuanto mayor sea el voltaje y el amperaje del circuito, más electricidad puede proporcionar al vehículo. Un cargador de nivel 1 típico sólo puede suministrar menos de 2 kW, mientras que un cargador de nivel 2 generalmente proporciona alrededor de 7 a 11 kW. Usando matemáticas básicas, una batería de 20 kWh tardaría unas 10 horas en cargarse en el nivel 1, pero sólo requerirá entre 2 a 3 horas en el nivel 2. Sin embargo, las pérdidas en la carga lo hacen un poco más complicado: el nivel 2 tiene una eficiencia cercana al 90% mientras que el nivel 1 es menos del 84%.
Para la aviación, el Nivel 1 puede parecer demasiado lento, pero su bajo costo y su fácil disponibilidad tienen ventajas. Algunos hangares ya tienen electricidad, por lo que agregar un tomacorriente de 120 V no es un gran problema. Para un avión que pasa la mayor parte del tiempo en el hangar, la velocidad de carga adicional probablemente no valga la pena. Incluso una batería de gran especificación de 92 kWh se cargaría en aproximadamente tres días desde que se descargó de un tomacorriente estándar, lo que permitiría realizar un vuelo, hacer el rodaje de tu avión y volver al hangar para enchufarlo e regresar a casa. Cuando retornes unos días después, el avión estará “cargado” por menos de 20 dólares de electricidad. Pero, ¿qué pasa con esos momentos en los que no tienes tiempo?
AC/DC
Si el tiempo es un problema, es posible que necesite una carga rápida de corriente continua (CC). A menudo llamada carga de nivel 3, la carga rápida de CC es una tecnología muy diferente. La red eléctrica proporciona energía en corriente alterna (CA), pero las baterías la almacenan en (CC). La corriente alterna funciona muy bien para la mayoría de las aplicaciones. Sin embargo, para almacenar esa energía en una batería, necesita un inversor para transformarla en CC. La carga rápida de CC elimina ese paso al ir directamente a la batería y a un voltaje y amperajes mucho más altos. La carga rápida de CC puede proporcionar más de 300 kW de carga si su vehículo puede aceptar esa cantidad. Aunque todavía el reabastecimiento no es tan rápido como cuando viene el camión de combustible el proceso se está acortando mucho.
La desventaja de esta carga es que genera mucho calor y requiere cables de gran calibre además, cargar la batería tan rápido con CC reduciría potencialmente el rendimiento de la batería y su vida útil. También es importante recordar que, independientemente del nivel, la carga varía según las condiciones y el estado de carga (SOC). Esta es la razón por la que a menudo se muestran tiempos de carga de entre el 5% y el 80% en lugar de entre el 0% y el 100%. La carga se ralentizará drásticamente por encima del 80% la mayoría de las veces. Los niveles 1 y 2 se verán menos afectados en virtud de su tasa de carga más lenta.
Eígrafe: Un cargador rápido de CC de 350 kW. Tenga en cuenta el cable pesado y el conector CCS. Foto cortesía de Electrify America
El cielo por delante
Entonces: ¿hay un futuro eléctrico por delante? ¿Veremos que los aviones eléctricos sean frecuentes en la aviación general?
Creo que la respuesta es sí, pero no será una revolución rápida o incluso posiblemente completa.
Debido a que la electrificación, al menos por ahora, es más difícil para aviones más grandes y poderosos, es probable que veamos a la aviación general liderando el camino porque ese mercado podría ser el mejor para la fase inicial de la conversión.
Los aviones eléctricos ahora disponibles –o que pronto los estarán– pueden cubrir algunas tareas de la aviación general y beneficiarse de unos costos de combustible significativamente reducidos y proporcionar otras ventajas como el mejor ruido. El uso de esta tecnología para el trabajo aéreo es un poco más desafiante, pero podría convertirse en una realidad en los próximos años. Esto es especialmente cierto si se opera desde un aeropuerto caluroso o alto dado que el motor eléctrico no depende del oxígeno atmosférico, en consecuencia la altitud de densidad no comprometerá el rendimiento del motor eléctrico de la misma manera que afecta al convencional.
Es un momento emocionante para estar en la aviación, y será divertido ver cómo se desarrolla la flota de aviones eléctricos.