Los desafíos para una aviación propulsada por hidrógeno

• El transporte aéreo propulsado por hidrógeno es una solución prometedora para reducir las emisiones de gases de efecto invernadero (GEI).
• Considerando las desafiantes propiedades de los fluidos y el impacto en el sistema general de la aeronave, actualmente optimizado para combustible convencional, se requiere de un gran esfuerzo de investigación que permita superar varios desafíos importantes para introducir el hidrógeno en el mercado aeronáutico.

• El hidrógeno como combustible o energía a bordo permitirá la eliminación completa del CO2, pero sólo si se produce a partir de fuentes renovables.
• El hidrógeno es un verdadero combustible sin carbono, sin embargo, la producción de hidrógeno verde requerirá grandes cantidades de energía eléctrica y agua, consecuentemente se requerirá energía adicional para la licuefacción del gas y la distribución para el uso en las aeronave.
• Se estima que la eficiencia de este proceso ‘well-to-tank’ (WTT) es de alrededor del 58%, aproximadamente el doble de eficiente que los combustibles sintéticos debido al proceso adicional de Fischer-Tropsch, y dependerá de la captura de carbono que se haga en el proceso industrial (Eficiencia WTT del 35%) o de captura directa de aire (eficiencia WTT del 22%).
• El hidrógeno podría utilizarse a partir de una celda de combustible. Una celda que usa H₂ funciona como un electrolizador inverso. Un electrolizador necesita energía eléctrica para separar de las moléculas de agua, el hidrógeno y oxígeno.

• La celda de combustible utiliza gas hidrógeno combinado con oxígeno (tomado del aire atmosférico), que por reacción electroquímica a través de una membrana diseñada específicamente (permeable a los protones pero aislante eléctricamente) produce agua (recombina hidrógeno y oxígeno en agua) y calor como subproductos de esta reacción. Esta reacción electroquímica genera electricidad a medida que los electrones viajan del ánodo al cátodo (corriente continua), ese es el proceso que se desea lograr.
• En términos de impacto climático, las celdas de combustible sería la fuente más limpia de energía a bordo de un avión ya que no producen CO₂, NOx ni partículas.
• Las celdas de combustible PEM (membrana de electrolito de polímero o también llamada membrana de intercambio de protones) se consideran la tecnología más madura para el transporte.
• Se debe prestar atención a lo que se denomina el “equilibrio de la planta” (BoP) en términos de todos los “accesorios” necesarios alrededor de la pila de celdas de combustible, como el compresor, el humidificador, las bombas, la gestión del calor, etc.
• Cuando se utiliza hidrógeno para la combustión, se produce más vapor de agua.
• Conforme a lo anterior, el uso de hidrógeno en un motor de combustión dará lugar a emisiones diferentes en comparación con las alternativas de combustible “directas”.
• Se espera que la combustión directa de hidrógeno genere aproximadamente 2,6 veces más emisiones de agua que un motor alimentado con combustible JET con un contenido de energía equivalente.
• El vapor de agua no tendría un gran impacto de emisiones, aunque esto depende de la altitud a la que se produzca. A la altitud de crucero habitual de los aviones actuales, la combinación de emisiones de vapor de agua, junto con las partículas presentes en la atmósfera o producidas por el proceso de combustión del motor, son un desencadenante de la condensación de agua para crear estelas de condensación y cirrus stratus.
• Existe un amplio debate científico sobre el impacto de las estelas en el clima.
• Se busca comprender la física y la química atmosféricas complejas, donde la latitud, la longitud y la altitud de vuelo son factores importantes para determinar el impacto.
• El mandato de CESA para una aviación limpia es desarrollar tecnologías disruptivas, principalmente a nivel de aeronave, y evaluarlas en una misión típica. El objetivo es reducir las emisiones netas de gases de efecto invernadero en al menos un 30 % en comparación con las tecnologías de vanguardia de 2020.
• Este es un esfuerzo desafiante pero común a toda la comunidad de la aviación. Implica principalmente el progreso de la investigación de los científicos del clima, la implementación de operaciones de tránsito aéreo más eficientes y una contribución sustancial de tecnologías avanzadas.

• En materia de hidrógeno como combustible para la aviación, todo se encuentra en un nivel de madurez muy bajo. En la actualidad, demostrar la viabilidad sigue siendo el objetivo principal.
• Se estaría muy lejos de las posibilidades de uso diario de hidrógeno en los aeropuertos de todo el mundo, y de cumplimentar los requisitos de vida útil y mantenimiento esperados para los aviones comerciales.
• La hoja de ruta de Clean Aviation se centra en dos caminos:

– Primero estaría convertir los motores actuales para que funcionen con hidrógeno. Esto implica un rediseño completo de la cámara de combustión debido al comportamiento del “quemado” muy diferente del hidrógeno (inflamabilidad y velocidad de llama mucho más altas, y alto riesgo de retroceso de llama).

Hoy en día, se requiere una cantidad sustancial de investigación para validar la dinámica de los fluidos. Existe una necesidad apremiante de realizar experimentos y obtener datos de validación. Actualmente, muchas instalaciones experimentales se están convirtiendo a hidrógeno para este propósito.

– El segundo camino hacia la propulsión por hidrógeno se basa en el uso de celdas de combustible para impulsar motores eléctricos y hélices. Las experiencias de la industria automotriz a menudo se toman como punto de partida, pero las especificaciones son diferentes en comparación con las necesidades de la aviación. Hoy en día, lo que se obtiene “listo para usar” es del orden de cientos de kW (por ejemplo, para automóviles o camiones de hidrógeno). En aviación son necesarios varios MW para vuelos regionales y decenas de MW para conseguir una aviación como la actual.

• Para el transporte aéreo, sólo son viables sistemas de hidrógeno líquido. Pero licuar y almacenar LH₂ presenta desafíos únicos porque se debe mantener una temperatura de -252 °C en el tanque.
• En los dos caminos tecnológicos mencionados, se necesita una forma eficiente (bajo volumen y bajo peso) para almacenar hidrógeno líquido a bordo de un avión. El llamado “índice gravimétrico” (peso del combustible dividido por el peso total del tanque, incluido el combustible) debe maximizarse para reducir la penalización de peso en una aeronave.
• Un desafío adicional es que el hidrógeno a -252 °C se “evapora” continuamente, sin importar qué tan efectivo sea el aislamiento del tanque.
• La agitación bajo las maniobras de aceleración, desaceleración y vuelo es otro problema. Probablemente la instalación de “deflectores” dentro del tanque sea una solución.
• La medición del nivel de combustible en el depósito, en cualquier circunstancia del vuelo, también es un aspecto crítico. El piloto necesita tener una indicación confiable del combustible disponible en todo momento.
• El sistema de distribución de combustible también debe diseñarse para transportar el hidrógeno en las condiciones correctas de flujo másico, temperatura y presión, ya sea a la cámara de combustión de la turbina de gas o a la celda de combustible. Esto incluye el calentamiento y la vaporización, para lo cual se deben diseñar intercambiadores de calor adecuados para mantener la seguridad en todo momento, teniendo en cuenta las limitaciones por la inestabilidad del material que también es una desventaja conocida del hidrógeno.

• El diseño mecánico a temperaturas criogénicas es una ciencia en sí misma y muchos de los componentes del sistema estarán expuestos al riesgo de formación de hielo.
• El abastecimiento de combustible en general, y para una aeronave en particular, es uno de los pasos más críticos para los lanzadores espaciales ya que se necesita una larga secuencia de acciones: limpieza de las líneas, enfriamiento y luego el abastecimiento de combustible en sí mismo, que debe realizarse con la suficiente lentitud para evitar una ebullición excesiva.
• Se suma a esto la seguridad y la certificación para la aviación.
• El programa de aviación tendrá una participación directa y sustancial de la Agencia de Seguridad Aérea de la Unión Europea (EASA) para monitorear la viabilidad de las soluciones técnicas desde el principio.
• El cronograma para el desarrollo de un posible avión propulsado por hidrógeno es el acordado por las partes interesadas de la comunidad de la aviación y publicado en el SRIA (Agenda de Investigación e Innovación Estratégica), disponible públicamente en el sitio web de Clean Aviation.
• El programa se divide en dos fases: una primera fase de desarrollo de tecnología hasta 2025/2026 con pruebas iniciales en tierra, y una segunda fase hasta 2030 con más ensayos en tierra, con el objetivo de preparar las pruebas de vuelo de las configuraciones más prometedoras.
• Se han abordado varios desafíos técnicos relacionados con el almacenamiento de hidrógeno líquido a bordo de un avión, su distribución, los componentes del sistema de propulsión, especialmente las pilas de combustible, y la complejidad y penalizaciones de peso de los sistemas. Sin embargo, se espera que el tiempo y la buena ingeniería brindarán soluciones adecuadas para superar estos obstáculos.
• Lo que se busca es mantener un nivel de seguridad operacional equivalente al que conocemos hoy en la aviación.

• Un avión propulsado por hidrógeno requerirá gran cantidad de medidas de seguridad, como ser, niveles de sellado a temperaturas criogénicas para todas las uniones, numerosos sensores de detección que aborden el riesgo de fugas, el riesgo de formación de hielo en los componentes, redundancias, procedimientos de verificación frecuentes, lavado sistemas para determinados cerramientos, el riesgo de inestabilidad del material y fatiga térmica con el paso del tiempo, etc.
• Otra dificultad seria se refiere a la seguridad relacionada con los tiempos de respuesta en los aeropuertos para el reabastecimiento de combustible de las aeronaves.
• Actualmente, cargar un tanque con hidrógeno líquido es un procedimiento lento por cuestiones de temperatura, todo debe manejarse con cuidado. Las soluciones propuestas para paliar este problema se basan en el abastecimiento de combustible en paralelo de varios tanques. Pero detrás de este desafío técnico adicional se encuentra el problema de la disponibilidad de hidrógeno líquido en los aeropuertos.

• Como primer paso el hidrógeno se transportaría a los aeropuertos en camiones cisterna, sin embargo, al hablar de viabilidad global a gran escala, algunas soluciones consideran delegar en los aeropuertos no solo la licuefacción sino también la producción (electrólisis) y almacenamiento de hidrógeno líquido.
• Ese uso de hidrógeno requiere de una infraestructura muy importante e inversiones para las cuales las autoridades aeroportuarias deberán estar convencidas de la ventaja comercial a largo plazo. Probablemente, las inversiones son tan elevadas que sólo podrían ser respaldadas por los Estados.
• Otro desafío adicional muy serio es la enorme demanda de energía para producir hidrógeno líquido a gran escala. Esto también requerirá inversiones masivas en medios de producción de electricidad verde.
• Los costos son inciertos, tanto para establecer el precio de un avión propulsado por hidrógeno, como la producción del hidrógeno líquido en sí.
• La aviación competirá con otros sectores del transporte por la disponibilidad de hidrógeno verde. También se competirá con otra solución como la de los combustibles sintéticos, que insumen mayores costos de energía para su producción (incluida la captura directa de carbono en el aire) pero, para el sector aeronáutico, requerirían de menores inversiones en infraestructura de los aeropuertos.
• El hidrógeno es el número 1 en la Tabla Periódica de Elementos y también el número 1 en la lista de desafíos que enfrenta la aviación para volverse verde. La molécula más pequeña y liviana de la tierra está dando los mayores desafíos en la historia aeronáutica. Sin embargo, esta pequeña molécula tiene una densidad de energía extraordinaria (casi tres veces la del queroseno) y, a pesar de todos los desafíos que nos presenta, es libre de carbono.

* Jean-François Brouckaert está a cargo de la coordinación técnica, la gestión del conocimiento, la estrategia tecnológica y el monitoreo de impacto ambiental de los combustibles de la Corporación Clean Sky 2. Brouckaert es ingeniero mecánico y tiene un doctorado en dinámica de fluidos y turbomaquinaria.

Se presenta un extracto conceptual a partir de la entrevista realizada para el Boletín del Consejo de Sociedades Aeroespaciales Europeas (CEAS), la asociación internacional sin fines de lucro, que busca desarrollar un marco en el que las principales sociedades aeroespaciales de Europa puedan trabajar juntas. La entrevista (que puede leerse completa aquí) fue realizada por Jean Pierre Sanfourche, editor en jefe del Bulletin Aerospace Europa (CEAS) es la opinión de Brouckaert a título personal.