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Aviación

Proyecto ENABLEH2: el hidrógeno como alternativa sostenible para la aviación civil

El Departamento Técnico de Sepla entrevista a Andrew Rolt, investigador principal de tecnologías de propulsión de aeronaves de bajas emisiones de la Universidad de Cranfield.

Describa el proyecto ENABLEH2 y sus socios.

ENABLEH2 es un programa colaborativo de investigación e innovación de la UE denominado «ENABLing cryogEnic Hydrogen based CO2-free air transport» dirigido por la Universidad de Cranfield. He trabajado con el coordinador del proyecto Bobby Sethi desde el inicio en 2018. Entre los socios del proyecto se encuentran la Universidad de Chalmers y GKN Aerospace en Suecia, la Universidad de London Southbank (especialistas en seguridad del hidrógeno), el aeropuerto de Heathrow, SAFRAN, la Asociación Europea del Hidrógeno y Arttic. También contamos con el apoyo de un amplio consejo asesor de la industria. Para más información, consulta https://www.enableh2.eu/.

¿Cuáles son los objetivos del proyecto?

ENABLEH2 pretende demostrar que el hidrógeno líquido ofrece una vía viable para la sostenibilidad a largo plazo en la aviación civil, con beneficios medioambientales y económicos a lo largo de todo el ciclo de vida del combustible. El proyecto aborda los principales retos en materia de seguridad, eficiencia energética, almacenamiento de combustible e integración de sistemas en los nuevos diseños de aeronaves. El proyecto lleva a cabo experimentos de laboratorio sobre la combustión del hidrógeno y la transferencia de calor del sistema de combustible, para maximizar la eficiencia y minimizar las emisiones.

¿Qué hace que el hidrógeno sea una opción atractiva para abastecer de combustible a los aviones comerciales?

La ventaja obvia es que el uso de hidrógeno en una pila de combustible, o para la combustión en un motor aéreo, no genera dióxido de carbono, monóxido de carbono, hidrocarburos no quemados ni hollín. Las únicas emisiones son las de vapor de agua y NOx, que tienen efectos secundarios en el calentamiento global. Sin embargo, creo que las emisiones de NOx pueden reducirse a niveles inferiores a los que se pueden conseguir con el Jet A-1.

¿El mayor contenido de vapor de agua en los gases de escape producirá más calentamiento global por las estelas de condensación?

No lo creo, pero se necesitan pruebas de vuelo para confirmarlo. Las estelas de condensación persistentes se forman en el espacio aéreo sobresaturado de vapor de agua en relación con el hielo, pero los cristales de hielo necesitan partículas para crecer y los motores que queman hidrógeno tendrán escapes limpios. Se espera que las estelas de condensación persistentes que se formen sean más transparentes y de menor duración, ya que deberían contener menos cristales de hielo.

¿Qué pasa con la eficiencia energética y la economía de operar con hidrógeno?

Hace veinte años, un proyecto dirigido por Airbus, «Cryoplane», llegó a la conclusión de que la aviación impulsada por hidrógeno líquido era técnicamente viable y proporcionaría beneficios medioambientales, pero que era poco atractiva desde el punto de vista económico. Hoy en día, la reducción drástica del coste de la electricidad renovable procedente de la energía eólica y solar es un factor que cambia las cosas y hace que la producción masiva de hidrógeno «verde» por electrólisis del agua sea una perspectiva realista a corto plazo. 

¿Cómo se compara el hidrógeno con otras opciones de carbono cero?

La producción masiva de biocombustibles sin impacto ambiental será un reto. Las baterías serían más eficientes energéticamente que la generación de hidrógeno y su uso en pilas de combustible o turbinas, pero las baterías no ofrecen la autonomía necesaria para los aviones comerciales. El hidrógeno es el «electrocombustible» más sencillo y será más barato que los combustibles sintéticos para aviones fabricados a partir de hidrógeno verde y dióxido de carbono capturado directamente del aire, aunque es posible que estos combustibles sean necesarios para los aviones tradicionales en 2050. Creo que las consideraciones sobre el impacto medioambiental y la economía de explotación impulsarán la adopción del hidrógeno líquido como el combustible preferido para la aviación civil en el futuro.   

¿El desarrollo de infraestructuras para el hidrógeno sostenible es un sueño o puede ser una realidad?

Actualmente se producen grandes cantidades de hidrógeno «gris», sobre todo a partir de gas natural en el punto de uso para el refinado de petróleo y la fabricación de fertilizantes. Estas industrias también necesitan descarbonizar la producción de hidrógeno. Los mercados regionales y mundiales de hidrógeno aún no se han desarrollado, aunque un proyecto piloto está enviando hidrógeno líquido desde Australia a Japón. Muchos países tienen la posibilidad de generar hidrógeno a partir del exceso de energía eólica o solar. La licuefacción exige un 30% de energía eléctrica adicional. 

¿Es factible aumentar la producción de hidrógeno verde en las cantidades necesarias para la aviación?

Para transformar la industria, la inversión necesaria en toda Europa será del orden de cientos de miles de millones de euros. Esto es comparable a las inversiones en nuevas líneas ferroviarias de alta velocidad. Sin embargo, algunos costes se compartirían con otras industrias y se repartirían a lo largo de varias décadas, a medida que los aviones alimentados con hidrógeno vayan sustituyendo a los actuales que utilizan Jet A-1 y SAF.

¿Cuáles son los retos de la alimentación de aviones con hidrógeno?

Los aviones pequeños de corto alcance que utilizan gas hidrógeno comprimido pueden repostar de la misma manera que los trenes y automóviles que utilizan hidrógeno, pero los aviones más grandes que utilizan hidrógeno líquido necesitarán nuevos sistemas de repostaje. En un principio, se utilizarán camiones cisterna o cisternas móviles en lugar de sistemas de hidrantes. Como los depósitos de las aeronaves estarán totalmente presurizados y bien aislados, no será necesario ventilar el hidrógeno durante el repostaje, ya que el gas de ebullición se devolverá al sistema de repostaje.

¿Por qué es necesario el hidrógeno líquido?

Para los aviones que vuelan dos mil kilómetros o más, el hidrógeno líquido es esencial porque la masa de las botellas de última generación que almacenan el gas a 350 o 700 bares sigue siendo un orden de magnitud superior al hidrógeno que pueden contener. El hidrógeno líquido puede almacenarse en tanques aislados mucho más ligeros y a menor presión, normalmente hasta 5 bares. 

¿Será el hidrógeno sólo apto para aviones de corto alcance?

El informe de McKinsey «Hydrogen Powered Aviation» de 2020 sugería que se seguiría prefiriendo el SAF al hidrógeno para los aviones de medio y largo alcance. Argumentaba que el peso y el volumen de los grandes tanques de hidrógeno líquido serían prohibitivos y que el repostaje de los mismos llevaría demasiado tiempo. Sin embargo, el proyecto ENABLEH2 y el estudio FlyZero del Instituto de Tecnología Aeroespacial del Reino Unido han considerado que sería posible utilizar tanques de hidrógeno líquido más ligeros. Los sistemas robóticos de reabastecimiento de combustible para aviones más grandes deberían superar las limitaciones de peso y flujo de combustible de las mangueras de combustible manejadas manualmente, lo que permitiría dar vueltas más rápidas.

¿Cuándo podrán los pilotos de SEPLA pilotar aviones de hidrógeno?

El proyecto Fresson de Cranfield pretende que un Britten Norman Islander modernizado con pilas de combustible de hidrógeno vuele el año que viene y esté certificado para operar con pasajeros en 2025. Los aviones comerciales más grandes que utilizan hidrógeno líquido tardarán más en desarrollarse. Airbus y CFM International pretenden tener uno en servicio en 2035 si el demostrador de vuelo del A380 para «ZEROe» vuela con éxito en 2027. Para 2050 podríamos ver flotas importantes de aviones alimentados con hidrógeno líquido, quizás incluyendo algunos diseños de segunda generación como el concepto ENABLEH2 BWB con propulsión distribuida turboeléctrica superconductora.

Autor:

Andrew Rolt, MA. PhD. CEng. MIMechE.

Investigador principal de tecnologías de propulsión de aeronaves de bajas emisiones.

Universidad de Cranfield.

Biografía:

Tras licenciarse en la Universidad de Cambridge en 1975, Andrew Rolt se incorporó a Rolls-Royce en Derby, Inglaterra, donde trabajó en el diseño de componentes, el diseño preliminar de motores aéreos y la investigación estratégica. En años posteriores, trabajó con los Centros Tecnológicos Universitarios de Rolls-Royce y otros socios en varios proyectos de la UE que investigaban nuevas tecnologías de propulsión. Andrew se incorporó a la Universidad de Cranfield en 2015 y ahora trabaja en su Centro de Ingeniería de Propulsión y Energía Térmica.

El proyecto ENABLEH2 recibe financiación de Horizonte 2020, Programa de Investigación e Innovación de la Unión Europea, en virtud del acuerdo de subvención n.º 769241.