El hidrógeno va a ser el combustible del futuro en la aviación. Todos somos conscientes de ello y de que tendrá un gran impacto en todo el sector aeronáutico, que habrá de prepararse para las infraestructuras y procedimientos adecuados para su fabricación, distribución y almacenaje. A cambio, será un protagonista de primer nivel en el viaje hacia la descarbonización.
Desde finales del siglo pasado, el sector aeronáutico está embarcado en una carrera hacia la reducción de su impacto sobre el medio ambiente y, muy especialmente, en lo relativo a la descarbonización del transporte aéreo. Son muchas las líneas de trabajo en marcha para ese fin y, entre ellas, la relativa al uso del hidrógeno como combustible es una de las más atractivas y prometedoras.
Aunque quedan desafíos por superar en relación con el uso del hidrógeno como combustible de aviación, no cabe duda de que tendrá un protagonismo claro en el camino hacia la descarbonización.
El hidrógeno es el elemento más ligero, básico y común del universo y su forma molecular H2O, una fuente de energía con mucho futuro porque no contamina. Sin embargo, el hidrógeno no es una fuente de energía primaria, aunque sirve para conservar la energía producida por otras fuentes, tanto renovables (dando lugar al denominado hidrógeno verde) como no renovables (los hidrógenos azul y gris).
La teoría es sencilla. Las aeronaves pueden volar mediante el uso de celdas de combustible de hidrógeno para generar energía eléctrica, que posteriormente se puede utilizar para impulsar los motores del avión. Las pilas de combustible convierten el hidrógeno y el oxígeno en electricidad, con agua y calor como únicos subproductos. Sin duda, es una alternativa más respetuosa con el medio ambiente que los combustibles tradicionales para aviones (la mayoría hidrocarburos de origen fósil), que liberan gases de efecto invernadero y contribuyen al cambio climático. Sin embargo, aún existen desafíos que deben abordarse, entre ellos la disponibilidad limitada de infraestructuras de combustible de hidrógeno (fabricación y almacenaje fundamentalmente).
Un resumen básico de cómo funciona el proceso es el siguiente:
- El hidrógeno se almacena a bordo de la aeronave en tanques.
- El hidrógeno alimenta a una celda de combustible, donde reacciona con el oxígeno para producir electricidad.
- La electricidad producida por la celda de combustible alimenta un motor eléctrico, que impulsa las hélices o turbinas de la aeronave.
- Los únicos subproductos de esta reacción son agua y calor, que se expulsan de la aeronave.
Este proceso, por tanto, se basa en una fuente de energía limpia y eficiente para la aeronave, sin las emisiones de los combustibles de aviación tradicionales. Sin embargo, el uso de hidrógeno en la aviación aún se encuentra en fase de desarrollo y existen algunas barreras por superar.
Una de ellas, el almacenamiento en la propia aeronave o en las instalaciones del aeropuerto, plantea los siguientes retos:
- Baja densidad: en condiciones normales, el hidrógeno es un gas ligero que ocupa un gran volumen en relación con su masa. Esto hace que sea difícil de almacenar de forma compacta, ya que requiere contenedores grandes para contener una cantidad significativa de combustible. El uso de hidrógeno criogénico (líquido) reduce significativamente este problema al disminuir volumen y presión necesarios.
- Alta presión: como consecuencia de lo anterior, para almacenar hidrógeno en forma compacta, debe comprimirse a altas presiones, lo que requiere tanques pesados y especializados. También es algo que se minimiza usándolo en estado líquido.
- Temperatura fría: el hidrógeno criogénico implica que debe almacenarse a temperaturas extremadamente bajas para mantener un volumen más reducido y evitar la acumulación de presión.
- Alta reactividad: el hidrógeno es altamente reactivo, lo que significa que puede combinarse fácilmente con otros elementos y puede causar reacciones no deseadas (incluso explosiones) si no se almacena adecuadamente.
- Costo: Actualmente, almacenar hidrógeno de manera segura y eficiente es costoso debido al equipo especializado y la infraestructura requerida.
- Diseño de los tanques de combustible: Los requerimientos para el almacenamiento del hidrógeno no permiten, al menos de momento, pensar en el uso tradicional de las alas como depósito de este combustible, sino que obligaría a utilizar tanques que irían en el propio fuselaje de la aeronave.
La solución que reduce algunos de estos inconvenientes es utilizar hidrógeno criogénico, esto es, licuado a una temperatura en torno a -253°C. En este caso, la principal ventaja es que el tanque criogénico se someterá a una presión inferior, dado que los líquidos son menos comprimibles que los gases. Se trata de una solución de almacenamiento que es común en el sector espacial y ahora está encima de la mesa ante la posibilidad de incorporar el hidrógeno como opción energética en el ámbito de la aeronáutica. Desde luego, el uso del hidrógeno criogénico es, a priori, una alternativa más atractiva y lógica que el tanque presurizado por razones de espacio y seguridad.
Los desafíos anteriormente mencionados hacen que el almacenamiento de hidrógeno sea un proceso complejo y costoso, lo que ha limitado hasta ahora su uso generalizado como fuente de combustible. Sin embargo, se están realizando esfuerzos de investigación y desarrollo para mejorar la tecnología de almacenamiento de hidrógeno de modo que pueda ser más accesible y asequible.
Pero antes de llegar a ese punto, hay que valorar también las dificultades para su producción.
Actualmente, el método más común para producir hidrógeno es a través del reformado de metano con vapor, que consiste en convertir el gas natural en hidrógeno. Este método es relativamente barato, pero tiene como gran inconveniente que produce dióxido de carbono como subproducto, lo que contribuye al cambio climático y nos lleva de nuevo a la casilla de salida. Cuando la energía necesaria para el proceso de electrolisis se consigue mediante combustibles fósiles con la consecuente emisión de CO2 a la atmósfera, se le denomina “hidrógeno gris”.
Una alternativa más respetuosa con el medio ambiente es el llamado “hidrógeno verde”. El método mediante el que se produce utiliza la corriente eléctrica para separar el hidrógeno del oxígeno que hay en el agua, por lo que, si la electricidad necesaria es obtenida de fuentes renovables, produciremos finalmente energía sin emitir dióxido de carbono a la atmósfera. Si todo el hidrógeno generado en el mundo fuera “verde” se ahorrarían los 830 millones de toneladas anuales de CO2 emitidos a la atmósfera, comparado a cuando se produce utilizando combustibles fósiles. El problema de fondo es que reemplazar todo el hidrógeno gris mundial por hidrógeno verde significaría una demanda de energía renovable de unos 3.000 TWh adicionales al año, algo así como la demanda total de Europa actualmente. A medida que mejoren la tecnología y la infraestructura, es previsible que el coste disminuya, lo que hará que el hidrógeno sea una alternativa más asequible con relación a los combustibles tradicionales.
Entre los hidrógenos gris y verde, se encuentra el denominado hidrógeno azul, que es aquel que se produce utilizando como fuente de energía algún combustible fósil, pero se realiza sin la emisión de gases de efecto invernadero, especialmente dióxido de carbono, a la atmósfera.
Se espera que el uso de hidrógeno como fuente de combustible en la aviación evolucione de las siguientes maneras:
- Mayor adopción: a medida que haya más infraestructura de combustible de hidrógeno disponible, se espera que el uso de hidrógeno en la aviación se generalice, lo que conducirá a una reducción de las emisiones de gases de efecto invernadero y una mejora en la calidad del aire.
- Tecnología mejorada: Se espera que el desarrollo de celdas de combustible de hidrógeno las haga mejores y más eficientes. También los avances en el almacenamiento y transporte de hidrógeno harán más fácil y rentable el uso de hidrógeno como fuente de combustible para la aviación.
- Nuevos diseños de aeronaves: el uso de hidrógeno como fuente de combustible puede conducir al desarrollo de nuevos diseños de aeronaves que estén optimizados para los sistemas de celdas de combustible de hidrógeno. También se evolucionará hacia aviones más livianos y con mayor eficiencia de combustible.
- Costos reducidos: a medida que mejoran la tecnología y la infraestructura para el combustible de hidrógeno en la aviación, es de esperar que el costo del uso del hidrógeno disminuya, convirtiéndolo en una alternativa más asequible para su uso en aviación.
- Nuevas configuraciones y sistemas aéreos de transporte. En años recientes ha surgido un nuevo tipo de movilidad que va a contribuir también a un desarrollo en el uso del hidrógeno en el transporte aéreo aportando nuevos conceptos, más allá del de la aviación tradicional. Se trata de la Movilidad Aérea Avanzada AAM. La energía generada por células de hidrógeno puede cambiar las reglas del juego para los eVTOL (aeronaves eléctricas de despegue y aterrizaje vertical). La propulsión eléctrica distribuida permite configuraciones de aeronaves novedosas que deberían ser más eficientes, seguras y silenciosas.
Como hemos podido ver, el hidrógeno tiene un gran potencial en aviación en su utilización en tecnologías de celdas de combustible, pero no es la única alternativa. Compañías como Airbus también están trabajando en un avión sin emisiones que estará equipado con nuevos motores que usarán directamente hidrógeno como combustible, no con células de hidrógeno que produzcan electricidad. Tienen previsto que esta tecnología esté a punto en 2035.
Por último, hay que mencionar lo que supondrá en los aeropuertos el uso del hidrógeno. Gestionar su fabricación, almacenamiento y distribución en un aeropuerto también va a ser un reto en los próximos años. Desde luego, no va a ser tan sencillo como ocurre hoy en día con el combustible fósil, que está a temperatura ambiente.
Es previsible que habrá aeropuertos que dispondrán de instalaciones para la fabricación de hidrógeno y podrán servirlo directamente a las aeronaves. La tendencia actual a incrementar las instalaciones de energías renovables en los aeropuertos de todo el mundo propiciará que una gran cantidad sea hidrógeno verde. Sin embargo, habrá otros aeropuertos que deberán comprarlo y requerirán de procedimientos de distribución e instalaciones adecuadas para su almacenaje.
En general, la evolución de la aviación con hidrógeno tiene el potencial de reducir el impacto de la industria en el medio ambiente y crear nuevas oportunidades para la innovación en el diseño de aeronaves y sistemas de combustible. Hay muchos desafíos que superar, pero el hidrógeno promete energía abundante, limpia y sostenible, con vapor de agua como único subproducto. Es tentador ¿verdad?
Para conocer más detalles sobre el futuro del hidrógeno en la aviación, es especialmente recomendable el informe de mayo 2020 de Clean Sky 2 (ahora Clean Aviation) sobre este tema, que se puede descargar y leer aquí.
