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Aviación propulsada por hidrógeno: viabilidad económica y energética

Javier Asperilla

Javier Asperilla

PMO Consultant / AERTEC

En más de una ocasión, en el momento de abordar la preocupante realidad del cambio climático, se habla sobre el papel que desempeña la aviación en las emisiones de gases de efecto invernadero. A pesar de los enormes avances en la eficiencia del transporte aéreo (diseños, motores, aerodinámica, etc.), el sector se enfrenta a un incremento en las emisiones debido al aumento en la demanda de transporte aéreo. Este contexto subraya la necesidad imperiosa de innovaciones más radicales. Una de las oportunidades que muchos ponen encima de la mesa es el uso del hidrógeno como una solución potencialmente adecuada para la aviación. Su uso como vector energético representa una oportunidad para reducir significativamente las emisiones de carbono en este sector tan relevante para la economía mundial.

El equilibrio entre la eficiencia energética y la creciente demanda de vuelos continúa siendo un desafío significativo.

Las emisiones en el transporte aéreo han mostrado una tendencia creciente, aunque los incrementos son relativamente modestos. Según datos recientes de IBA, las emisiones de CO2 en el sector de la aviación comercial promediaron 144.2 gramos por asiento por milla (unos 267,06 g por asiento/kilómetro) en febrero de 2022, con un aumento en la intensidad de carbono por asiento de casi un 0.3%​​. Este aumento marginal se debe en parte a una reducción en las operaciones de aviones de nueva generación y a una disminución en la longitud de las etapas de vuelo.

Por otro lado, la Agencia Internacional de Energía (IEA) señala que a pesar de las mejoras evidentes en la eficiencia del combustible, no han sido suficientes para contrarrestar el crecimiento en la demanda de energía en años recientes. Entre 2010 y 2019, la eficiencia del combustible mejoró en promedio un 1.8% por año, pero la demanda creció a un ritmo de más del 5% anual. Para mantenerse en línea con el escenario de emisiones netas cero, la eficiencia necesitará mejorar a un ritmo del 2% por año hasta 2030​​.

El hidrógeno, con su alta densidad de energía y cero emisiones contaminantes, se perfila como un elemento clave para abordar los desafíos medioambientales actuales.

Estos datos resaltan la complejidad de los retos que tenemos por delante al abordar las emisiones en el sector de la aviación, donde el equilibrio entre la eficiencia energética y la creciente demanda de vuelos continúa siendo un desafío significativo. Llegados a este punto, los aviones impulsados por hidrógeno emergen como un elemento a tener en cuenta  en el rompecabezas de la aviación sostenible. El hidrógeno, con su alta densidad de energía y cero emisiones contaminantes, se perfila como un elemento clave para abordar los desafíos medioambientales actuales. A medida que exploramos este emocionante terreno, nos adentramos en un mundo donde la aviación no solo conecta a las personas, sino que también es cada vez más respetuosa con nuestro planeta.

Fundamentos del Hidrógeno como Combustible

El hidrógeno es considerado un vector energético debido a su capacidad de almacenar y transportar energía generada de otras fuentes. A diferencia de los combustibles fósiles, que son fuentes primarias de energía, el hidrógeno debe ser producido previamente, generalmente por electrólisis del agua (proceso que consume energía). En términos de densidad energética, el hidrógeno tiene una ventaja significativa: por unidad de masa, ofrece casi tres veces la energía del jet convencional. Sin embargo, su baja densidad volumétrica presenta desafíos en términos de almacenamiento y distribución. En cuanto a emisiones, la combustión del hidrógeno produce solo vapor de agua, lo que lo convierte en una opción atractiva para reducir las emisiones de gases de efecto invernadero en la aviación, aunque su producción actual depende mayormente de fuentes no renovables. La transición al hidrógeno como combustible en la aviación, por lo tanto, depende críticamente de la sostenibilidad y eficiencia de su cadena de suministro.

Desafíos de Diseño y Restricciones Activas: El uso de hidrógeno como combustible implica desafíos de diseño y restricciones activas diferentes en comparación con los aviones impulsados por queroseno convencional. Estas diferencias se deben principalmente a la mayor energía específica del hidrógeno (energía por unidad de masa) y a los desafíos únicos de almacenamiento​​.

Densidad Energética y Peso del Hidrógeno: Aunque la densidad energética del hidrógeno es aproximadamente cuatro veces menor que la del queroseno, su energía por unidad de masa es casi tres veces mayor. Esto significa que, para la misma cantidad de energía necesaria para volar, el peso del hidrógeno necesario es solo un tercio del peso del queroseno requerido​​.

Uso de Energía en Vuelos de Larga Distancia: Se prevé que el hidrógeno y un menor peso de despegue puedan resultar en un uso de energía más bajo para vuelos de larga distancia en comparación con el queroseno. Sin embargo, para aviones más pequeños y vuelos de corto alcance, esto puede no ser cierto debido a la complejidad y el rendimiento del almacenamiento de hidrógeno​​.

Costos de Mantenimiento y Operación: Debido a su complejidad adicional, se espera que los tanques de hidrógeno y los fuselajes tengan mayores costos de mantenimiento y adquisición. La integración del tanque con el fuselaje agrega nuevos retos de diseño, lo que puede resultar en una disminución del costo operativo directo para aviones de gran alcance, asumiendo que el hidrógeno esté a la par con el queroseno en términos de costo por unidad de energía​​.

Densidad Volumétrica del Hidrógeno y Almacenamiento: El hidrógeno tiene una densidad volumétrica de energía extremadamente baja a temperatura y presión ambiente. Para reducir el volumen requerido, el hidrógeno puede ser comprimido como gas o enfriado para convertirlo en líquido. Por ejemplo, el volumen necesario para almacenar la energía que un Boeing 777-200ER lleva en queroseno sería equivalente a aproximadamente 500 fuselajes si se almacena como hidrógeno a temperatura y presión ambiente.

Almacenamiento de Hidrógeno Comprimido: Comprimir el hidrógeno a altas presiones es una forma de aumentar su densidad para el almacenamiento a bordo. Los tanques de hidrógeno comprimido operan a temperaturas ambiente y requieren menos gestión activa que el hidrógeno líquido (LH2). Sin embargo, estos tanques requieren diseños resistentes a altas presiones y tienen eficiencias gravimétricas bajas​​.

Almacenamiento de Hidrógeno Criogénico (LH2): El almacenamiento criogénico de hidrógeno ofrece ventajas sobre el almacenamiento de gas comprimido, como una mayor densidad y la posibilidad de almacenamiento a presiones cercanas al ambiente. Sin embargo, esto requiere un aislamiento significativo y un diseño cuidadoso del sistema de combustible, especialmente para aeronaves de transporte comercial más grandes, que son sensibles al peso​​.

Distribución e Infraestructura

El informe del Instituto de Tecnología Aeroespacial FlyZero subraya la importancia crucial de desarrollar una infraestructura adecuada para la producción y gestión del hidrógeno en los aeropuertos, como un paso esencial para la transición hacia una aviación sostenida por hidrógeno.

Un componente vital en esta infraestructura es la logística para la entrega de hidrógeno líquido (LH2) a los aeropuertos. Este desafío logístico podría abordarse mediante el transporte de LH2 a los aeropuertos usando camiones especializados o a través de tuberías dedicadas. Una vez en el aeropuerto, el LH2 requeriría de sistemas de almacenamiento seguros y eficientes, seguido de un proceso de transferencia adecuadamente protocolizado y seguro a las aeronaves.

En términos de seguridad, la manipulación del LH2 tiene sus peculiaridades. Un aspecto favorable es que, en caso de derrame, el LH2 se vaporiza rápidamente y el hidrógeno gaseoso resultante, debido a su baja densidad, asciende y se dispersa en la atmósfera, minimizando significativamente el riesgo de incendio. Aunque los incendios de hidrógeno alcanzan temperaturas más elevadas en comparación con los de queroseno, el hidrógeno no forma charcos, lo que elimina el riesgo de incendios prolongados en el suelo, un peligro presente con el queroseno. En consecuencia, la radiación térmica generada por un incendio de queroseno puede ser más peligrosa a largo plazo que la de un incendio de hidrógeno, a pesar de la menor temperatura del primero.

Una alternativa para el suministro de hidrógeno en los aeropuertos es recibir hidrógeno gaseoso (GH2) que luego sería licuado en el lugar. Esta configuración permite una mayor flexibilidad en la gestión del combustible, ya que el GH2 se puede almacenar a temperaturas y presiones más manejables antes de ser convertido en hidrógeno líquido (LH2) para su uso en aeronaves.

Los tanques de hidrógeno comprimido funcionan a temperaturas ambiente, lo que reduce la necesidad de una gestión activa en comparación con el hidrógeno líquido (LH2). Estos tanques pueden permanecer por períodos prolongados sin necesidad de ser ventilados o rellenados, simplificando la gestión del combustible en los aviones. Sin embargo, el hidrógeno comprimido requiere tanques pesados y resistentes a la presión para garantizar la seguridad. Estos tanques tienen eficiencias gravimétricas bajas, entre 1% y 10%, aunque podrían alcanzar entre 10% y 20% con técnicas avanzadas de diseño y fabricación​​.

Materiales y Presión de los Tanques: Los tanques de almacenamiento deben ser fabricados con materiales que puedan soportar altas presiones. A modo de comparación sencilla, la presión en los tanques de hidrógeno comprimido puede ser hasta de 700 bar (aproximadamente 700 veces la presión atmosférica al nivel del mar). Esta presión es necesaria para mantener el hidrógeno en un estado densificado que facilite su almacenamiento y manejo.

Pérdidas por Permeación: Un desafío con el almacenamiento de hidrógeno es la permeabilidad y la embrittlement (fragilización) de los materiales. La permeabilidad ocurre porque las moléculas de hidrógeno son muy pequeñas y algunas pueden atravesar las paredes del tanque. Las tasas de permeación razonables para los tanques de LH2 en vehículos de lanzamiento permiten pérdidas de aproximadamente 0.25% del volumen del tanque durante el ascenso y la inserción en órbita​​.

La producción de hidrógeno directamente en los aeropuertos, combina el desarrollo de una infraestructura de producción de hidrógeno en el mismo aeropuerto, con la posible implementación de electrolizadores que convierten el agua en hidrógeno y oxígeno mediante electricidad, preferentemente de fuentes renovables para optimizar la sostenibilidad. Esta configuración implica no solo la creación de las instalaciones para la generación de hidrógeno, sino también los sistemas necesarios para su almacenamiento y distribución a las aeronaves. Esta opción de producción in situ presenta ventajas significativas, como la reducción de costos y emisiones vinculadas al transporte del hidrógeno a los aeropuertos, y ofrece mayor flexibilidad y control sobre el suministro de combustible, aspectos críticos en el contexto aeroportuario donde la confiabilidad y la eficiencia son primordiales. Sin embargo, establecer tal infraestructura representaría una inversión significativa.

Reducción de la Huella de Carbono: Cuando la electricidad empleada en la generación de hidrógeno proviene de fuentes renovables, el proceso de producción local de hidrógeno adquiere una dimensión más sostenible, contribuyendo significativamente a la reducción de la huella de carbono. Esta sostenibilidad se potencia aún más si se utiliza el excedente de energía renovable, que de otro modo permanece sin aprovechar, para almacenarlo en forma de hidrógeno. Este enfoque no solo aumenta la eficiencia del proceso de conversión de energía, sino que también maximiza el uso de recursos renovables disponibles, transformando efectivamente el excedente en un activo valioso para la sostenibilidad energética.

Eficiencia en Vuelo y Rendimiento Comparativo

Métodos de Propulsión: Se utilizan principalmente dos métodos para convertir el hidrógeno en empuje: la combustión en turbinas de gas y las células de combustible de hidrógeno. Las turbinas de gas, que ya se usan en aeronaves comerciales, pueden ser adaptadas para quemar hidrógeno, modificando el sistema de combustión y el suministro de combustible​​.

Preferencia Según el Tipo de Aeronave: Las células de combustible suelen ser la opción dominante para aeronaves pequeñas y de corto alcance, mientras que la combustión de hidrógeno es más planteable en aeronaves grandes y de largo alcance​​.

Eficiencia de las Turbinas de Gas: Las turbinas de gas con hidrógeno tienen una potencia específica superior a otros métodos de propulsión, lo que las hace adecuadas para aeronaves de mayor tamaño y potencia. Un ejemplo es que el sistema de propulsión de células de combustible para una aeronave del tamaño de un Boeing 737-800 es aproximadamente tres veces más pesado que el sistema de turbina de gas equivalente​​.

Desarrollo y Pruebas en Motores de Combustión de Hidrógeno: Empresas como CFM, Rolls Royce y Pratt & Whitney están modificando motores turbofán existentes para funcionar con hidrógeno, y se planea probar estos motores en demostradores de aeronaves en los próximos años​​.

Beneficios de la Combustión de Hidrógeno en Turbinas de Gas: La combustión de hidrógeno en turbinas de gas puede reducir la temperatura del gas caliente que entra en la turbina, prolongando su vida útil y disminuyendo la frecuencia de mantenimiento. Además, el hidrógeno almacenado como líquido a bordo de la aeronave proporciona un gran sumidero de calor, lo que permite a los diseñadores de motores explorar formas creativas de aumentar el rendimiento​​.

Consumo Específico de Combustible (TSFC): El TSFC, una métrica crucial en el diseño de aeronaves, indica la tasa de flujo de masa de combustible requerida por unidad de empuje producido por el motor. El hidrógeno proporciona casi tres veces más energía que el mismo flujo de masa de queroseno, lo que hace que las comparaciones directas de TSFC entre combustibles con diferentes densidades energéticas sean inapropiadas​​.

Operación y Diseño de Células de Combustible: Las células de combustible de hidrógeno, especialmente las de membrana de intercambio de protones (PEMFC) y las de óxido sólido (SOFC), tienen características y retos únicos en su funcionamiento y diseño​​. Incluyen manejo de agua, pérdidas óhmicas, y limitaciones en la tasa a la que los reactivos pueden alcanzar los sitios de reacción​​.

Gestión Térmica y Diseño de Pilas de Combustible: La gestión térmica es un desafío clave, especialmente para las PEMFC de baja temperatura, que deben disipar una cantidad significativa de calor. Las placas bipolares, que forman la mayor parte del volumen y peso de la pila, se optimizan para entregar reactantes a los electrodos, manejar la refrigeración y limitar el peso​​.

Presión de Operación y Rendimiento de PEMFC: Aumentar la presión de operación de las PEMFC puede mejorar su rendimiento, pero con rendimientos decrecientes. Los desafíos incluyen

Al concluir nuestro análisis sobre la integración del hidrógeno en la aviación, destacamos la importancia del papel que puede llegar a jugar en la transición hacia una aviación más sostenible. Este enfoque representa un avance significativo, incidiendo de manera directa en la crisis climática. Aunque prometedor, el camino hacia una implementación efectiva del hidrógeno en la aviación es complejo, repleto de retos técnicos y operativos que requieren atención y soluciones innovadoras. Continuar la investigación y el desarrollo en este campo es esencial para lograr un equilibrio entre los beneficios que aporta el transporte aéreo y la conservación del medio ambiente.

Puedes saber más sobre este tema leyendo también nuestro post “El hidrógeno en el futuro del transporte aéreo” (clic aquí).

 

Hydrogen and aviation

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