La electrificación de los aviones: ¿Una auténtica revolución?

 

La electrificación de los aviones: ¿Una auténtica revolución?

 

El transporte aéreo es responsable de aproximadamente el 3% de las emisiones globales de CO2. Al liberarse a grandes altitudes de crucero, los efectos del CO2, el polvo fino, los óxidos de nitrógeno y otros contaminantes sobre el clima son cinco veces más fuertes que en tierra. Los fabricantes de aviones llevan mucho tiempo trabajando para que volar sea más respetuoso con el medio ambiente. Motores a reacción tecnológicamente optimizados, recubrimientos especiales para mejorar la aerodinámica e inversiones en combustibles innovadores como SAF (Sustainable Air Fuels) o combustibles de aviación con bajas emisiones de carbono han reducido significativamente el consumo de energía y las emisiones contaminantes. Pero ¿son suficientes para compensar los efectos del transporte aéreo que, según la IATA, se está recuperando rápidamente a escala mundial después de la caída durante la pandemia? Los estrictos objetivos de emisiones, como el compromiso de las aerolíneas de alcanzar cero emisiones netas de carbono para 2050 o el programa Flightpath 50 de la UE (reducción del 75 % de CO2 en comparación con 2000 para 2050), probablemente solo se lograrán con una investigación e inversión masivas en sistemas de propulsión híbridos o totalmente eléctricos.

  Las innovaciones que harán posible esta próxima generación de aviones sostenibles implicarán cambios en todos los elementos de la aeronave: sistemas de propulsión, estructuras y estrategias de vuelo.

 ¿La energía de las baterías, el factor limitante?

Los sistemas de propulsión eléctricos se han considerado durante mucho tiempo inadecuados para el transporte aéreo. Sin embargo, las empresas emergentes innovadoras lograron demostrar su viabilidad a pequeña escala, presionando así a los grandes fabricantes de aviones y a sus proveedores de sistemas de propulsión para que se lo piensen dos veces e inviertan en investigación y desarrollo. Siemens, por ejemplo, lanzó un motor eléctrico de 50 kg con una potencia de 260 kW que puede operar directamente aviones más pequeños de hasta dos toneladas.

 Las ventajas de los motores eléctricos frente a las turbinas de gas son obvias:

Emisiones contaminantes cero a nivel local (por parte del avión);

Reducción considerable del ruido;

Menores costes de producción, mantenimiento y reparación gracias a un menor número de piezas móviles y diseños menos complejos;

Potencia de salida fiable independientemente de la densidad del aire, la velocidad o la temperatura;

La distribución de los propulsores a lo largo del ala aumenta la sustentación y la eficiencia de la propulsión; las alas y las unidades de cola pueden ser más pequeñas, lo que reduce el peso y la resistencia.

 La contrapartida es, por supuesto, el suministro y el almacenamiento de energía. La energía almacenada en baterías de iones de litio disponibles comercialmente no solo es 60 veces más pesada que su equivalente en combustibles, sino que la densidad energética (250-270 Wh/kg) también es significativamente menor (250-270 Wh/kg frente a 12.000 Wh/kg). A eso hay que añadir una difícil gestión de la temperatura. Aunque la eficiencia de las baterías está mejorando aproximadamente entre un 5 y un 8 % por año y ahora son adecuadas para vuelos de corta y media distancia, los expertos afirman que desarrollar una nueva tecnología de baterías para vuelos de larga distancia totalmente eléctricos llevará décadas y enormes presupuestos.

 

¿Completamente eléctrico o híbrido? La autonomía como factor decisivo

Durante la última década se han puesto en marcha numerosos proyectos totalmente eléctricos o híbridos, la mayoría de ellos todavía en fase de desarrollo. En comparación con sus fechas previstas, la puesta en servicio de muchos se ha retrasado, algunos se han cancelado, pero otros han sido certificados y están en producción.

 La propulsión totalmente eléctrica se utiliza, por ejemplo, en los VTOL (despegue y aterrizaje verticales), lo que abrirá un segmento de mercado completamente nuevo como taxis aéreos o de transporte con una capacidad reducida de hasta 5 plazas, pero un MTOW (peso máximo de despegue) de 2.000 kg y una autonomía máxima de 300 km.

 Otro ejemplo de avión experimental totalmente eléctrico es el X-57 Maxwell de la NASA, propulsado por dos baterías de iones de litio de 181 kg en la cabina del avión. Aunque el proyecto X-57 Maxwell finalizó en septiembre de 2023, su principal objetivo era recopilar conocimientos sobre el diseño de la propulsión eléctrica y la aeronavegabilidad de la aeronave. Esta valiosa información ya ha influido y seguirá influyendo en el avance de los métodos de certificación para la propulsión eléctrica en los mercados emergentes.

 Las iniciativas para los grandes aviones comerciales se centran en los sistemas de propulsión híbridos-eléctricos que permiten mayores alcances al tiempo que ahorran combustible y reducen las emisiones. Sin embargo, su desarrollo llevará más tiempo y es poco probable que entren en servicio antes de 2030. Y aunque son prometedores, no necesariamente tendrán éxito, como el proyecto E-FanX iniciado por Airbus, Rolls-Royce y Siemens en 2017. La idea era reemplazar una de las 4 turbinas de gas con un motor eléctrico de 2 MW. Los motores a reacción restantes alimentaban un generador para producir electricidad. El proyecto se interrumpió en 2020.

 

En resumen, las turbinas a reacción de gas seguirán siendo el sistema de propulsión estándar de largo alcance en el futuro previsible. El uso de SAF ayudará a reducir el impacto climático hasta cierto punto. Los aviones de mayor alcance utilizarán sistemas híbridos. Se espera que su consumo de combustible disminuya aproximadamente un 25%. Sin embargo, ya están en funcionamiento o lo estarán muy pronto aviones totalmente eléctricos de corto y medio alcance con poca capacidad de asientos. Y aunque los ciclos de vida de los productos de unos 30 años probablemente impedirán que los sistemas de propulsión eléctricos o híbridos se utilicen de forma generalizada antes de 2050, los expertos predicen que alrededor del 45% de todos los aviones serán al menos híbridos eléctricos para 2035. Parece probable que la tecnología cambie fundamentalmente el transporte aéreo.

 

Pruebas de sistemas de propulsión de aeronaves eléctricas

Al igual que con los sistemas de propulsión de aeronaves convencionales, las pruebas y la validación son fundamentales durante las fases de diseño y creación de prototipos. Sin embargo, existen grandes diferencias entre las pruebas de los sistemas de propulsión eléctrica convencionales y los distribuidos. Las baterías del avión X-57 de la NASA, por ejemplo, tuvieron que ser validadas para garantizar que alimentaran de forma segura todo un perfil de vuelo y que los aumentos de temperatura no provocaran una fuga térmica. Los ingenieros tuvieron que probar y validar cada componente de la propulsión eléctrica, así como todo el sistema eléctrico, para predecir cualquier desafío de integración del sistema. Si bien no existen pruebas estandarizadas para la propulsión totalmente eléctrica o híbrida, otras como la GVT (prueba de vibración terrestre) son obligatorias para lograr la aeronavegabilidad, independientemente del sistema de propulsión.

 

 Pruebas de eficiencia

Un sistema de propulsión eléctrica consta de una fuente de energía (batería), un inversor, una máquina eléctrica (motor) y una hélice. Evaluar los componentes individuales y comprender cómo funcionan como un sistema es crucial para optimizar la eficiencia. Cuanto más eficiente sea el sistema en general, mayor será la autonomía de vuelo. Para evaluar su eficiencia, se realizan pruebas durante el arranque del motor, el estado estable y los eventos de falla. La ejecución de estas pruebas además de los mapas de eficiencia tradicionales permitirá a los ingenieros optimizar la operación durante todo el vuelo.

 

Pruebas electromecánicas

Las máquinas eléctricas crean empuje para propulsar la aeronave, pero también generan vibración y calor. Estas propiedades mecánicas deben controlarse para garantizar la seguridad de la aeronave. Las propiedades térmicas y de vibración del tren de potencia son creadas por la máquina, pero están influenciadas por los voltajes y las corrientes del inversor. La salida de un inversor puede crear más o menos ondulación de par, lo que da como resultado diferentes vibraciones. Los controles del inversor menos eficientes darán como resultado un mayor calentamiento. La relación entre el inversor y el funcionamiento mecánico ha dado como resultado que muchos ingenieros caractericen las señales eléctricas y mecánicas en un solo lugar. El analizador de potencia permite a los ingenieros medir todas estas señales en un solo lugar para que puedan optimizar la eficiencia y, al mismo tiempo, permitir un funcionamiento mecánico seguro de la aeronave.

 

Voltaje

Un voltaje más alto reduce la corriente y el tamaño del cableado necesario para distribuir la energía a través de una aeronave eléctrica. La propulsión de aeronaves eléctricas actualmente opera a hasta 900 V, pero se está mirando hacia el futuro, donde podría operar hasta 5 kV y se han iniciado las primeras investigaciones en 10 kV. Estos altos voltajes plantean desafíos de medición y también preocupaciones de seguridad para la aeronave. Para desarrollar un tren motriz de alto voltaje que sea seguro, será necesario realizar pruebas significativas de durabilidad y fallas. Estas pruebas serán destructivas y deberán ser seguras tanto para los ingenieros como para el equipo de prueba.

 

Integridad estructural

Las aeronaves de despegue y aterrizaje verticales eléctricos (eVTOL) tienen diseños radicales o no convencionales en los que pueden tener múltiples motores en cada ala. Los motores pueden girar verticalmente para el despegue y luego girar horizontalmente para el movimiento de avance.

 

¿Cómo afecta la propulsión distribuida a la aerodinámica? ¿Cuáles son las implicaciones en el aleteo clásico y el aleteo en remolino?

Debido a estos nuevos diseños no convencionales, las características estructurales de la aeronave son totalmente diferentes de los diseños convencionales (sin motores o con uno o dos motores en las alas). La masa adicional y la distribución de estos motores pueden hacer que los modos de aleteo clásico tengan una frecuencia más baja y, dado que estos motores se basan en hélices para mayor eficiencia, estas aeronaves son más susceptibles al aleteo en remolino. La mayoría de estos motores tienen un rango de RPM con un contenido de frecuencia que está en el mismo rango de frecuencia que los modos estructurales de la aeronave. Si un modo de aleteo se activa durante demasiado tiempo, la aeronave podría sufrir una falla catastrófica. Por lo tanto, hacer predicciones de aleteo basadas en mediciones integrales es fundamental para adaptar el diseño del avión en una etapa temprana del desarrollo.

 

Traducción de artículo en: https://www.hbkworld.com/en/knowledge/resource-center/articles/aircraft-electrification-a-real-revolution

                              -----------------------------------------------

Ricardo Berizzo

Ingeniero Electricista                                                                   2024.-