El 16 de Enero se celebró en el Ministerio de Ciencia, Innovación y Universidades la Jornada de Descarbonización en la industria aeronáutica – Estado de las tecnologías en desarrollo. Estuvo organizada por el CDTI y la PAE.
Inauguró la Jornada Teresa Riesgo, Secretaria General de Innovación que hizo referencia al PERTE Aeroespacial. Señaló que, prácticamente, se han movilizado el 100% de los fondos asignados, de los cuales se han ejecutado alrededor del 91%, constatando el éxito de los diferentes instrumentos incluidos en el Plan. Confirmó la intención de las instituciones de dar continuidad al PTA, con cifras ajustadas al escenario presupuestario en el que ya no estarán disponibles los fondos europeos. MRR También mencionó la convocatoria para Ecosistemas de Innovación, actualmente abierta, y la próxima convocatoria del PTE (Plan Tecnológico Espacial) que esperan abrir en las próximas semanas.
La descarbonización
Lograr cero emisiones netas en la aviación es un reto formidable. Sólo se podrá conseguir mediante un conjunto de acciones: optimización de las operaciones aeroportuarias, de las rutas aéreas y, en las aeronaves. En definitiva: consumir menos energía y utilizar un mix energético (electrificación allí donde sea posible, hibridación, SAF, hidrógeno). La Jornada aborda los avances tecnológicos en las aeronaves.
Airbus (Jaume Marcos) pone en contexto las emisiones de la aviación en el conjunto global. La cifra de emisiones de la aviación es del orden de un 2,5% del total (depende de la fuente esta cifra oscile entre 2% y 3%). Aún siendo una cifra relativamente baja, el compromiso de todo el sector aeronáutico es conseguir que cero emisiones netas en el año 2050. Para conseguir esta reducción, es necesaria la colaboración de todo el ecosistema aeronáutico.
La reducción requiere actuar en varios ámbitos:
- Utilizar aviones de la última generación y seguir mejorando las aeronaves de una forma continua (la última generación de aeronaves es un 20% más eficiente que la anterior). La renovación de las flotas implica una reducción directa de las emisiones. Se espera una demanda de 40.000 aeronaves comerciales en los próximos 20 años.
- Operaciones aéreas e infraestructura. La utilización de rutas optimizadas gracias a desarrollos como los obtenidos en el programa SESAR permite una reducción del orden de un 6%
- Uso de SAF en las aeronaves permitiría una reducción del 48% en las emisiones. Los aviones ya están certificados para operar con una mezcla del 50% y Airbus espera certificar su flota para poder hacerlo con el 100% de SAF en 2030.
- Tecnologías disruptivas en avión: motores de alta derivación, mejoras en la eficiencia aerodinámica y estructural, hibridación, electrificación, ZEROe con pilar de combustible o propulsado por H2
Como cifra de referencia para valorar la capacidad de reducir emisiones, cabe mencionar que el uso de un avión como en A320Neo, en trayectorias optimizadas utilizando SAF permite reducciones de emisiones del 70%. Esto se ha comprobado en vuelos de demostración (Vueling ), de forma que ya en 2023 se pueden alcanzar estas reducciones (mucho antes de 2050)
Sistemas de propulsión
Abel Jiménez, de ITP Aero, presenta alguno de los proyectos en los que la empresa está trabajando. Por un lado, y como una continuidad al esfuerzo constante de la aeronáutica por ser más eficiente, citó al Ultra Fan, un demostrador que están desarrollando junto con Rolls Royce con una gran relación de derivación y que promete una reducción en el consume de un 25%.
Dado que la disponibilidad de SAF será limitada será necesario utilizar sistemas propulsivos diferentes para las distintas aplicaciones: Propulsión eléctrica para aviones conmuter, eVTOL y aviación general, Híbrida para vuelos regionales, SAF + H2 en vuelos de corta y media distancia y SAF para vuelos transoceánicos.
Los diferentes proyectos que están en marcha tienen el objetivo de dotar a la empresa de capacidades y caracterizar el comportamiento de los distintos sistemas propulsivos: bancos de ensayo para motores de H2, laboratorio para H2 con TRLs bajos, utilización del H2 para unidades de potencia auxiliar (APUs)
Tecnologías en aeronaves
Miguel Ángel Castillo (Aernnova) explicó de los trabajos en la aeronave. Recordando las fórmulas de Breguet señaló que la reducción en las emisiones puede conseguirse aumentando la eficiencia de los motores, mejorando la aerodinámica (reducción de la resistencia aerodinámica) y mejorando la estructura (reduciendo el peso)
Aernnova trabaja en los 2 últimos puntos: nuevos materiales, estructuras alares esbeltas de alta relación de aspecto, flujo laminar, control activo del flujo así como nuevos procesos productivos: alta cadencia, productividad, competitividad, flexibilidad, digitalización y sostenibilidad.
Las mejoras en materiales compuestos se abordan en FIDAMC (Patricia Tabarés) en 4 bloques temáticos:
- Tanques para almacenamiento de H2: aislamiento térmico para poder alojar LH2, nuevos materiales con menor permeación, menor microcraqueo, desarrollo de tecnologías de encintado, desarrollo de elementos, insertos y conducciones, caracterización, sensorización e integridad estructural
- Reciclado y reutilización de componentes en nuevas aplicaciones, fragmentando los residuos para poder ser utilizados en procesos industriales
- Procesos de fabricación de composites termoplásticos. El interés en estos materiales está en que pueden reciclarse para volver a fundir su matriz. También permiten una alta integración estructural y emplear procesos de fabricación más eficiente (In Situ Consolidation)
- Mejoras aerodinámicas y estructuras integradas que aumentan la eficiencia energética: alas que puedan adaptarse a las condiciones de vuelo para reducir la resistencia aerodinámica
La Directora de la Escuela Técnica Superior de Ingenieros Aeronáuticos y Espaciales (ETSIAE, de la UPM) presentó las distintas líneas de investigación de la escuela que contribuyen a la descarbonización.
Resaltó las capacidades del Laboratorio de Combustión y Mecánica de Fluidos con una larga y prestigiosa experiencia investigadora, iniciada por el Prof. Amable Liñán (premio Príncipe de Asturias). En la actualidad trabaja en distintos proyectos y colabora con empresas como Airbus. Cabe citar los proyectos: GreenH2 (Combustión H2), CHAC (Combustión supersónica)
El grupo de investigación sobre diseño conceptual de aviones y RPAS trabaja en configuraciones no convencionales de aeronaves, VTOL, RPAS, trabajando con entidades como Airbus, Boeing,, INDRA, Tecnalia, DroneHopper, Forntex, entre otras.
Desarrollos con H2 en aeronaves
Airbus Upnext (Isaac Pérez) presenta sus iniciativas de innovación para aeronaves:
- Sistemas energéticos no propulsivos con H2.
- Mejora de performances de la propulsión eléctrica utilizando refrigeración obtenida a partir de mantener LH2
- Estudio del efecto de la combustión de H2 en las estelas de condensación
- Alas con controles activos para modificar su forma y reducir la resistencia aerodinámica en función del perfil del vuelo.
- Vuelo de un VTOL permitiendo controles muy simplificados de forma que un no-piloto pueda manejarlo.
- Repostaje en vuelo en forma autónoma
Almacenamiento del H2 a bordo. El manejo del H2 en las aeronaves incluye su almacenamiento a bordo. No puede almacenarse en forma gaseosa porque necesitaríamos un volumen extraordinario de forma que la solución viable es almacenarlo licuado a -253ºC. Aciturri (Jorge Martínez San Martín) está trabajando en depósitos para hacerlo posible en varios proyectos con los siguientes objetivos:
- Desarrollo de tecnologías de bajos TRL de materiales estructurales y para aislamiento, con ensayos en laboratorio para evaluar el índice gravimétrico y los tiempos necesarios para ventilación
- Soluciones de almacenamiento LH2: depósito en composites con doble capa, con demostrador a tamaño real y TRL 5
- Integración de elementos de pilas de combustible en los depósitos con ensayos funcionales a nivel de sistema, desde el suministro del H2 hasta la hélice.
El desarrollo de estos programas incluye retos como: ensayo en condiciones criogénicas, aplicabilidad de las tecnologías del H2 en la aviación, suministro de LH2 para ensayos
La empresa Destinus (Plácido Márquez) está desarrollando una aeronave propulsada por H2 y mostró el estado del desarrollo. Señaló una ventaja del almacenamiento del H2 a bajas temperaturas (no todo van a ser desventajas). Estos puede utilizarse para refrigerar la aeronave dadas las altas temperaturas producidas durante el vuelo hipersónico
El INTA (Pilar Argumosa) también está trabajando en tecnologías para usar el H2 en la aeronáutica en tres líneas principales:
- Pilas de combustible, en donde caracterizan los sistemas de potencia auxiliar en condiciones de laboratorio, comportamiento en entorno aeronáutico, plantas de propulsión para plataformas no tripuladas.
- H2 para aviación: comportamiento de los materiales en temperaturas criogénicas, exposición de los materiales, nuevos componentes para usar en estos sistemas, desarrollo de una instalación de ensayos de turbias de gas alimentada por LH2 (en colaboración con ITP Aero)
- Combustión el H2
El Centro Nacional del H2 (CNH2) está trabajando en varios proyectos de movilidad terrestre y aeronáutica. Para ello ha desarrollado instalaciones de ensayo para células de combustible de alta potencia, capacidad para producción de H2 verde, aplicaciones de repostaje de H2 a 350bar y 700bar y red de sensores H2 para validación experimental de simulaciones fluido-dinámicas
Ayudas financieras a proyectos de I+D+I
Miguel Ortiz, de CDTI, explica a continuación los diferentes instrumentos de financiación que CDTI pone a disposición de las empresas del sector aeronáutica, en especial en los últimos meses, con los instrumentos de Ayudas parcialmente reembolsables a proyectos de I+D del PERTE Aeroespacial (240 millones de euros), y las Subvenciones a Ecosistemas de Innovación, en el marco de la actuación 18 del PERTE. Asimismo, se traslada por parte del CDTI la intención de dar continuidad al PTA, una vez agotados los fondos del MRR, con fondos nacionales, en torno a los 30 millones de euros, para financiar proyectos de entre uno y seis millones de euros, a través de consorcios de dos o tres empresas.
Soluciones eléctricas
AERTEC (Antonio Zafra) habla sobre la electrificación en la aviación. La electrificación se utiliza, en primer lugar, para alimentar a más sistemas a borde de la aeronave (como los hidráulicos o neumáticos, sistemas auxiliares, control de potencia), consiguiendo así una reducción en el peso,
La aplicación de la propulsión eléctrica estará limitada a pequeñas aeronaves en distancias cortas debido a la densidad actual de las baterías eléctricas (unos 200Wh/kg frente a 12.000 Wh/kg del queroseno), Este propulsión puede ser:
- Eléctrica pura
- Híbrida
Los motores eléctricos proporcionan algunas ventajas sobre los térmicos. Pueden instalarse más motores que los térmicos porque la eficiencia suya no depende del tamaño, de forma que pueden distribuirse a lo largo del ala o del fuselaje proporcionando una propulsión distribuida con la que se puede operar para optimizar la propulsión dependiendo de la condición de vuelo.
Esto lleva a importantes retos:
- Algoritmos de control de la potencia distribuida
- Nuevos elementos eléctricos a desarrollar: concentradores de energía de alta eficiencia, conversores
- Unidades de potencia no propulsiva
- Problemas derivados del arco eléctrico y necesidad de una gestión térmica apropiada
- Recuperación de la energía en las fases de vuelo en las que no se necesite empuje
- Herramientas para el diseño de la propulsión híbrida
- Cableado de altas prestaciones para la distribución segura de la energía
- Arquitectura optimizada de distribución eléctrica
- Tecnologías de alta potencia (hasta 540 VDC o superior : 800 VDC) con niveles de potencia entre 0,5 y 1 MW
- Microcontroladores integrados en la distribución de potencia
- Uso de Solid State Power Controllers
- Semiconductores WBG para aumentar la fiabilidad de los convertidores de potencia de alta tensión y potencia
- Convertidores de alta potencia con buena relación potencia-peso y eficiencia superior al 98%
- Almacenamiento de energía en baterías (densidad de energía, sistemas que regeneren la energía.
La aplicación de la propulsión puramente eléctrica a las aeronaves es muy limitada debido a la carga útil y alcance que pueden proporcionar las baterías actuales. Hay, sin embargo, una aplicación muy interesante: distancias en un ámbito urbano para cargas útiles moderadas: la Movilidad Aérea Avanzada por medio de vehículos eVTOL.
Estas aeronaves se benefician de la propulsión eléctrica para poder hacer un despegue y aterrizaje vertical, poder configurar la aeronave en vuelo y tienen unos costes mucho más asequibles que los que tenían los prototipos VTOL desarrollados hace 60 años.
Crisalion (Oscar Lara) es una empresa española que cuenta con un producto que ya está volando en este segmento y está desarrollando otro vehículo con mayores prestaciones.
La clave aquí es ofrecer un servicio asequible y seguro que permita la movilidad en grandes áreas urbanas. Crisalion señala una gran ventaja de su solución: hay un desacople entre la parte propulsora y la estructura de la aeronave que hace que el vuelo sea más confortable al usuario.
Baterías
Uno de los mayores problemas con la propulsión eléctrica es disponer de la densidad energética suficiente. Además de las soluciones de almacenamiento energético sólido (células de ion-Li son las más prometedoras hoy en día), existen las pilas de combustible que tienen el suministro de hidrógeno (u otro material) externo que puede alimentar la pila por más tiempo.
En cuanto a baterías de ion-litio, la empresa española BOLD (Bernat Carreras) fabrica soluciones de pilas de altas prestaciones. En la actualidad su actividad se centra principalmente en la automoción, pero también trabajan en el sector aeronáutico (actualmente con drones)
La empresa española Jalvasub (Juan Álvarez) está trabajando en este campo y esta desarrollando una pila de combustible para el submarino S80.
SAF
El combustible de aviación sostenible es la solución que permitirá reducir las emisiones a más corto plazo porque sus emisiones son reducidas y pueden operar directamente en los motores actuales sin modificaciones.
Los SAF pueden dividirse grosso modo en dos grandes grupos. Por un lado los biocombustibles que son aquéllos que se obtienen de biomasa o de residuos de aceites vegetales. Hay diversos métodos de obtención y ya hay producción en el mundo. Tienen una limitación en el tipo de materia prima biológica que utilizan, bien por una disponibilidad limitada (por ejemplo, la disponibilidad de aceites vegetales para reciclar) o regulatoria, es decir, cuáles son los orígenes que son aceptados por las Administraciones como materia prima. Este es un punto delicado porque no hay el mismo criterio en todo el mundo. Europa tiene una regulación más restrictiva mientras que en USA es más abierta. Este tipo de combustibles son los que han de empezar a suministrarse a los aviones en Europa desde el 2025 (por el reglamento ReFuell EU, que impone un suministro de un 2% y mayores porcentajes en los años siguientes). En consecuencia, hay que poner en marcha la producción de para empezar a suministrar las cantidades requeridas por ese reglamento. Por otro lado, hay un problema de escalado a medio plazo. A medida que las cuotas de producción van creciendo, las necesidades totales de biocombustibles empiezan a ser enormes y hay que buscar la materia prima para la producción.
Por otro lado, están los combustibles sintéticos (llamados -fuels o power-to-liquid), producidos a partir de hidrógeno y CO2 capturado.
CEPSA (Luis Grande) expone sus planes para poder satisfacer la demanda en los que están invirtiendo 7.000 M€. El objetivo es disponer de una capacidad de 2,5 MTm /año a partir de 2030. En 2026 entrará en funcionamiento la planta de Palos de Moguer con una producción de 500 kTm/año de combustibles sostenibles (será una planta flexible produciendo SAF y biodiesel)
REPSOL a su vez, también presenta planes de producción de SAF. Tienen una larga experiencia en combustibles renovables.
REPSOL ha construido una planta en Cartagena para producir 250 kTm/año para producir biojet, biopropano, hidrodiesel y bionafta.
Por otra parte, está construyendo una planta demo de e-fuels en Bilbao para 20125 con la intención de tener una planta industrial en 2030.
Elevator Pitch
La jornada terminó con pequeñas presentaciones mostrando distintas capacidades de innovación en materia de descarbonización en EMBENTION (sistemas aviónica y motores eléctricos), CiTD (soluciones estructurales), ETULOS SOLUTE (aeronave de AAM propulsada por pila de combustible), COMET INGENIERIA (Diesño mecánico, fabricación, análisis y simulación, Morphing structures), THERMAL VACUUM PROJECTS (soluciones de alto vacío y criogenia) y la Universidad Politècnica de València (grupos de investigación con capacidad computacional y experimental con bancos de pilas de combustible, electrolizadora, túnel aerodinámico). La UPV ha llevado a cabo diversos proyectos de electrificación de vehículos de AAM (motor alternativo hibridado o con pila de combustible hibridada)