Aviones Propulsados por Hidrógeno, el camino hacia una aviación más sostenible

La industria de la aviación emitió 915 millones de toneladas de CO2 en 2019, un 2% del total de CO2 producido por el ser humano en ese año. Para los próximos años, ATAG (Air Transport Action Group) establece como objetivo reducir las emisiones de CO2 de 2005 un 50% para el año 2050.

Tras la firma del Acuerdo de París, el transporte aéreo fue el primer sector en comprometerse con la lucha contra el cambio climático. Sin embargo, la continua mejora de la eficiencia de los aviones en las últimas décadas ha sido insuficiente debido al crecimiento que experimentaba año tras año. En consecuencia, son necesarias soluciones innovadoras que reduzcan radicalmente el impacto climático de la aviación.

El uso del hidrógeno como combustible para aviones ofrece la posibilidad de eliminar completamente las emisiones de CO2 durante el vuelo. Por ello, este prometedor vector energético se presenta como una de las principales alternativas para sustituir al tradicional keroseno de aviación, junto con los motores eléctricos alimentados por baterías y los combustibles de aviación sostenibles.

Distintos tipos de propulsión con hidrógeno

Existen dos modelos de propulsión de aviones a través de hidrógeno: el primero consiste en usar el hidrógeno para producir energía eléctrica a través de pilas de combustible y así alimentar a un motor eléctrico; el segundo modelo de propulsión se basa en la combustión directa de hidrógeno en motores de combustión interna similares a los que actualmente tienen los aviones.

Fuente: Ferrovial Aeropuertos

Ambas soluciones se encuentran en desarrollo y presentan como principal beneficio la eliminación total de las emisiones de CO2 durante el vuelo. Pero tienen peculiaridades: la combustión directa del hidrógeno implica emitir NOx además de vapor de agua; mientras que las pilas de combustible son más eficientes y tienen como único subproducto el vapor de agua.

Se estima que empleando el hidrógeno como combustible se podría reducir el impacto climático durante el vuelo entre un 50 y un 75% en el caso de las turbinas de hidrógeno y entre un 75% y un 90% con el uso de pilas de hidrógeno.

Debido a la necesidad de baterías y al nivel de desarrollo actual de la tecnología, el uso de pilas de combustible con hidrógeno está limitado a aeronaves regionales y vuelos de corto alcance. La implementación de motores de combustión de hidrógeno permitiría la sustitución del keroseno en aviones de medio y gran tamaño para vuelos de hasta 10,000 km de distancia.

El Hidrógeno: una propulsión con un gran potencial, pero con muchos retos por resolver

Además de no emitir C02 durante el vuelo, el hidrógeno es el elemento más abundante en nuestro planeta, lo que le lleva a destacar entre otras fuentes sostenibles de propulsión.

Sin embargo, su producción, almacenaje y distribución impiden que el hidrógeno en aviones esté implantado ya de forma general.

Durante la producción del hidrógeno se consumen grandes cantidades de energía, que deberá provenir de fuentes renovables para que el hidrógeno pueda ser empleado como un combustible sostenible. Para cubrir la gran demanda de hidrógeno que supondría la propulsión de aeronaves, deberá incrementarse notablemente la producción de hidrógeno de los tipos azul y verde, los considerados respetuosos con el medio ambiente.

Por otro lado, los tanques necesarios para almacenar el hidrógeno empleado para propulsar una aeronave son muy voluminosos. Si además consideramos que en muchas ocasiones el hidrógeno se emplea en estado líquido para reducir su volumen, estos tanques deberán estar presurizados y soportar muy bajas temperaturas, por lo que se necesitarán tanques de mayores espesores que suponen un incremento del peso.

Consecuencias de la implantación del hidrógeno en aviones

El 72% de las emisiones de C02 de la aviación son producidas por aeronaves de medio y gran tamaño, las más usadas en aviación comercial. Además, por volar a muy alta altitud, sus emisiones tienen un mayor impacto en el medio ambiente. La implantación de una propulsión con hidrógeno a través de motores de combustión interna o de sistemas híbridos de pilas de combustible con motores combustión interna en estos aviones conllevaría la reducción de la mayor parte de las emisiones.

El sustituir el keroseno por hidrógeno líquido supone aumentar el volumen de los tanques de combustible actuales de los aviones por cuatro y reducir el peso del combustible un 70%, para conseguir volar las mismas distancias.

Debido al gran volumen de los tanques necesarios para almacenar el hidrógeno que consume una aeronave en vuelos de largo alcance, es necesario un cambio de diseño en los aviones. Las alternativas que se proponen actualmente son el aumento del volumen de las alas para incrementar la capacidad de almacenaje en estas y/o aumentar la longitud del fuselaje para agregar tanques adicionales.

Para conseguir el máximo alcance actual de una aeronave como el A350, se necesitaría una superficie alar 2,5 veces mayor y un tanque adicional que ocupara un 5% de la longitud del fuselaje para el caso de una solución combinada.

Fuente: Ferrovial Aeropuertos

Desde el punto de vista del peso de la aeronave, este cambio de diseño supondría una reducción del peso final al despegue de hasta en un 11% con respecto al máximo peso al despegue.

Por tanto, implementar el hidrógeno como combustible para motores de combustión interna supondría no solo reducir las emisiones de C02, sino que también ofrece la oportunidad de aumentar la carga de pago.

Hidrógeno vs. otras fuentes alternativas de propulsión

Además del hidrógeno, la industria aeronáutica está apostando por desarrollar aviones 100% eléctricos y por el uso de los denominados SAF por sus siglas en inglés (Sustainable Aviation Fuels).

Los SAF se usan actualmente combinados con el keroseno en porcentajes de hasta el 50% pero se prevén usar en un 100%. Pueden emplearse en cualquier tipo de aeronave y sin limitación de alcance. Sin embargo, debido a su alto coste y a que la reducción de emisiones de C02 durante el vuelo es parcial, se considera una buena alternativa para el futuro más inmediato, pero no una solución definitiva.

Por otro lado, los aviones equipados con baterías y motores eléctricos permitirán realizar vuelos cero emisiones, pero su aplicación está limitada a aeronaves pequeñas y vuelos de menos de 1000km a la espera de un mayor desarrollo tecnológico de las baterías.

Si comparamos las tres fuentes de propulsión desde el punto de vista del impacto que tendría su implantación en aeropuertos y aeronaves, son el hidrógeno y la propulsión eléctrica los que requerirían una mayor inversión al ser necesarias nuevas redes de distribución y almacenamiento en los aeropuertos y nuevos diseños de las aeronaves. Los SAF, por el contrario, no requieren grandes cambios al usar los mismos sistemas que el keroseno

Fuente: Ferrovial Aeropuertos

Teniendo en cuenta la reducción del impacto medioambiental de las distintas alternativas y los costes asociados a su implementación, cada una de ellas presenta unos rangos de distancia óptimos. Combinando las distintas alternativas e implantándolas en los vuelos donde son más eficientes, se conseguiría la máxima reducción de emisiones, pero serían necesarias grandes inversiones para desarrollar las tres alternativas. Además, todo ello depende de la evolución tecnológica que tengan estos sistemas de propulsión y del desarrollo de futuras alternativas como la propulsión con CO2 propuesta por la Universidad de Oxford.

Nota: La Eficiencia es combinación del coste total y la potencia obtenida, con respecto al combustible tradicional (100%)
Fuente: Ferrovial Aeropuertos

Considerando las características de las distintas alternativas actuales, podemos concluir que la versatilidad de la propulsión con hidrógeno permite cubrir un amplio rango de aeronaves y de distancias de vuelo. Por tanto, apostando por los aviones propulsados por hidrógeno se conseguirá tener el mayor beneficio medioambiental posible, reduciendo las emisiones de CO2 de la aviación hasta en un 89%.