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Un avión propulsado por hidrógeno es un avión que utiliza combustible de hidrógeno como fuente de energía. El hidrógeno puede quemarse en un motor a reacción u otro tipo de motor de combustión interna , o puede utilizarse para alimentar una pila de combustible que genere electricidad para alimentar un propulsor eléctrico. No puede almacenarse en un ala húmeda tradicional , y los tanques de hidrógeno deben alojarse en el fuselaje o estar sostenidos por el ala.
El hidrógeno, que se puede producir a partir de energía baja en carbono y puede producir cero emisiones , puede reducir el impacto ambiental de la aviación . Boeing reconoce el potencial de la tecnología y Airbus planea lanzar un primer avión comercial propulsado por hidrógeno para 2035. [1] McKinsey & Company pronosticó que los aviones de hidrógeno ingresarán al mercado a fines de la década de 2030 y se ampliarán hasta 2050, cuando podrían representar un tercio de la demanda energética de la aviación. [2]
El hidrógeno tiene una energía específica de 119,9 MJ/kg, en comparación con los ~43,5 MJ/kg de los combustibles líquidos habituales , [3] 2,8 veces mayor. Sin embargo, tiene una densidad energética de 10,05 kJ/L a presión atmosférica y temperatura normales, en comparación con los ~31293 kJ/L de los combustibles líquidos, [3] 3114 veces menor. Cuando se presuriza a 690 bar (10 000 psi), alcanza los 4500 kJ/L, [3] todavía 7 veces menor que los combustibles líquidos. Enfriado a 20 K (−253 °C), el hidrógeno líquido tiene una densidad energética de 8491 kJ/L, [3] 3,7 veces menor que los combustibles líquidos.
La baja densidad energética volumétrica del hidrógeno plantea desafíos a la hora de diseñar una aeronave, donde el peso y la superficie expuesta son críticos. [4] Para reducir el tamaño de los tanques , se utilizará hidrógeno líquido , lo que requerirá tanques de combustible criogénicos . [4] [5] Los tanques cilíndricos minimizan la superficie para un peso de aislamiento térmico mínimo , lo que lleva a tanques en el fuselaje en lugar de alas húmedas en las aeronaves convencionales. [4] [5] El volumen y la resistencia del avión aumentarán algo con tanques de combustible más grandes. [6] Un fuselaje más grande agrega más resistencia por fricción de la piel debido al área mojada adicional . El peso adicional del tanque se compensa con un peso de combustible de hidrógeno líquido drásticamente menor.
El hidrógeno gaseoso puede utilizarse para aviones de corto recorrido. [7] El hidrógeno líquido podría ser necesario para aviones de largo recorrido.
La alta energía específica del hidrógeno significa que necesitaría menos peso de combustible para el mismo alcance, ignorando las repercusiones del volumen adicional y el peso del tanque. [5] Como los aviones de pasajeros tienen una fracción de combustible del Peso Máximo de Despegue (MTOW) de entre el 26 % para vuelos de media distancia y el 45 % para vuelos de larga distancia, el peso máximo de combustible podría reducirse al 9 % al 16 % del MTOW.
Las pilas de combustible tienen sentido para la aviación general y los aviones regionales, pero la eficiencia de sus motores es menor que la de las grandes turbinas de gas . Son más eficientes que los modernos aviones de pasajeros turbohélice de 7 a 90 pasajeros, como el DASH 8. [6] La eficiencia de un avión propulsado por hidrógeno es una compensación entre la mayor área mojada, el menor peso del combustible y el peso adicional del tanque, que varía según el tamaño del avión. [ cita requerida ] El hidrógeno es adecuado para aviones de pasajeros de corto alcance. Mientras que los aviones de mayor alcance necesitan nuevos diseños de aeronaves. [8]
El hidrógeno líquido es uno de los mejores refrigerantes utilizados en ingeniería, y se ha propuesto que los motores a reacción preenfriados utilicen esta propiedad para enfriar el aire de admisión de los aviones hipersónicos , o incluso para enfriar la propia piel del avión, en particular en el caso de los aviones propulsados por estatorreactores. [9]
Un estudio en el Reino Unido, NAPKIN (New Aviation, Propulsion Knowledge and Innovation Network), con la colaboración del Aeropuerto de Heathrow , Rolls-Royce , GKN Aerospace y Cranfield Aerospace solutions, ha investigado el potencial de los nuevos diseños de aeronaves impulsadas por hidrógeno para reducir el impacto ambiental de la aviación. [10] Los diseñadores de aeronaves han propuesto una gama de conceptos de aeronaves impulsadas por hidrógeno, que van desde 7 a 90 asientos, explorando el uso de hidrógeno con celdas de combustible y turbinas de gas para reemplazar los motores de aeronaves convencionales impulsados por combustibles fósiles . Los hallazgos sugieren que en el Reino Unido, las aeronaves impulsadas por hidrógeno podrían ser comercialmente viables para vuelos de corta distancia y regionales para la segunda mitad de la década de 2020 y las aerolíneas podrían reemplazar potencialmente toda la flota regional del Reino Unido con aeronaves de hidrógeno para 2040. [10] Sin embargo, el informe destacó que el suministro nacional y el precio del hidrógeno líquido verde en relación con el queroseno fósil son factores críticos para determinar la adopción de aeronaves de hidrógeno por parte de los operadores de aerolíneas. Los modelos mostraron que, si los precios del hidrógeno se acercan a 1 dólar por kg, la adopción de hidrógeno en los aviones podría cubrir casi el 100% del mercado interno del Reino Unido. [10]
Los aviones de hidrógeno que utilizan un diseño de pila de combustible tienen cero emisiones durante su funcionamiento, mientras que los aviones que utilizan hidrógeno como combustible para un motor a reacción o un motor de combustión interna tienen cero emisiones de CO2 ( un gas de efecto invernadero que contribuye al cambio climático global ), pero no de NOx (un contaminante del aire local). La quema de hidrógeno en el aire conduce a la producción de NOx , es decir , el H
2+ ½ O
2→ O
2La reacción del O en un ambiente rico en nitrógeno también provoca la producción de NO x . [11] Sin embargo, la combustión de hidrógeno produce hasta un 90% menos de óxidos de nitrógeno que el combustible de queroseno y elimina la formación de partículas en suspensión . [5]
Si el hidrógeno está disponible en cantidad a partir de energías con bajas emisiones de carbono, como la eólica o la nuclear, su uso en aeronaves producirá menos gases de efecto invernadero que las aeronaves actuales: vapor de agua y una pequeña cantidad de óxido de nitrógeno. Actualmente, se produce muy poco hidrógeno utilizando fuentes de energía con bajas emisiones de carbono. [12] [ verificación fallida ]
Un estudio de 2020 de las empresas conjuntas Clean Sky 2 y Fuel Cells and Hydrogen 2 de la UE concluyó que el hidrógeno podría impulsar aeronaves de corto alcance en 2035. [8] Una aeronave de corto alcance (<2000 km, 1100 nmi) con una combinación de pila de combustible y turbinas podría reducir el impacto climático en un 70-80 % por un coste adicional del 20-30 %, un avión de pasajeros de mediano alcance con turbinas de H2 podría tener un impacto climático reducido del 50-60 % por un sobrecoste del 30-40 %, y una aeronave de largo alcance (>7000 km, 3800 nmi) también con turbinas de H2 podría reducir el impacto climático en un 40-50 % por un coste adicional del 40-50 %. [8] Se requeriría investigación y desarrollo en tecnología aeronáutica y en infraestructura, regulaciones y estándares de certificación del hidrógeno. [8]
El vapor de agua es un gas de efecto invernadero; de hecho, la mayor parte del efecto invernadero total en la Tierra se debe al vapor de agua. [13] Sin embargo, en la troposfera, el contenido de vapor de agua no está dominado por las emisiones antropogénicas, sino más bien por el ciclo natural del agua , ya que el agua no permanece estática durante mucho tiempo en esa capa de la atmósfera. [14] Esto es diferente en la estratosfera , que, sin la acción humana, estaría casi totalmente seca y aún permanecería relativamente desprovista de agua. [15] Si se quema hidrógeno y el vapor de agua resultante se libera a alturas estratosféricas (la altitud de crucero de algunos vuelos comerciales está dentro de la estratosfera; el vuelo supersónico se realiza casi en su totalidad a altitud estratosférica), el contenido de vapor de agua en la estratosfera aumenta. Debido al largo tiempo de residencia del vapor de agua a esas alturas, los efectos a largo plazo durante años o incluso décadas no se pueden descartar por completo. [16] [17]
En febrero de 1957, un Martin B-57 B de la NACA voló con hidrógeno durante 20 minutos para uno de sus dos motores Wright J65 en lugar de combustible para aviones. [18] El 15 de abril de 1988, el Tu-155 voló por primera vez como el primer avión experimental propulsado por hidrógeno, [19] un avión de pasajeros Tu-154 adaptado .
Boeing convirtió un Diamond DA20 de dos asientos para que funcionara con una pila de combustible diseñada y construida por Intelligent Energy . [20] Voló por primera vez el 3 de abril de 2008. [21] El Antares DLR-H2 es un avión propulsado por hidrógeno de Lange Aviation y el centro aeroespacial alemán . [22] En julio de 2010, Boeing presentó su UAV Phantom Eye propulsado por hidrógeno , que utiliza dos motores de pistón de Ford Motor Company convertidos . [23]
En 2010, el Rapid 200FC concluyó seis pruebas de vuelo propulsado por hidrógeno gaseoso . La aeronave y el sistema eléctrico y energético se desarrollaron en el marco del proyecto ENFICA-FC de la Unión Europea , coordinado por el Politécnico de Turín . [24] El gas hidrógeno se almacena a 350 bares y alimenta una pila de combustible de 20 kW (27 CV) que alimenta un motor eléctrico de 40 kW (54 CV) junto con un paquete de baterías de polímero de litio de 20 kW (27 CV) .
El 11 de enero de 2011, un avión no tripulado AeroVironment Global Observer completó su primer vuelo propulsado por un sistema de propulsión alimentado con hidrógeno. [25]
Desarrollado por el Instituto de Ingeniería Termodinámica DLR de Alemania , el DLR HY4 de cuatro plazas estaba propulsado por una pila de combustible de hidrógeno, su primer vuelo tuvo lugar el 29 de septiembre de 2016. [26] Tiene la posibilidad de almacenar 9 kg (20 lb) de hidrógeno, 4 pilas de combustible de 11 kW y 2 baterías de 10 kWh. [27] [ se necesita una mejor fuente ]
El 19 de enero de 2023, ZeroAvia realizó un vuelo de prueba con su Dornier 228 con un turbohélice reemplazado por un prototipo de motor eléctrico de hidrógeno en la cabina, que consta de dos celdas de combustible y una batería de iones de litio para la potencia máxima. [28] El objetivo es tener un sistema certificable para 2025 para propulsar fuselajes que transporten hasta 19 pasajeros a lo largo de 300 millas náuticas (560 km). [28]
El 2 de marzo de 2023, Universal Hydrogen realizó un vuelo de prueba con un Dash 8 de 40 pasajeros con un motor propulsado por su sistema de propulsión de hidrógeno y electricidad. La empresa ha recibido un pedido de Connect Airlines para convertir 75 ATR 72-600 con sus sistemas de propulsión de hidrógeno. [29]
El 8 de noviembre de 2023, Airbus voló un planeador Schempp-Hirth Arcus-M modificado, denominado Blue Condor, equipado por primera vez con un motor de combustión de hidrógeno, utilizando hidrógeno como única fuente de combustible. [30]
El 24 de junio de 2024, el demostrador S4 eVTOL de Joby Aviation , reacondicionado con un sistema de propulsión de hidrógeno y electricidad en mayo, completó un vuelo récord de 523 millas sin escalas, más del triple de la autonomía de la versión alimentada por batería. Aterrizó con un 10 % de combustible de hidrógeno líquido restante en su tanque de combustible criogénico, y la única emisión en vuelo fue vapor de agua. Un sistema de celdas de combustible de hidrógeno proporcionó la energía para los seis rotores eléctricos del eVTOL durante su vuelo, y una pequeña batería proporcionó potencia adicional de despegue y aterrizaje. [31] [32]
En 1975, Lockheed preparó un estudio de aviones de transporte subsónicos alimentados con hidrógeno líquido para la NASA Langley, explorando aviones de pasajeros que transportaran 130 pasajeros a lo largo de 2780 km (1500 millas náuticas); 200 pasajeros a lo largo de 5560 km (3000 millas náuticas); y 400 pasajeros a lo largo de 9265 km (5000 millas náuticas). [33]
Entre abril de 2000 y mayo de 2002, la Comisión Europea financió la mitad del estudio Cryoplane dirigido por Airbus , evaluando las configuraciones, sistemas, motores, infraestructura, seguridad, compatibilidad medioambiental y escenarios de transición. [34] Se previeron múltiples configuraciones: un avión de negocios con capacidad para 12 pasajeros y un alcance de 3.500 millas náuticas (6.500 km), un avión de pasajeros regional para 44 pasajeros a lo largo de 1.500 millas náuticas (2.800 km) y 70 pasajeros a lo largo de 2.000 millas náuticas (3.700 km), un avión de fuselaje estrecho de alcance medio para 185 pasajeros a lo largo de 4.000 millas náuticas (7.400 km) y un avión de fuselaje ancho de largo alcance para entre 380 y 550 pasajeros a lo largo de 8.500 millas náuticas (15.700 km). [35]
En septiembre de 2020, Airbus presentó tres conceptos ZEROe propulsados por hidrógeno que apuntan al servicio comercial para 2035: [36] un turbohélice de 100 pasajeros, un turbofán de 200 pasajeros y un diseño futurista basado en un cuerpo de ala mixta . [37] Los aviones están propulsados por turbinas de gas en lugar de pilas de combustible. [38]
En diciembre de 2021, el Instituto de Tecnología Aeroespacial del Reino Unido (ATI) presentó su estudio FlyZero sobre hidrógeno líquido criogénico utilizado en turbinas de gas para un diseño de 279 pasajeros con 5250 millas náuticas (9720 km) de alcance. [39] ATI cuenta con el apoyo de Airbus, Rolls-Royce, GKN, Spirit, General Electric, Reaction Engines, Easyjet, NATS , Belcan , Eaton , Mott MacDonald y MTC.
En agosto de 2021, el gobierno del Reino Unido afirmó que era el primero en tener una estrategia de hidrógeno. Este informe incluía una estrategia sugerida para aeronaves impulsadas por hidrógeno junto con otros modos de transporte. [40] [ ¿importancia? ]
En marzo de 2022, FlyZero detalló sus tres aviones conceptuales:
En marzo de 2021, Cranfield Aerospace Solutions anunció que el Proyecto Fresson cambió de baterías a hidrógeno para la modernización del Britten-Norman Islander de nueve pasajeros para una demostración en septiembre de 2022. [42] El Proyecto Fresson cuenta con el apoyo del Instituto de Tecnología Aeroespacial en asociación con el Departamento de Negocios, Energía y Estrategia Industrial del Reino Unido e Innovate UK .
Pratt & Whitney quiere asociar su arquitectura de turbofán con engranajes a su proyecto Hydrogen Steam Injected, Inter‐Cooled Turbine Engine (HySIITE), para evitar emisiones de dióxido de carbono, reducir las emisiones de NOx en un 80% y reducir el consumo de combustible en un 35% en comparación con el actual PW1100G de combustible para aviones, para una entrada en servicio en 2035 con un fuselaje compatible. [43] El 21 de febrero de 2022, el Departamento de Energía de EE. UU. , a través del programa OPEN21 dirigido por su Agencia de Proyectos de Investigación Avanzada-Energía (ARPA-E), otorgó a P&W $ 3,8 millones para una iniciativa de investigación en etapa temprana de dos años, para desarrollar la cámara de combustión y el intercambiador de calor utilizado para recuperar vapor de agua en la corriente de escape, inyectado en la cámara de combustión para aumentar su potencia, y en el compresor como intercooler, y en la turbina como refrigerante. [43]
En febrero de 2022, Airbus anunció una demostración de un turbofán alimentado con hidrógeno líquido, con CFM International modificando la cámara de combustión, el sistema de combustible y el sistema de control de un GE Passport , montado en un pilón del fuselaje de un prototipo A380 , para un primer vuelo esperado dentro de cinco años. [44]