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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 usarse para alimentar una celda de combustible para generar electricidad y alimentar un propulsor eléctrico. No se puede almacenar en un ala húmeda tradicional , y los tanques de hidrógeno tienen que alojarse en el fuselaje o estar sostenidos por el ala.
El hidrógeno, que puede producirse a partir de energía con bajas emisiones de carbono y producir cero emisiones , puede reducir el impacto medioambiental de la aviación . Boeing reconoce el potencial tecnológico y Airbus planea lanzar un primer avión comercial propulsado por hidrógeno para 2035. [1] McKinsey & Company prevé que los aviones de hidrógeno entrarán en el mercado a finales de la década de 2030 y crecerán 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 ~43,5 MJ/kg de los combustibles líquidos habituales , [3] 2,8 veces mayor. Sin embargo, tiene una densidad de energía de 10,05 kJ/L a presión y temperatura atmosféricas normales, en comparación con ~31293 kJ/L para combustibles líquidos, [3] 3114 veces menor. Cuando se presuriza a 690 bar (10.000 psi), alcanza 4.500 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 8.491 kJ/L, [3] 3,7 veces menor que la de los combustibles líquidos.
La baja densidad de energía volumétrica del hidrógeno plantea desafíos a la hora de diseñar una aeronave, donde el peso y la superficie expuesta son fundamentales. [4] Para reducir el tamaño de los tanques se utilizará hidrógeno líquido , requiriéndose tanques de combustible criogénico . [4] [5] Los tanques cilíndricos minimizan la superficie para lograr un peso de aislamiento térmico mínimo , lo que conduce a tanques en el fuselaje en lugar de alas mojadas en los aviones convencionales. [4] [5] El volumen y la resistencia del avión aumentarán un poco con tanques de combustible más grandes. [6] Un fuselaje más grande agrega más fricción superficial debido al área extra mojada . El peso adicional del tanque se compensa con un peso de combustible de hidrógeno líquido dramáticamente menor.
El hidrógeno gaseoso podrá utilizarse en aviones de corta distancia. [7] Podría ser necesario hidrógeno líquido para aviones de larga distancia.
La alta energía específica del hidrógeno significa que necesitaría menos peso de combustible para el mismo rango, ignorando las repercusiones del aumento de volumen y peso del tanque. [5] Como los aviones de pasajeros tienen una fracción de combustible del peso máximo de despegue MTOW entre el 26% para recorridos medios y el 45% para recorridos largos, el peso máximo de combustible podría reducirse del 9% al 16% del MTOW.
Las pilas de combustible tienen sentido para la aviación general y los aviones regionales, pero la eficiencia de su motor es menor que la de las grandes turbinas de gas . Son más eficientes que los aviones turbohélice modernos de 7 a 90 pasajeros, como el DASH 8. [6] La eficiencia de un avión propulsado por hidrógeno es una compensación entre el área húmeda más grande, el menor peso del combustible y el peso adicional del tanque. variando con el tamaño de la aeronave. [ cita necesaria ] El hidrógeno es adecuado para aviones de pasajeros de corto alcance. Mientras que los aviones de mayor alcance necesitan nuevos diseños de aviones. [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 aviones hipersónicos , o incluso para enfriar la propia piel del avión, particularmente para aviones propulsados por scramjet. [9]
Un estudio realizado 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 aviones propulsados por hidrógeno para reducir el Impacto ambiental de la aviación. [10] Los diseñadores de aviones han propuesto una gama de conceptos de aviones propulsados por hidrógeno, que van desde 7 a 90 asientos, explorando el uso del hidrógeno con pilas de combustible y turbinas de gas para reemplazar los motores de aviones convencionales propulsados por combustibles fósiles . Los hallazgos sugieren que en el Reino Unido los aviones propulsados por hidrógeno podrían ser comercialmente viables para vuelos regionales y de corta distancia en la segunda mitad de la década de 2020 y que las aerolíneas podrían reemplazar toda la flota regional del Reino Unido con aviones 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 aviones de hidrógeno por parte de los operadores de aerolíneas. Los modelos mostraron que, si los precios del hidrógeno se acercan a 1 dólar por kilo, la adopción de aviones de hidrógeno podría cubrir casi el 100% del mercado interno del Reino Unido. [10]
Los aviones de hidrógeno que utilizan un diseño de pila de combustible generan cero emisiones en funcionamiento, mientras que los aviones que utilizan hidrógeno como combustible para un motor a reacción o un motor de combustión interna generan cero emisiones de CO 2 (un gas de efecto invernadero que contribuye al cambio climático global ), pero no de NO. x (un contaminante del aire local ). La quema de hidrógeno en el aire conduce a la producción de NOx , es decir , H
2+ ½ O
2→ H
2La reacción de O en un ambiente rico en nitrógeno también provoca la producción de NOx . [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 . [5]
Si el hidrógeno está disponible en cantidad a partir de energías bajas en carbono como la eólica o la nuclear, su uso en aviones producirá menos gases de efecto invernadero que los aviones actuales: vapor de agua y una pequeña cantidad de óxido de nitrógeno. Actualmente se produce muy poco hidrógeno utilizando fuentes de energía bajas en carbono. [12] [ verificación fallida ]
Un estudio de 2020 realizado por las empresas conjuntas EU Clean Sky 2 y Fuel Cells and Hydrogen 2 encontró que el hidrógeno podría impulsar aviones en 2035 para aviones de corto alcance . [8] Un avión de corto alcance (< 2.000 km, 1.100 millas náuticas) con pila de combustible /turbinas híbridas podría reducir el impacto climático entre un 70% y un 80% por un coste adicional del 20% al 30%; un avión de pasajeros de alcance medio con turbinas H 2 podría tendrían un impacto climático reducido entre un 50% y un 60% para un sobrecoste de un 30% a un 40%, y un avión de largo alcance (> 7.000 km, 3.800 millas náuticas) también con turbinas de H 2 podría reducir el impacto climático entre un 40% y un 50% para un 40-50%. % costo adicional. [8] Sería necesaria investigación y desarrollo en tecnología aeronáutica y en infraestructura, regulaciones y estándares de certificación del hidrógeno. [8]
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. [13] El 15 de abril de 1988, el Tu-155 voló por primera vez como el primer avión experimental propulsado por hidrógeno, [14] un avión de pasajeros Tu-154 adaptado .
Boeing convirtió un Diamond DA20 de dos asientos para que funcione con una celda de combustible diseñada y construida por Intelligent Energy . [15] Voló por primera vez el 3 de abril de 2008. [16] El Antares DLR-H2 es un avión propulsado por hidrógeno de Lange Aviation y el centro aeroespacial alemán . [17] En julio de 2010, Boeing presentó su UAV Phantom Eye propulsado por hidrógeno , que utiliza dos motores de pistón Ford Motor Company convertidos . [18]
En 2010, el Rapid 200FC concluyó seis pruebas de vuelo propulsadas por hidrógeno gaseoso . El avión y el sistema eléctrico y energético se desarrollaron dentro del proyecto ENFICA-FC de la Unión Europea coordinado por el Politecnico di Torino . [19] El gas hidrógeno se almacena a 350 bar, alimentando una celda de combustible de 20 kW (27 hp) que alimenta un motor eléctrico de 40 kW (54 hp) junto con un paquete de baterías de polímero de litio de 20 kW (27 hp) .
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. [20]
Desarrollado por el Instituto DLR de Ingeniería Termodinámica de Alemania , el cuatro plazas DLR HY4 estaba propulsado por una pila de combustible de hidrógeno; su primer vuelo tuvo lugar el 29 de septiembre de 2016. [21] Tiene la posibilidad de almacenar 9 kg (20 lb) de hidrógeno, 4 pilas de combustible de 11 kW y 2 baterías de 10 kWh. [22] [ se necesita una mejor fuente ]
El 19 de enero de 2023, ZeroAvia voló su banco de pruebas Dornier 228 con un turbohélice reemplazado por un prototipo de tren motriz eléctrico de hidrógeno en la cabina, que consta de dos celdas de combustible y una batería de iones de litio para obtener la máxima potencia. [23] El objetivo es tener un sistema certificable para 2025 para propulsar estructuras de aviones que transporten hasta 19 pasajeros a más de 300 millas náuticas (560 km). [23]
El 2 de marzo de 2023, Universal Hydrogen voló un banco de pruebas Dash 8 para 40 pasajeros con un motor propulsado por su tren motriz eléctrico de hidrógeno. La compañía recibió un pedido de Connect Airways para convertir 75 ATR 72-600 con sus sistemas de propulsión de hidrógeno. [24]
En 1975, Lockheed preparó un estudio de aviones de transporte subsónico alimentados con hidrógeno líquido para la NASA Langley, explorando aviones que transportaban 130 pasajeros a lo largo de 2.780 km (1.500 millas náuticas); 200 pasajeros en 5.560 km (3.000 millas náuticas); y 400 pasajeros a lo largo de 9.265 km (5.000 millas náuticas). [25]
Entre abril de 2000 y mayo de 2002, la Comisión Europea financió la mitad del estudio sobre crioplanos dirigido por Airbus , en el que se evaluaron las configuraciones, los sistemas, los motores, la infraestructura, la seguridad, la compatibilidad medioambiental y los escenarios de transición. [26] Se imaginaron múltiples configuraciones: un avión de negocios de 12 pasajeros con un alcance de 3500 millas náuticas (6500 km), un avión de pasajeros regional para 44 pasajeros de más de 1500 millas náuticas (2800 km) y 70 pasajeros de más de 2000 millas náuticas (3700 km), un avión de alcance medio para 185 pasajeros a más de 4.000 millas náuticas (7.400 km) y aviones de largo alcance para 380 a 550 pasajeros a más de 8.500 millas náuticas (15.700 km). [27]
En septiembre de 2020, Airbus presentó tres conceptos ZEROe impulsados por hidrógeno con el objetivo de tener servicio comercial para 2035: [28] un turbohélice para 100 pasajeros, un turbofan para 200 pasajeros y un diseño futurista basado en un cuerpo de ala combinado . [29] Los aviones funcionan con turbinas de gas en lugar de pilas de combustible. [30]
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. [31] ATI cuenta con el apoyo de Airbus, Rolls-Royce, GKN, Spirit, General Electric, Reaction Engines, Easyjet, NATS , Belcan , Eaton , Mott MacDonald y el 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 aviones propulsados por hidrógeno junto con otros modos de transporte. [32] [¿ 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. [34] 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 turboventilador con engranajes a su proyecto de motor de turbina interrefrigerado e inyección de vapor de hidrógeno (HySIITE), para evitar las 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 su entrada en servicio en 2035 con una estructura de avión compatible. [35] El 21 de febrero de 2022, el Departamento de Energía de EE. UU. , a través del esquema OPEN21 dirigido por su Agencia de Proyectos de Investigación Avanzada-Energía (ARPA-E), otorgó a P&W 3,8 millones de dólares para una iniciativa de investigación de dos años en etapa inicial, para desarrollar la cámara de combustión y el intercambiador de calor se utiliza para recuperar vapor de agua en la corriente de escape, se inyecta en la cámara de combustión para aumentar su potencia, en el compresor como intercooler y en la turbina como refrigerante. [35]
En febrero de 2022, Airbus anunció una demostración de un turbofan alimentado con hidrógeno líquido, y CFM International modificó 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 del A380 , para un primer vuelo previsto dentro de cinco años. [36]