Los cielos comienzan a despejarse para el hidrógeno

El avión de hélice Dornier 228 de 19 plazas que despegó hacia el frío cielo azul de enero parecía normal a primera vista. Sin embargo, haciendo girar su hélice izquierda había un motor eléctrico de 2 megavatios impulsado por dos pilas de combustible de hidrógeno (el lado derecho funcionaba con un motor de queroseno estándar), lo que lo convertía en el avión más grande que volaba con hidrógeno hasta la fecha. Val Miftakhov, fundador y director ejecutivo de ZeroAvia, la startup de California detrás del vuelo de prueba de 10 minutos en Gloucestershire, Inglaterra, lo llamó un “día histórico para la aviación sostenible”.

Universal Hydrogen, con sede en Los Ángeles, planea probar un avión de 50 asientos propulsado por hidrógeno a finales de febrero. Ambas compañías prometen vuelos comerciales de aviones turbohélice modernizados para 2025. El gigante francés de la aviación Airbus se está haciendo más grande con un vuelo de demostración planificado para 2026 de su icónico avión de pasajeros A380, que volará utilizando celdas de combustible de hidrógeno y quemando hidrógeno directamente en un motor. Y Rolls Royce está avanzando en el desarrollo de motores de avión que queman hidrógeno puro.

La industria de la aviación, responsable de alrededor del 2,5 por ciento de las emisiones globales de carbono, se ha comprometido a lograr emisiones netas cero para 2050. Para llegar allí se necesitarán varias rutas, incluidos combustibles sostenibles, motores híbridos eléctricos y aviones con batería eléctrica.

El hidrógeno es otra ruta potencial. Ya sea que se use para generar electricidad en celdas de combustible o quemarse en un motor, se combina con el oxígeno para emitir vapor de agua. Si el hidrógeno verde se amplía para camiones y barcos, podría ser un combustible de bajo costo sin los problemas ambientales de las baterías.

Volar con hidrógeno plantea desafíos de almacenamiento y certificación de aeronaves, pero las compañías de aviación están haciendo el trabajo preliminar para volar con hidrógeno para 2035. "El hidrógeno se dirige al cielo, y vamos a llevarlo allí", dice Amanda Simpson, vice presidente de investigación y tecnología de Airbus Americas.

El hidrógeno, el elemento más abundante, es también el más ligero (clave para una industria que lucha contra la gravedad), ya que contiene tres veces más energía que el combustible para aviones en peso. El problema del hidrógeno es su volumen. Para el transporte, debe almacenarse en tanques pesados, ya sea como gas comprimido a alta presión o como líquido criogénico.

ZeroAvia utiliza gas hidrógeno comprimido, ya que está aprobado para el transporte por carretera. Su avión de prueba tenía dos celdas de combustible de hidrógeno y tanques dentro de la cabina, pero el equipo ahora está pensando creativamente en un sistema compacto con cambios mínimos en el diseño de la aeronave para acelerar la certificación en Estados Unidos y Europa. El peso añadido de las pilas de combustible podría reducir la autonomía de vuelo, pero "eso no es un problema, porque los aviones están diseñados para volar mucho más lejos de lo que se utilizan", dice el vicepresidente de estrategia James McMicking.

La compañía cuenta con el respaldo de inversores que incluyen a Bill Gates y Jeff Bezos; asociaciones con British Airways y United Airlines; y 1.500 pedidos anticipados para su sistema de tren motriz eléctrico de hidrógeno, la mitad de los cuales son para vehículos más pequeños, de 9 a 19 plazas, con un alcance de 400 kilómetros.

Para 2027, ZeroAvia planea convertir aviones turbohélice más grandes, de 70 plazas y con el doble de alcance, que se utilizan ampliamente en Europa. La compañía está desarrollando motores eléctricos de 5 MW para ellos y planea cambiar a hidrógeno líquido con mayor densidad energética para ahorrar espacio y peso. El combustible es novedoso para la industria de la aviación y podría requerir un proceso de aprobación regulatorio más largo, afirma McMicking.

A continuación vendrá un tren motriz de 10 MW para aviones de 100 a 150 asientos, “los caballos de batalla de la industria”, afirma. Esos aviones (pensemos en el Boeing 737) son responsables del 60 por ciento de las emisiones de la aviación. Para hacer mella en aquellos con hidrógeno se necesitarán pilas de combustible mucho más eficientes. Para ello, ZeroAvia está trabajando en celdas de combustible patentadas de alta temperatura, dice McMicking, con la capacidad de reutilizar las grandes cantidades de calor residual generado. "Tenemos diseños y una hoja de ruta tecnológica que nos lleva al territorio de los motores a reacción en busca de energía", dice.

Hidrógeno universal

Universal Hydrogen, que cuenta con Airbus, GE Aviation y American Airlines entre sus inversores estratégicos, está apostando por el hidrógeno líquido. La startup, “una empresa de logística y suministro de hidrógeno en su esencia”, quiere garantizar una red de entrega perfecta para la aviación de hidrógeno a medida que gana velocidad, dice el fundador y director ejecutivo Paul Eremenko. La empresa obtiene hidrógeno verde, lo convierte en líquido y lo coloca en tanques de aluminio aislados de tecnología relativamente baja que entregará por carretera, ferrocarril o barco. "Queremos que estén certificados por la Administración Federal de Aviación para 2025, lo que significa que no pueden ser un proyecto científico", afirma.

Se espera que el coste del hidrógeno verde esté a la par del queroseno para 2025, afirma Eremenko. Pero “no hay nadie que tenga una solución increíble: un avión de hidrógeno. Es un problema del huevo y la gallina”.

Para solucionarlo, Universal Hydrogen se asoció con el fabricante líder de pilas de combustible Plug Power para desarrollar unos miles de kits de conversión para aviones turbohélice regionales. Los kits intercambian el motor en su carcasa aerodinámica (también conocida como góndola) por una pila de combustible, electrónica de potencia y un motor eléctrico de 2 MW. Mientras que los competidores de la compañía usan baterías como amortiguadores durante el despegue, Eremenko dice que Universal usa algoritmos inteligentes para administrar las celdas de combustible, de modo que puedan acelerar y responder rápidamente. “Somos el Nespresso del hidrógeno”, afirma. “Compramos café de otras personas, lo ponemos en cápsulas y lo entregamos a los clientes. Pero tenemos que construir la primera máquina de café. Somos la única empresa que incuba el huevo y la gallina al mismo tiempo”.

Esta representación de un vuelo de demostración del Airbus A380 (actualmente programado para 2026) revela los diseños actuales de un avión que se espera que vuele utilizando celdas de combustible y quemando hidrógeno directamente en el motor. Aerobús

Las pilas de combustible tienen algunas ventajas sobre un motor central grande. Permiten a los fabricantes distribuir motores de propulsión más pequeños sobre un avión, dándoles más libertad de diseño. Y como no hay piezas móviles a altas temperaturas, los costos de mantenimiento pueden ser menores. Sin embargo, para los aviones de larga distancia, el peso y la complejidad de las pilas de combustible de alta potencia hacen que los motores de combustión de hidrógeno sean atractivos.

Airbus está considerando la propulsión tanto de pila de combustible como de combustión para su sistema de avión de hidrógeno ZEROe. Se ha asociado con el fabricante alemán de pilas de combustible para automóviles Elring Klinger y, para motores de combustión directa, con CFM International, una empresa conjunta entre GE Aviation y Safran. Todavía se espera que la quema de hidrógeno líquido en los motores actuales requiera ligeras modificaciones, como una cámara de combustión más corta y mejores sellos.

Airbus también está evaluando conceptos de propulsión híbrida con una turbina impulsada por un motor de hidrógeno y un motor impulsado por una pila de combustible de hidrógeno en el mismo eje, dice Simpson, de Airbus Americas. "Luego puedes optimizarlo para usar ambos sistemas de propulsión para el despegue y el ascenso, y luego apagar uno para navegar".

La compañía no se limita al simple rediseño de aviones. Los tanques de hidrógeno podrían almacenarse en una cúpula en la parte superior del avión, en cápsulas debajo de las alas o en un tanque grande en la parte trasera, dice Simpson. Sin combustible líquido en las alas, como ocurre en los aviones tradicionales, afirma, “se pueden optimizar las alas en términos de aerodinámica, hacerlas más delgadas o más largas. O tal vez una carrocería con alas combinadas, que podría ser muy diferente. Esto abre la oportunidad de optimizar la eficiencia de los aviones”. La certificación de estos nuevos aviones podría llevar años y Airbus no espera vuelos comerciales hasta 2035.

Los aviones convencionales fabricados hoy estarán disponibles en 2050, dada su vida útil de 25 a 30 años, dice Robin Riedel, analista de McKinsey & Co. Los combustibles sostenibles son la única opción ecológica para ellos. Dice que el hidrógeno podría desempeñar un papel allí, a través de “tecnología de conversión de energía a líquido, donde se puede mezclar hidrógeno y dióxido de carbono capturado para producir combustible de aviación”.

Incluso entonces, Riedel cree que el hidrógeno probablemente será una pequeña parte de la solución de sostenibilidad de la aviación hasta 2050. "Para 2070, el hidrógeno desempeñará un papel mucho más importante", afirma. "Pero tenemos que empezar con el hidrógeno ahora". El dinero que Airbus y Boeing están invirtiendo en hidrógeno es una pequeña fracción del sector aeroespacial, afirma, pero las grandes aerolíneas que invierten en empresas de hidrógeno o realizan pedidos de trenes de potencia "demuestran que hay deseo".

La industria de la aviación tiene que limpiar si quiere crecer, dice Simpson. Los biocombustibles son un trampolín porque sólo reducen las emisiones de carbono, no otras nocivas. "Si queremos avanzar hacia una aviación limpia, tenemos que repensar todo desde cero y eso es lo que está haciendo ZEROe", afirma. "Esta es una oportunidad para hacer no un cambio evolutivo sino uno verdaderamente revolucionario".

Este artículo aparece en la edición impresa de abril de 2023 como “Vuelo propulsado por hidrógeno autorizado para despegar”.