Aviones eléctricos comerciales

Los automóviles eléctricos ya no son ninguna novedad. Los avances en baterias y los sistemas electrónicos junto con los nuevos motores eléctricos han hecho que estos vehículos florezcan. El impacto de esta tecnología acaba de alcanzar a la aviación como quien dice. Ya hace algunos años que se viene estudiando la aplicación de esta forma de energía a la aviación. La cosa avanza despacio, porque el principal problema es el almacenaje de la energía eléctrica. Producirla no es mayor problema, pero si no la consumimos es muy complejo poder guardarla. Aunque la tendencia es al alza, todavía van a pasar unos cuantos años hasta que podamos ver esta tecnología comparada al mismo nivel que la de los combustibles fósiles. Llegará sin duda, pero no tan rápido como los optimistas creen. Vamos a ver el porqué del asunto.

En aviación ya hemos alcanzado el punto en el que podemos volar aviones ultra ligeros y ligeros de instrucción, en los que el tiempo de vuelo es de alrededor de una hora. El siguiente paso, cuando la tecnología lo permita, será la aplicación de la electricidad a los aerotáxis urbanos, donde los recorridos cortos sobre áreas urbanas congestionadas podrán transportar a 2 o 4 pasajeros en saltos de corta duración y entre recarga y recarga de forma muy breve. De esta forma, puede llegar a superarse las limitaciones de las baterías de hoy y llevar adelante negocios rentables. Pero una cosa es el modelo de negocio de los táxis y otra es el transporte del publico a largas distancias. Por ello la gran pregunta es ¿cúando podremos ver el transporte aéro comercial totalmente eléctrico?

Proyecto PEGASUS (Parallel Electric -Gas Architecture with Synergistic Utilisation Scheme)

Las previsiones más optimistas preveen un aparato de estas características más allá del 2030. En principio deberemos de pasar por la fase híbrida. ¿Cuál es el verdaero problema? Para poder analizar la gran problemática que a día de hoy tenemos con la electricidad, la NASA ha desarrollado un programa llamado PEGASUS (Parallel Electric -Gas Architecture with Synergistic Utilisation Scheme). Ya solo por el nombre nos damos cuenta de la complejidad del proyecto. Se trata de un avión de tenología híbida, basado en un ATR 42-500 altamente modificado y equipado con cinco motores. Este avión será capaz de hacer vuelos de uan  distancia corta. estamos hablando de un avión de 48 asientos para unas 600 millas náuticas.

Curiosamente en 2015, sin saber nada de este proyecto, especulaba con este tema y me dio por pensar que un futuro avión eléctrico debería de ser algo así. Una especie de avión regional de ala alta y cola en T. El dibujo es muy parecido salvo por el hecho de que mi modelo era totalmente eléctrico y no híbrido como el de la NASA y que es mucho más ligero (solo para un máximo de 20 pasajeros) .
El proyecto PEGASUS es algo parecido a lo que se muestra acontinuación.


El eterno problema de la relación baterías/peso

Uno de los problemas críticos que surgieron en este (...y todos los demás) programas es la bajísima densidad energética de las baterías, que hoy en día rondan los 250Wh/kg. Con esto no vamos a ningún lado (...y es lo último en baterías). Como decíamos en el comienzo del post, solo para aviones muy ligeros de menso de una hora de vuelo.

Existen dos conceptos clave a la hora de hablar de energía embarcada en aviones, donde resolver el problema del peso es fundamental: la energía específica, que es es la energía por unidad de masa y la densidad de energía, que es la cantidad de energía acumulada en una batería por unidad de volumen. 



Los expertos de la NASA han previsto que para que PEGASUS sea viable debería de tener unas baterías con una densidad de al menos 500Wh/kg. Esto está muy lejos de la tecnología que tenemos hoy en día. Pero estamos hablando de un prototipo, en realidad para que un avión comercial de estas características sea realmente competitivo y rivalizar con los Jets Regionales se requeriría al menos 1000Wh/kg. Ese es el verdadero problema. Los 250Wh/kg de hoy no pueden competir con los 12000Wh/kg del queroseno, pero es que con 500Wh/kg el avión sería además 2,3 veces más pesado que su contrapartida de combustible y no solo eso, además sería un 10% más costoso de operar. La clave por tanto es Peso/Energía.

Si sealcanzasen los 1000Wh/kg el avión sería solo un 39% más pesado que su contrapartida de combustible, pero en cambio ya habríamos alcanzado un avión con coste energético un 23% menor que el de combustible. Ese es el punto de inflexión. El gran problema es que conseguir esos 1000Wh/kg se antoja muy difícil a corto/medio plazo. 

Mientras llega ese momento (sin duda llegará), los investigadores de la NASA están convencidos de que por ahora lo mejor es trabajar con lo que se tiene y centrarse en el estudio de la optimización de la célula y la colocación de los cinco motores para obtener el empuje máximo sin penalizar la aerodinámica: los dos motores híbridos están montados en las alas, dos eléctricos en los extremos del ala y el otro en la cola.

Basándose en los resultados obtenidos con el demostrador X-57, los diseñadores creen que los motores colocados en las alas puntas de ala del ATR aumentarían el empuje efectivo de las hélices en un 18%, los motores eléctricos interiores del ala se activarían durante el despegue y el ascenso y se detendrían. en el crucero, mientras que la hélice colocada en la cola debe contribuir al aumento del 10% de la eficiencia de propulsión.

La NASA espera que para el 2030 la opinión pública e institucional estará muy centrada  en los aspectos relativos a la sostenibilidad y que el 90% de la demanda de transporte regional se produzca en desplazameintos de unas 400 nm. Este hecho junto con la constante mejora de la tecnología seguramente lleguen a producir el cambio de paradigma al menos para aeronaves de entre 30 y 130 plazas.

Para los más sesudos e interesados en el tema aquí tenéis un estudio bastante serio de lo que representa esta tecnología híbrida (en inglés):

Abstract

: 
Ambitious targets to reduce emissions caused by aviation in the light of an expected ongoing rise of the air transport demand in the future drive the research of propulsion systems with lower CO2 emissions. Regional hybrid electric aircraft (HEA) powered by conventional gas turbines and battery powered electric motors are investigated to test hybrid propulsion operation strategies. Especially the role of the battery within environmentally friendly concepts with significantly reduced carbon footprint is analyzed. Thus, a new simulation approach for HEA is introduced. The main findings underline the importance of choosing the right power-to-energy-ratio of a battery according to the flight mission. The gravimetric energy and power density of the electric storages determine the technologically feasibility of hybrid concepts. Cost competitive HEA configurations are found, but do not promise the targeted CO2emission savings, when the well-to-wheel system is regarded with its actual costs. Sensitivity studies are used to determine external levers that favor the profitability of HEA.

Keywords:
 hybrid electric aircraft; overall aircraft design; propulsion design; battery strategy; regional aircraft; wingtip propellers






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