El futuro avión eléctrico de largo recorrido

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Helios
Credit. NASA

Todos dicen que la posibilidad de construir un avión completamente eléctrico, capaz de sustituir las aeronaves de largo recorrido que utilizamos en la actualidad, es algo que está fuera de nuestras posibilidades. Y así es, pero… ¿cuánto tiempo tardaremos en poder hacerlo, si es que tiene sentido y no nos conformamos con los biocombustibles?

Me he entretenido en hacer unos números para analizar qué nos separa de ese objetivo y las consecuencias que podría tener alcanzarlo.

Un Boeing 747/400 puede transportar 400 o 500 pasajeros a una distancia máxima de unos 13450 kilómetros. Las consideraciones que voy a hacer para esta aeronave valen para cualquier otra que tenga un alcance y un peso máximo de despegue similar.

Se estima que este avión gasta unos 3 litros para transportar un pasajero 100 kilómetros. Así que si tomamos, por ejemplo, un vuelo de Madrid a Nueva York (5754 km) para realizar el viaje, cada pasajero consumirá 173 litros, aproximadamente. No es mucho, incluso si lo comparamos con lo que gasta un vehículo terrestre. Un automóvil con 4 personas es fácil que consuma 2 litros por persona cada 100 kilómetros (8 litros cada 100 kilómetros). Si comparamos la velocidad media del automóvil, menos de 120 kilómetros por hora, con la del Boeing 747, 907 kilómetros por hora, podemos concluir que el transporte en avión a Nueva York no es, desde el punto de vista energético, tan costoso. Recuerde que una aerolínea va a gastar, al menos, 173 litros en llevarlo a usted a Nueva York desde Madrid y desconfíe de cualquier tarifa que valga menos de lo que cuesta el combustible.

En cualquier caso, vaya a Nueva York o a cualquier otra parte, el 747/400 no puede cargar más de 173 toneladas de combustible y esa energía es de la que dispone para gastar, como máximo, durante todo su viaje. Las 173 toneladas de combustible, teniendo en cuenta que el queroseno tiene una capacidad energética de 12 kilovatios hora por kilogramo, dan una cantidad total de energía igual a dos millones de kilovatios hora, redondeando la cifra.

¿Qué pasaría si en vez de consumir queroseno, nuestro avión fuera eléctrico?

De una parte tenemos que los motores eléctricos son más eficientes que los térmicos. Eso quiere decir que con un sistema eléctrico haríamos lo mismo con menos energía. Para nuestro ejercicio vamos a suponer que con la electricidad consumimos la mitad de energía. Eso querría decir que con el avión eléctrico y un millón de kilovatios hora de energía podríamos hacer los mismos vuelos que el 747/400 con reactores. Los motores térmicos tienen un rendimiento energético que no pasa del 30%, mientras que una combinación de motor eléctrico con batería o pila de combustible podría llegar al 60%, de ahí que considere una mejora energética tan significativa.

Si quitamos los motores a reacción y colocamos otros eléctricos, el avión necesitará hélices. Hay un tipo de hélice, contra rotatoria, que nos permitiría volar a velocidades de hasta 800 kilómetros por hora. No son los 907 kilómetros por hora de crucero del 747/400, pero tampoco hay mucha diferencia, por lo que la reducción de velocidad no sería un gran problema.

Para alimentar con electricidad los motores lo primero que se nos puede ocurrir es colocar unas baterías, pero… ¿cuántas? Depende del tipo de batería, las de plomo-ácido son las más económicas y tienen una capacidad de almacenar energía de unos 30 vatios hora por kilogramo de peso. Las más eficientes son las de iones de litio o polímeros de litio que almacenan del orden de 150 vatios hora por kilogramo. Si seleccionamos estas últimas, para embarcar un millón de kilovatios hora de energía, con baterías de litio, hacen falta más de seis mil toneladas de baterías, algo así como quince veces el peso máximo de despegue del 747/400 que son 400 toneladas. Es una opción imposible y la tecnología aún dista mucho de hacerla viable.

Otra solución para generar la energía eléctrica a bordo es llevar hidrógeno y una “pila de combustible” que es un dispositivo que se alimenta de hidrógeno y lo combina con el oxígeno atmosférico para producir electricidad y agua.

El hidrógeno es un gas muy poco denso (0,082 gramos por centímetro cúbico en condiciones normales), aunque con un gran poder energético (33,3 kw hora/kg). Lo podemos transportar en botellas a presión, en estado gaseoso, licuado, o en compuestos que lo absorben y luego son capaces de liberarlo.

En estado gaseoso, a una presión de 150 atmósferas, la densidad energética del hidrógeno es de 0,449 kw hora por litro. Esto quiere decir que para cargar el millón de kilovatios hora necesitaríamos unos depósitos de más de dos millones de litros, más de diez veces la capacidad de los que lleva el avión. Teniendo en cuenta el volumen y el peso adicional de las botellas, la solución tampoco parece viable.

Si utilizáramos hidrógeno en estado líquido, el volumen podría reducirse a unos cuatrocientos mil litros, el doble del volumen de los tanques del 747. En estas condiciones el gas hay que mantenerlo a -252 grados centígrados y su manejo y almacenamiento en tanques criogénicos es muy complicado. No parece tampoco una solución que tenga mucho futuro.

Los hidruros son compuestos que absorben hidrógeno y luego pueden liberarlo. El problema de estos productos es que son pesados; el hidrógeno que absorben es de un 2 a un 8% de su peso. En la actualidad se han obtenido hidruros en el laboratorio que contienen hasta un 15% de su peso en hidrógeno, aunque el hidrógeno se recupera a temperaturas elevadas y se libera despacio, por lo que aún no se utilizan comercialmente.

Los hidruros con un 15% de peso en hidrógeno tienen una densidad energética de unos 6 kilovatios hora por kilogramo, aproximadamente la mitad que el queroseno. Eso es lo que necesitamos. Cuando se produzcan hidruros con un 15-18% de hidrógeno ya tendremos con qué llenar el tanque de combustible de nuestro avión trasatlántico eléctrico.

Aún quedan algunos asuntos por resolver. Las pilas de combustible añaden otras limitaciones al avión eléctrico. Recordemos que nuestro avión lleva hidrógeno que alimenta una pila que genera electricidad para los motores eléctricos con los que movemos las hélices contra rotatorias.

Existe una gran variedad de pilas de combustible y quizá las que se adecúan mejor a este tipo de aplicaciones son las de membrana de intercambio de protones (PEM). En la actualidad, estas pilas se producen en paquetes cuya densidad energética difícilmente alcanza los 3,3 kilovatios/litro. Las reacciones químicas necesitan superficies y membranas que ocupan bastante espacio.

Las alas del 747 tienen una superficie de unos 540 metros cuadrados y si hemos dicho que nuestro avión eléctrico vuela un poco más despacio, seguramente tendremos que aumentar esta superficie. Habría que hacer sitio dentro de las alas a las pilas. Con unos tres centímetros, de altura, en media, dispondríamos de más 20 metros cúbicos para colocar pilas que generarían unos 70000 kilovatios de potencia para los motores. Eso sería suficiente.

El problema es que las pilas añadirían un peso al avión de unas 30 toneladas y con toda seguridad otro tanto los motores. Como los 4 motores del 747 pesan unas 16 toneladas, la nueva planta de potencia (pilas y motores) podría resultar más pesada que la actual, pero no en una proporción que no pueda manejarse.

En la actualidad los motores eléctricos que se construyen para aplicaciones aeronáuticas tienen potencias relativamente bajas, de hasta unos 50 kilovatios. Esta es un área en la que habría que trabajar para desarrollar motores eléctricos aeronáuticos mucho más potentes que los actuales.

En definitiva, cuando tengamos hidruros más avanzados, con pilas de combustible, motores eléctricos y hélices contra rotatorias, el avión eléctrico de largo recorrido será posible. Para eso, tampoco hace falta tanto tiempo, desde un punto de vista tecnológico.

A estas alturas mi avión eléctrico no se parece mucho al 747/400.

He oído decir que la tecnología del avión eléctrico la desarrollará el automóvil eléctrico, pero no estoy muy seguro de que sea así. El transporte aéreo se caracteriza porque demanda una gran cantidad de energía y no hay gasolineras en el aire.

Lo que sí está claro, es que todo indica que para electrificar el avión tendríamos que volver a las hélices y reducir la velocidad. Da la impresión que el camino hacia la eficiencia está reñido con las prisas, aunque la parsimonia sea enemiga de los tiempos que corren. No estaría mal que este siglo XXI se caracterice por hacer las cosas mejor, en vez de hacer cada vez más cosas.

No sé cómo se resolverá este asunto.

de Francisco Escarti Publicado en Aviones

Un comentario el “El futuro avión eléctrico de largo recorrido

  1. Pingback: El vuelo más largo de un avión eléctrico | elsecretodelospajaros

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