La posibilidad de volar con energía de hidrógeno significa mayores oportunidades para los viajes sin combustibles fósiles y los avances tecnológicos para lograr esto se están moviendo rápidamente. Nuevos estudios del Chalmers University of Technology, en Suecia, muestran que casi todos los viajes aéreos dentro de un radio de 750 millas (1200 km) podrían realizarse con aviones propulsados por hidrógeno para 2045, y con un intercambiador de calor novedoso actualmente en desarrollo, este rango podría ser aún mayor.
“Si todo sale según lo planeado, la comercialización del vuelo de hidrógeno puede ser realmente rápida ahora. Ya en 2028, los primeros vuelos comerciales de hidrógeno en Suecia podrían estar en el aire”, dice Tomas Grönstedt, profesor de Chalmers University of Technology y director del centro de competencia TechForH2* en Chalmers.
Algunos de estos avances tecnológicos se pueden ver dentro de los túneles de viento de Chalmers, donde los investigadores prueban las condiciones del flujo de aire en instalaciones de vanguardia. Aquí, se están desarrollando motores más eficientes energéticamente que allanan el camino para vuelos con hidrógeno seguros y eficientes para vehículos pesados.
El futuro de la aviación de hidrógeno de corto alcance para los países nórdicos
Para la aviación propulsada por hidrógeno, los vuelos de corto y mediano alcance son los más cercanos a la realización. Un estudio recientemente publicado de Chalmers muestra que los vuelos propulsados por hidrógeno tienen el potencial de satisfacer las necesidades del 97 por ciento de todas las rutas de vuelo intra-nórdicas y el 58 por ciento del volumen de pasajeros nórdicos para 2045.
Para este estudio, los investigadores asumieron una distancia máxima de vuelo de 750 millas y el uso de un modelo de avión existente adaptado para energía de hidrógeno. El estudio, dirigido por el estudiante de doctorado Christian Svensson en el grupo de investigación de Tomas Grönstedt, también mostró un nuevo tanque de combustible que podría contener suficiente combustible, estaba lo suficientemente aislado para contener el hidrógeno líquido súper frío y al mismo tiempo era más ligero que los sistemas de tanques de combustible fósiles actuales.
Intercambiadores de calor novedosos para un mejor consumo de combustible
Los intercambiadores de calor son una parte vital de la aviación de hidrógeno, y son una parte clave de los avances tecnológicos que tienen lugar. Para mantener ligeros los sistemas de combustible, el hidrógeno debe estar en forma líquida. Esto significa que el hidrógeno se mantiene súper frío en el avión, normalmente alrededor de -250 grados Celsius. Al recuperar el calor de los gases de escape calientes de los motores a reacción y al enfriar los motores en ubicaciones estratégicas, se vuelven más eficientes. Para transferir el calor entre el hidrógeno súper frío y el motor, se necesitan nuevos tipos de intercambiadores de calor.
Para afrontar este desafío, los investigadores de Chalmers han estado trabajando durante varios años para desarrollar un tipo completamente nuevo de intercambiador de calor. La tecnología, que ahora está en trámite de patente por el socio GKN Aerospace, aprovecha la baja temperatura de almacenamiento del hidrógeno para enfriar las piezas del motor y luego utiliza el calor residual de los gases de escape para precalentar el combustible varios cientos de grados antes de que se inyecte en la cámara de combustión.
“Cada grado de aumento de temperatura reduce el consumo de combustible y aumenta el alcance. Pudimos demostrar que los aviones de corto y mediano alcance equipados con el nuevo intercambiador de calor podrían reducir su consumo de combustible en casi un ocho por ciento. Teniendo en cuenta que un motor de avión es una tecnología madura y bien establecida, se trata de un muy buen resultado de un solo componente”, dice Carlos Xisto, profesor asociado de la División de Mecánica de Fluidos de Chalmers, y uno de los autores del estudio.
Los investigadores también señalan que con una mayor optimización, este tipo de tecnología de intercambiador de calor en un avión comercial Airbus A320 normal podría proporcionar un alcance mejorado de hasta un diez por ciento, o el equivalente de la ruta Gotemburgo-Berlín (aproximadamente 450 millas).
Suecia promete grandes inversiones, a pesar de los desafíos
El trabajo para desarrollar soluciones para la aviación de hidrógeno del futuro se está llevando a cabo en un frente amplio, con gobiernos, universidades y empresas privadas trabajando juntas. En Suecia, el clúster de innovación, Swedish Hydrogen Development Centre (SHDC), reúne a actores clave, incluidos líderes de la industria y expertos de la academia. En un seminario reciente de SHDC, investigadores de Chalmers presentaron su trabajo y varias empresas comerciales testificaron sobre las importantes inversiones en vuelos de hidrógeno en los próximos años. Si bien la tecnología está bien avanzada, los desafíos radican más bien en las grandes inversiones requeridas y en el desarrollo de infraestructura, modelos comerciales y asociaciones para poder producir, transportar y almacenar hidrógeno de modo que la transición al vuelo de hidrógeno sea posible. Se espera que una transición total requiera alrededor de 100 millones de toneladas de hidrógeno verde al año.
“Hay expectativas de la industria de que entre el 30 y el 40 por ciento de la aviación global estará impulsada por hidrógeno para 2050. Es probable que durante varios años, necesitemos una combinación de aviones que funcionen con electricidad, combustible e-jet menos contaminante y hidrógeno. Pero cada avión que pueda funcionar con hidrógeno a partir de energía renovable reduce las emisiones de dióxido de carbono”, dice Tomas Grönstedt.
Dentro de TechForH2, existen buenas condiciones para asumir el desafío del hidrógeno, y con un presupuesto de SEK 162 millones (equivalente a USD 15,5 millones), el centro de competencia puede contribuir al desarrollo de una serie de diferentes áreas de investigación que vinculan el hidrógeno y el transporte pesado.
Más información sobre los nuevos estudios:
- El futuro de la aviación nórdica necesita ser satisfecha por el hidrógeno
- Tecnología prometedora de intercambio de calor para el tráfico aéreo propulsado por hidrógeno
Más sobre los artículos científicos
El artículo Aviones de pila de combustible de hidrógeno para el mercado nórdico se ha publicado en la International Journal of Hydrogen Energy y está escrito por Christian Svensson, Amir A.M Oliviera y Tomas Grönstedt. Los investigadores trabajan en Chalmers University of Technology y la Universidad Federal de Santa Catarina en Brasil.
La investigación ha sido financiada por el centro de competencia TechForH2, liderado por Chalmers, a través de subvenciones de la Agencia Sueca de Energía y los socios participantes Volvo, Scania, Siemens Energy, GKN Aerospace, PowerCell, Oxeon, RISE, Stena Rederier AB, Johnsson Matthey, Insplorion y Chalmers.
El artículo científico Intercambiadores de calor compactos para el enfriamiento intermedio y la recuperación del motor aeroespacial alimentado por hidrógeno se ha publicado en la revista Applied Thermal Engineering y está escrito por Alexandre Capitao Patrao, Isak Jonsson, Carlos Xisto, Anders Lundbladh y Tomas Grönstedt. Los autores trabajan en Chalmers University of Technology y en GKN Aerospace Suecia.
La tecnología ha sido desarrollada dentro del proyecto de la UE ENABLEH2 y el proyecto PATH, que fue financiado por el Área de Avance del Transporte de Chalmers. Los proyectos se llevaron a cabo entre 2018-2022, y luego se construyó la infraestructura que luego se utilizó para probar nuevos componentes del motor y realizar simulaciones. En el centro TechForH2 de Chalmers, se está llevando a cabo investigación para desarrollar aún más la tecnología.
La investigación también ha recibido apoyo del programa Horizon 2020 de la UE y del Consejo de Investigación Sueco.
Más sobre TechForH2
- TechForH2 es un centro de competencia para la investigación multidisciplinaria del hidrógeno con el objetivo general de desarrollar nuevas tecnologías de propulsión de hidrógeno para vehículos más pesados como un paso importante en la transición hacia un sistema de transporte libre de combustibles fósiles.
- TechForH2 está establecido por Chalmers University of Technology, Suecia, y es una empresa conjunta junto con Rise, Volvo, Scania, Siemens Energy, GKN Aerospace, PowerCell, Oxeon, Insplorion, Johnson Matthey y Stena.
- Con fondos de Chalmers University of Technology, la Agencia Sueca de Energía y los socios del centro, el presupuesto total del centro asciende a casi SEK 162 millones durante un período de cinco años en una primera fase, con la posibilidad de extensión por otros cinco años.
- El centro lleva a cabo investigación en una serie de áreas, como el desarrollo de materiales, producción, gestión del calor, pilas de combustible, sistemas de vehículos, sensores, seguridad y una serie de aspectos sociales de una transición hacia la operación de hidrógeno del transporte pesado.
Más información sobre TechForH2 en Chalmers.
Más sobre el hidrógeno y el vuelo con hidrógeno:
- El hidrógeno, H2, es un gas invisible, inodoro y volátil que se licúa a unos -250 grados Celsius (20 Kelvin).
- Si el hidrógeno se produce utilizando energía renovable, está libre de emisiones de dióxido de carbono. Esto se conoce como “hidrógeno verde”.
- Los vuelos con hidrógeno pueden funcionar eléctricamente, utilizando pilas de combustible que convierten el hidrógeno en electricidad a través de la catálisis, o con motores a reacción, donde el hidrógeno se quema en una turbina de gas.
- El hidrógeno contiene más energía por kilogramo que el queroseno actual y también tiene la ventaja de que el producto residual de la combustión es principalmente vapor de agua.
- El gas es altamente inflamable si se mezcla con aire, por lo que se necesitan sensores de alta eficiencia.
- En la industria, el hidrógeno se utiliza actualmente en la producción de, por ejemplo, acero libre de combustibles fósiles.
Para obtener más información, comuníquese con:
Tomas Grönstedt, profesor, División de Mecánica de Fluidos, Departamento de Mecánica y Ciencias Marítimas, Chalmers University of Technology, Suecia, director del centro de competencia TechForH2, tomas.gronstedt@chalmers.se, +46 31 772 14 55
