La transición a la propulsión eléctrica está en marcha a escala global, como lo demuestra el creciente número de autos híbridos/eléctricos y drones eléctricos en las calles y en los cielos. Pero, ¿cómo se compara la propulsión eléctrica, que utiliza energía eléctrica suministrada por un paquete de baterías o por una celda de combustible de hidrógeno, a la propulsión térmica tradicional de combustible fósil?

Dependiendo de la máquina, los motores de combustión pueden parecer muy diferentes. En aviones y helicópteros grandes, el motor de combustión toma la forma de una turbina. En la turbina, el combustible se quema en un ambiente rico en oxígeno, creando aire caliente y alta presión en una cámara confinada, y empleando esa energía para impulsar la aeronave.

En los vehículos eléctricos, el motor está compuesto por un rotor y un estator. Con los impulsos de electricidad de un dispositivo de electrónica de potencia, el estator produce un campo magnético alrededor del rotor que gira y luego gira el tren de transmisión de un vehículo, el eje del rotor, etc. La energía es suministrada por una celda de combustible de hidrógeno o una batería, que es generalmente alimentado por células de litio-ion. Estas son similares a las baterías en una computadora portátil, pero multiplicadas por varios miles.

Los motores de combustión son ideales para viajes de largo alcance porque los combustibles fósiles producen mucha potencia y energía por kilogramo de combustible (potencia y densidad de energía, respectivamente). En otras palabras, permiten misiones de largo alcance con una masa limitada de combustible. Y los tanques de combustibles fósiles son bastante ligeros, considerando la masa de combustible que contienen.

El principal inconveniente son las emisiones (NOx, CO2, partículas, etc.) que producen. Además, una gran cantidad de combustible se consume (o se desperdicia) en calor. De hecho, de tres cuartos a dos tercios de la energía del combustible se transforma en calor o se pierde a través del escape. Se están haciendo avances para contrarrestar estos aspectos negativos, como extraer parte de la energía perdida del escape caliente (para calentar el aire antes de la combustión), pero estas mejoras eventualmente alcanzarán una meseta.

¿Es la propulsión eléctrica la respuesta? El rendimiento de los motores eléctricos y la electrónica de potencia ha mejorado enormemente: en la actualidad, logran un mayor grado de densidad de potencia que los motores de combustión. Además de su peso ligero, los motores eléctricos tienen un rango de velocidad mayor que los motores de combustión, lo que reduce la necesidad de cajas de engranajes.

El principal desafío de la energía eléctrica es que no se puede almacenar de manera eficiente (desde la perspectiva de la masa y el volumen), al menos no con la tecnología actual. En los términos más simples, se requiere una gran cantidad de baterías para igualar el rendimiento del combustible. Esto significa que la batería de un automóvil eléctrico puede representar aproximadamente un tercio de su peso vacío.

En comparación con los vehículos terrestres, la masa y el volumen necesarios para almacenar energía son más críticos en las aeronaves y en las aeronaves de rotor, ya que pueden afectar directamente la carga útil y/o el rendimiento. Y, a diferencia del tanque de combustible de un automóvil, una batería no se vuelve más liviana durante el viaje, lo que representa otra desventaja.

El almacenamiento de masa y volumen también es problemático para las células de combustible de hidrógeno. Esto se debe a que el hidrógeno químico debe almacenarse a alta presión, como en un estado de gas, o como hidrógeno líquido saturado, que debe mantenerse a alrededor de -253 °C y requiere tanques grandes y muy aislados.

Otra opción es combinar lo mejor de ambos mundos. Esto se conoce como propulsión híbrida-eléctrica, que utiliza una combinación de motor de combustión interna convencional con un sistema de propulsión eléctrica.

"La hibridación nos permite optimizar", dijo Luca Cossetti, Innovative Power Solutions en Airbus Helicopters, que forma parte de un equipo que desarrolla una solución de propulsión híbrida para vehículos aéreos. "Se podría usar el motor térmico en ciertas fases del vuelo, optimizando así su eficiencia y consumo para esa situación específica, y compensar con la energía eléctrica cuando la demanda de energía es mayor (como durante el despegue y el aterrizaje de un helicóptero)". 

 

Entonces, ¿cómo podría ser la propulsión en las futuras aeronaves? Para los aviones y helicópteros comerciales, los motores de combustión propulsados ​​por combustibles más limpios y sostenibles ya son posibles: Airbus ha entregado aviones A350 XWB de fuselaje ancho que utilizan una mezcla de combustible aeronautico sostenible. En paralelo, los sistemas de propulsión híbrido-eléctrico están mostrando un gran potencial para su uso en aviones y helicópteros de tamaño mediano.

Considere el E-Fan X de Airbus . En este complejo demostrador de aviones híbrido-eléctrico, uno de los cuatro motores a reacción será reemplazado por un motor eléctrico. Esta potencia es aproximadamente equivalente a la de 10 automóviles de tamaño mediano. La unidad de propulsión eléctrica funciona con una batería alimentada por un generador y, durante el descenso, las cuchillas del motor funcionan como pequeños molinos de viento para generar energía y recargar la batería. 

Tal escenario ya está en desarrollo para el transporte urbano, donde el viaje de un aeropuerto al centro de la ciudad es corto, y la carga útil es comparable a las necesidades de un taxi. Hoy en día, más de 150 vehículos de movilidad aérea urbana (UAM), dirigidos por empresas de nueva creación, fabricantes de automóviles, empresas aeroespaciales establecidas y otros, se encuentran en diversas etapas de desarrollo en todo el mundo.

Estos futuros vehículos aéreos urbanos están diseñados para ser totalmente eléctricos y sin emisiones. Airbus se está dirigiendo a este mercado desarrollando el Vahana y el CityAirbus , los cuales están avanzando en un vuelo eléctrico de despegue y aterrizaje vertical (eVTOL) ideal para el transporte dentro de la ciudad.

No importa la ruta que se tome, está claro que los métodos y materiales para producir baterías, celdas e hidrógeno serán de suma importancia en los próximos años.

Fuente: Airbus Helicopters.

Link: https://www.airbus.com/newsroom/stories/airbus-pursues-hybrid-propulsion-solutions-for-future-air-vehicles.html