Aviones de pila de combustible de hidrógeno: ¿para qué y cuándo?

Con el aumento de los precios del combustible y el cambio climático, la industria de la aviación tiene que plantearse la vida después de los combustibles fósiles, pero se enfrenta a un reto especialmente difícil: los aviones de pasajeros tienen que ser ligeros y muy seguros, ¿y qué pasa con las distancias más largas? Hemos preguntado a conocedores de la aviación qué lugar ocupa el hidrógeno.

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Nos pusimos al día con Andy Reynolds, responsable de ZEROe, el programa de hidrógeno de Airbusy expertos de ZeroAvia en el Reuters Hidrógeno en Ámsterdam, así como las start-ups que trabajan en nuevas soluciones que se presentan en la mayor feria alemana de aviación, la ILA, en Berlín.

Aunque los expertos coinciden en que el hidrógeno es clave para todas las soluciones de bajas emisiones más allá de los pequeños vuelos locales, todas estas opciones sólo son óptimas para algunos sectores de la industria, y todas ellas se enfrentan a grandes retos antes de ser comercialmente viables, por lo que es complicado.

En resumen, no existe una solución única para la aviación sin combustibles fósiles. Para entender dónde encaja la tecnología de las pilas de combustible de hidrógeno, es prudente dar una visión muy rápida y amplia de las opciones de combustibles no fósiles:

Los aviones eléctricos de batería ya están en uso. Debido a la densidad de energía necesaria para que los aviones despeguen, sólo se consideran viables para aeronaves más pequeñas y locales.

Los combustibles sintéticos y biocombustibles -denominados Combustible de Aviación Sostenible (SAF, por sus siglas en inglés)- podrán en teoría propulsar aviones regionales, pero en este caso se requiere un mayor desarrollo para que los aviones funcionen con SAF 100%, así como para eliminar el CO2 restante y las emisiones tóxicas. El hidrógeno desempeña aquí un papel importante: Mientras que el SAF biológico se fabrica a partir de aceites sobrantes, como la grasa de cocina, la materia prima del hidrógeno puede utilizarse para el SAF sintético, que ya se está mezclando con el combustible queroseno y es utilizado, por ejemplo, por KLM en los Países Bajos. Aun así, estos tipos de combustible no suelen considerarse viables en la abundancia necesaria para cubrir la demanda actual.

En la actualidad, la única solución de emisiones cero para los aviones regionales de pasajeros de mayor tamaño son los sistemas de propulsión eléctrica con pilas de combustible de hidrógeno. Éstos utilizan hidrógeno en forma gaseosa, pero se puede conseguir una densidad energética mucho mayor con hidrógeno líquido, lo que requiere tanques criogénicos para almacenar el hidrógeno a temperaturas extremadamente bajas, a veces a -253 grados Celsius. Volveremos sobre este tema más adelante.

Aunque tanto las FAS como las pilas de combustible de hidrógeno son viables para los vuelos regionales, algunos aviones siguen necesitando viajar más lejos. Hasta ahora, la única opción viable de combustible no fósil para vuelos intercontinentales son los motores de combustión de hidrógeno, que es lo que la NASA ha estado utilizando durante años para enviar cohetes al espacio. Esto no está totalmente libre de emisiones y conlleva sus propios retos.

El hidrógeno es la clave de todas las soluciones de bajas emisiones

Tras la serie de mesas redondas sobre el futuro de la aviación en la ILA, su oficina de prensa conjeturó al final de la feria: "Todos los participantes en el panel sobre el hidrógeno en el Laboratorio del Futuro de la ILA estuvieron de acuerdo: el hidrógeno tiene lo necesario para hacer que la aviación sea climáticamente neutra. Pero también hubo acuerdo en que los retos asociados son grandes y requieren esfuerzos conjuntos en todo el mundo."

Andy Reynolds, de Airbus, confirmó esta afirmación al hablar con nosotros en la Reuters conferencia sobre el hidrógeno en Ámsterdam. El jefe de la unidad ZEROe de Airbus no sólo se dedica a los aviones de pila de combustible de hidrógeno, sino que lleva 30 años trabajando en la eficiencia del combustible en la aviación. Aunque Reynolds ve en los SAF la opción inmediata para descarbonizar la aviación, afirma: "Creemos que (los SAF) siguen siendo potencialmente insuficientes". Sobre todo si se tiene en cuenta la abundancia necesaria para cubrir la demanda actual.

David Morgan, jefe de Operaciones de Vuelo de EasyJet está de acuerdo: "Sí, la disponibilidad de SAF es un problema". Actualmente, EasyJet ya mezcla pequeños porcentajes de SAF en sus vuelos, al igual que otras aerolíneas como KLM.

El hidrógeno puede producirse de varias maneras, pero sólo es libre de emisiones si se fabrica por electrólisis a partir de energías renovables, el llamado hidrógeno verde. "La disponibilidad de capacidad de energía barata para producir el hidrógeno potencialmente para producir el SAE o simplemente para ser utilizado directamente va a ser la clave. Así pues, se trata de lugares del mundo donde podemos obtener energía relativamente barata y luego producir (hidrógeno). Esa va a ser la clave de dónde va a empezar", explica Reynolds.

Airbus ha empezado a prepararse. En junio de este año, la empresa de gases industriales Linde firmó un memorando de entendimiento con Airbus para trabajar en el desarrollo de infraestructuras de hidrógeno en los aeropuertos de todo el mundo.

En abril de este año, la start-up de aviación de pilas de combustible ZeroAvia anunció una nueva asociación con ZEV Station desarrollar una infraestructura verde de repostaje de hidrógeno en los aeropuertos.

Al igual que en otras industrias, debido a los costes más elevados del transporte del hidrógeno, la opción más asequible y factible para la infraestructura del hidrógeno es que se produzca in situ o lo más cerca posible. En septiembre del año pasado Airbus y Air New Zealand anunciaron una iniciativa conjunta para investigar las formas en que los aviones propulsados por hidrógeno podrían ayudar a la aerolínea a alcanzar su objetivo de emisiones netas cero para 2050.

¿Para cuándo podemos esperar aviones regionales con cero emisiones?

No se espera que los aviones regionales de emisiones cero de mayor tamaño entren en funcionamiento comercial hasta mediados de la década de 2030. En este sentido, Airbus y ZeroAvia tienen objetivos claros. Dice Reynolds: "Airbus ha empezado muy, muy en serio. En lo que estamos trabajando es en un centenar de personas, mil millas náuticas probablemente a mediados de los años treinta. Es un reto enorme llegar hasta ahí, pero creemos que es alcanzable".

Para ZeroAvia, llegar hasta ahí es un proceso diferente. ZeroAvia no es un fabricante de aviones y todavía es una empresa en fase inicial que tiene unos cuatro años y medio de vida. La directora financiera de Zero Avia, Katy Akulincheva, afirma: "Somos una empresa de propulsión. No estamos construyendo un nuevo avión. Estamos construyendo un nuevo sistema de propulsión que utiliza hidrógeno verde como insumo, inicialmente en forma gaseosa, pero con el tiempo también en forma líquida, y luego utiliza pilas de combustible para convertirlo de nuevo en electricidad. Elegimos ese sistema desde el principio porque es la mejor manera de llegar a cero y tener en cuenta también algunos de los efectos no relacionados con el CO2." Aquí se refiere a los gases tóxicos producidos tanto por los SAE como por la combustión del hidrógeno, que los ingenieros y científicos aún tienen que trabajar para eliminar.

Explica: "Vemos nuestro papel para escalar realmente esa solución concreta empezando por los aviones pequeños, donde la tecnología ya está, donde tiene que estar, para desplegarla a muy corto plazo. Nuestro primer producto se introducirá en 2024, y puede alimentar aviones de hasta 20 plazas". Más allá de estos objetivos, afirma: "Con el tiempo, creemos que la tecnología puede escalar a aviones de mayor tamaño hasta el espacio regional y, con suerte, más allá".

Justo el mes pasado, ZeroAvia comenzó a cooperar con Otto Aviation para desarrollar un sistema de propulsión de pila de combustible para un avión Otto de largo alcance. La cadena cinemática eléctrica de hidrógeno ZA600 de ZeroAvia se adaptará para el avión Celera de Otto Aviation.

Aunque Airbus es uno de los mayores fabricantes de aviones del mundo junto a Boeing, hay mucha admiración e interés por las empresas de nueva creación centradas exclusivamente en las emisiones cero. "Va a ser muy interesante ver cómo gente como ZeroAvia introduce productos mucho más pequeños. Van a arar un poco el surco por nosotros en términos de certificación", afirma Andy Reynolds.

Reequipamiento de los aviones existentes y paso al hidrógeno líquido

El sector de la aviación cuenta actualmente con unos 26.000 aviones comerciales en funcionamiento. La ingente tarea de descarbonizar el sector no sólo se basará en aviones completamente nuevos o en el uso de nuevos combustibles en aviones viejos, sino también en el reequipamiento de aviones viejos con nuevas cadenas cinemáticas.

Este es el objetivo de una asociación público-privada que acaba de comenzar en los Países Bajos llamada HAPPS, siglas de Sistema de propulsión y almacenamiento de hidrógeno para aeronaves. Esta importante asociación está construyendo un sistema de hidrógeno que puede utilizarse para reequipar los aviones regionales existentes. Los socios esperan que este sistema permita el despegue de aviones comerciales propulsados por hidrógeno con su ayuda en 2028 y aspiran a que los aviones tengan una capacidad de 40-80 plazas. La empresa ya aspira a que en 2024 haya un avión comercial de 10-20 plazas propulsado por hidrógeno.

El sistema HAPPS prevé sustituir un motor turbohélice de combustión clásico por motores eléctricos que obtengan su energía de sistemas de pilas de combustible colocados en las bahías del motor, detrás del motor y los propulsores. Los depósitos de hidrógeno líquido se colocarán en la cola del avión. Sin embargo, al igual que Airbus, ZeroAvia y otros, HAPPS tendrá el reto de los tanques criogénicos de almacenamiento de hidrógeno líquido para alcanzar una mayor densidad energética. Éste ha sido uno de los principales objetivos de Airbus.

En En mayo, Airbus inauguró un Centro de Desarrollo de Emisiones Cero (ZEDC) para las tecnologías del hidrógeno en el Reino Unido. Una de las prioridades de la ZEDC británica de Filton, cerca de Bristol, será el desarrollo de un depósito criogénico de bajo coste. Según Reynolds, "una cosa que Airbus tiene muy clara es que no somos expertos en hidrógeno criogénico, y que es difícil". Sin embargo, añade, "es realmente interesante como ingeniero iniciarse en ello". Así que reclutar a gente para que se una al proyecto no es un problema. Conseguir que se alineen y cumplan es más difícil y comprender la escala de todas las cosas que tenemos que hacer."

En Alemania se ha producido recientemente un gran avance en este frente: El desarrollador alemán de aviones de pila de combustible H2FLY afirma que ha iniciado los preparativos finales para la integración de depósitos de hidrógeno líquido en el avión de pruebas HY4. Está previsto que a principios de 2023 comience un programa intensivo de pruebas en tierra.

¿Se está haciendo lo suficiente con la suficiente rapidez?

Lo que rápidamente quedó claro es que el hidrógeno, ya sea para el SAE, la tecnología de pilas de combustible o la combustión, es el futuro de la aviación más allá de los combustibles fósiles, pero ¿cuándo crecerá a escala? Aquí Reynolds señaló que mucha gente de todo el sector del hidrógeno habla de reducir el coste del hidrógeno verde. "Aquí siempre hablamos del hidrógeno verde y de que es fundamental hoy en día". Y explica: "Ambos extremos de esa ecuación probablemente van a cambiar. El precio del queroseno probablemente va a subir y, con suerte, podremos hacer que baje el precio del hidrógeno". Y la razón por la que Airbus está invirtiendo mucha gente y recursos y dinero en tecnología de emisiones cero es para que tengamos una opción para las aerolíneas el día en que el hidrógeno sea obviamente el combustible elegido."

No se sabe con certeza cuándo llegará ese día. Cuando se le pregunta qué podría ocurrir si el precio del petróleo -y por tanto del combustible para aviones- sube más rápido de lo previsto, Reynolds responde: "Estamos presionando mucho a los proveedores y a nosotros mismos en el lado de la oferta. ¿Es lo suficientemente rápido? Bueno, el tiempo lo dirá".

Informe de Carrie Hampel, edición de Nora Manthey