Airbus desvela un motor que funciona con pila de hidrógeno

El motor

Hoy día 30 de noviembre se ha celebrado el primer día del Airbus Summit 2022, durante el que se han presentado distintas novedades sobre los desarrollos de la compañía.

Posiblemente el más llamativo ha sido la presentación de su motor eléctrico alimentado por pila de hidrógeno, y todo el ecosistema que trae consigo.

El sistema de propulsión se está considerando como una de las posibles soluciones para equipar su avión de cero emisiones que preveen que entrará en servicio en 2035.

Airbus comenzará las pruebas en tierra y en vuelo de esta arquitectura de motor de pila de combustible a bordo de su avión de demostración ZEROe a mediados de ésta década. El avión de prueba de vuelo A380 MSN1 para nuevas tecnologías de hidrógeno se está modificando actualmente para transportar tanques de hidrógeno líquido y sus sistemas de distribución asociados.

Las celdas de combustible son una solución potencial para ayudarnos a lograr nuestra ambición de cero emisiones y estamos enfocados en desarrollar y probar esta tecnología para comprender si es factible y viable para la entrada en servicio de un avión de cero emisiones en 2035. A escala, y si se alcanzaron los objetivos tecnológicos, los motores de pila de combustible podrían impulsar un avión de cien pasajeros con un alcance de aproximadamente 1000 millas náuticas. Al continuar invirtiendo en esta tecnología, nos brindamos opciones adicionales que informarán nuestras decisiones sobre la arquitectura de nuestro futuro avión ZEROe, cuyo desarrollo pretendemos lanzar en el período 2027-2028.

Glenn Llewellyn, VP Zero-Emission Aircraft, Airbus

El avión en el que se ensayará

El avión en el que se ensayará no nos es del todo desconocido. Es el mismo A380 que ya presentáramos, que va a servir como banco de ensayos para la tecnología que rodea al hidrógeno, desde el motor a los depósitos criogénicos.

El A380 fue la elección obvia como banco de ensayos. Tiene mucho espacio interno y es sencillo acomodar no solo los nuevos sistemas, sino todos los asociados con los ensayos en vuelo. Además, el MSN001 ya tiene de por sí mucha instrumentación de ensayos en vuelo ya instalada y lista.

La instalación en el costado trasero del motor permite que al motor el aire le llegue «limpio», sin perturbaciones previas, y se espera que el flujo aguas abajo del motor y su hélice no causen problemas de control ni interferencias con la cola.

Estructuralmente, habrá que reforzar dos cuadernas y todo el espacio comprendido entre ellas, para la instalación del soporte extra para ensayar motores.

Tanto los depósitos de hidrógeno como las líneas de suministro del motor estarán aisladas del resto del fuselaje mediante una campana parabólica de 10m de largo y 4 de ancho, que se fabricará en fibra de carbono en Nantes. Esta campana no estará presurizada, siendo su presión la misma que la presión atmosférica que haya fuera del avión, y aislará todas las rutas de suministro de hidrógeno del resto del avión.

Los depósitos criogénicos

Además, Airbus se adelantaba en un día al Airbus Summit hablando ayer de los depósitos criogénicos necesarios para este tipo de propulsión.

Estos depósitos almacenan el hidrógeno a -253ºC y nada tienen que ver con los actuales para queroseno. Su forma debe ser, idealmente, esférica, o al menos cilíndrica con casquetes hemiesféricos en sus exremos. Airbus no solo debe ensayar su fabricación y funcionamiento, sino que su uso le obligará a replantearse totalmente su ubicación. Actualmente el combustible viaja en las alas. En los aviones de ensayos viajará cerca de la sección 19, la que sujeta el empenaje. Pero en los aviones de producción podría ir ubicado en la parte trasera del fuselaje, a lo largo de los largueros del ala, en depósitos subalares o en forma de espina dorsal a lo largo del avión. ¡No hay nada definido y es un nuevo reto a solucionar desde cero!

La pila de hidrógeno

El santo grial de la propulsión es proporcionar energía a los motores sin emisiones. Uno de los candidatos más prometedores es la pila de combustible de hidrógeno. Básicamente consiste en realizar la reacción de oxidación del hidrógeno pero sin combustión, obteniendo así la energía en forma de corriente eléctrica en lugar de calor. Al utilizar hidrógeno como combustible, en lugar de un hidrocarburo, el resultado de su oxidación es tan sólo de agua, en lugar de dióxido de carbono y agua, que darían los hidrocarburos.

Las pilas de combustible no son nuevas, llevan entre nosotros desde 1838, cuando fueron inventadas por Sir William Grove. El primer avión de pila de hidrógeno voló en Ocaña en 2008. El reto es múltiple: producir hidrógeno a escala industrial, hacer que la alimentación de motor con hidrógeno sea segura, lograr un ecosistema de producción, distribución, almacenamiento y suministro de hidrógeno… en definitiva, llevar a una escala industrial lo que se ha demostrado que es viable a escala de ensayo. Por ello Airbus se está concentrando en el desarrollo de estas céldas, que apiladas dan la potencia necesaria, de pila de hidrógeno.

Hidrógeno en los aeropuertos

Pero la apuesta de Airbus no se limita sólo a los aviones, y pretende llevar el hidrógeno a todo el aeropuerto y sus vehículos auxiliares. Además, el hacerlo a pequeña escala le sirve ya como ensayo de lo que puede ser la gestión de hidrógeno a más grande escala.

Airbus ha firmado un acuerdo de asociación con HyPort, una empresa conjunta entre ENGIE Solutions y la Agencia Regional para la Energía y el Clima en Occitania (AREC), líder en el desarrollo de hidrógeno verde en Francia, para apoyar el desarrollo de uno de los primeros aeropuertos «de hidrógeno»del mundo, con estaciones de producción y distribución de hidrógeno. La construcción de la estación de hidrógeno en el aeropuerto de Toulouse-Blagnac se completó a principios de este año y los sistemas de producción, almacenamiento y distribución se encuentran actualmente en las pruebas finales.

La estación, que está prevista que entre en servicio a principios de 2023, tendrá una capacidad para producir alrededor de 400 kg de hidrógeno por día, lo que brindará la posibilidad de alimentar a unos 50 vehículos de transporte terrestre.

Airbus está trabajando con HyPort para poner en marcha un plan de despliegue para la expansión de estas operaciones.

La asociación también permitirá preparar un plan que describa los requisitos y brinde orientación sobre la seguridad de las operaciones, el cumplimiento normativo, la aceptación social, así como la inversión financiera necesaria para el uso generalizado de hidrógeno en los aeropuertos.

Nuestra participación en HyPort demuestra el progreso tangible que está logrando Airbus en su viaje para asegurar los futuros ecosistemas energéticos del mañana. El uso de hidrógeno para descarbonizar todo el transporte terrestre asociado al aeropuerto en el período de 2020 a 2030 allanará el camino para la disponibilidad de hidrógeno para aviones de cero emisiones para 2035.

Karine Guenan, VP ZEROe Ecosystem, Airbus

Ariane, el aliado de Airbus para aprender a gestionar una aeronave con hidrógeno

El sector que más experiencia tiene en la gestión del hidrógeno como combustible, es el espacial. Así pues es totalmente lógico y esperable que Airbus haya encontrado su aliado en Ariane Group, que lleva más de 40 años utilizando el hidrógeno como combustible en sus lanzadores.

Airbus y ArianeGroup, una empresa conjunta propiedad a partes iguales de Airbus y Safran, y líder mundial en tecnologías de propulsión espacial, trabajarán juntos para construir la primera instalación de reabastecimiento de hidrógeno líquido para aviones ZEROe en el aeropuerto de Toulouse-Blagnac. La estación estará operativa en 2025.

ArianeGroup diseñará, producirá y respaldará las operaciones del sistema de abastecimiento de hidrógeno líquido necesario para el demostrador ZEROe de Airbus mientras se embarca en su campaña de pruebas en tierra y en vuelo, que comenzará a mediados de esta década.

La elección de Airbus como socio es un voto de confianza, que reconoce medio siglo de experiencia en hidrógeno líquido para la propulsión de cohetes Ariane. Estamos orgullosos de trabajar con Airbus en estos primeros pasos hacia aviones propulsados ​​por hidrógeno líquido. La aviación y el espacio son dos industrias pioneras. Unir nuestra experiencia es nuestra responsabilidad para enfrentar los desafíos del mañana. ArianeGroup, con sus habilidades y conocimientos únicos en el almacenamiento, prueba y uso de hidrógeno líquido, permite que nuevos sectores industriales en Europa aceleren su transición energética.

André-Hubert Roussel, CEO de ArianeGroup

Muchas de las tecnologías requeridas para un avión de cero emisiones ya están disponibles en otras industrias, y el manejo de hidrógeno líquido no es una excepción. Prepararnos para la entrada en servicio de un avión de cero emisiones en 2035 significa que debemos madurar todas las tecnologías requeridas en paralelo. Al asociarnos con ArianeGroup, aprovecharemos la reconocida experiencia en hidrógeno y otras tecnologías espaciales relevantes en la búsqueda de esta meta.

Sabine Klauke, directora técnica de Airbus

Podéis ver el Airbus Summit Day 1 en Youtube

Rolls Royce y easyJet ensayan el primer motor de avión de hidrógeno moderno

Rolls-Royce y easyJet han confirmado hoy, mediante nota de prensa, que han establecido un nuevo hito en la aviación realizando las primeras pruebas modernas con hidrógeno en un motor a reacción.

La prueba se llevó a cabo al aire libre en una instalación de ensayos del ministerio de defensa británico en Boscombe Down, utilizando un motor adaptado, el turbohélice Rolls-Royce AE 2100-A.

La prueba en tierra se ha llevado a cabo con hidrógeno verde, creado por la energía eólica y mareomotriz, suministrado por EMEC (Centro Europeo de Energía Marina), en Eday en las Islas Orcadas, Reino Unido.

Tras el análisis de esta primera prueba de concepto en tierra, la asociación planea una serie de pruebas adicionales que conduzcan a una prueba en tierra a gran escala de un motor a reacción Rolls-Royce Pearl 15.

Ambas compañías se han propuesto demostrar que el hidrógeno puede suministrar energía de manera segura y eficiente a los motores de aviación civil y ya están planeando una segunda serie de pruebas, con la ambición a más largo plazo de realizar pruebas de vuelo.

La asociación está inspirada en la campaña global Race to Zero respaldada por la ONU a la que ambas compañías se han suscrito, comprometiéndose a lograr cero emisiones netas de carbono para 2050.

Fuente: Rolls Royce

Tupolev Tu 155: el avión a hidrógeno ruso de los años 80

Si los estadounidenses hacían volar su avión de hidrógeno en los 50, el Bee Project, los rusos lo hacían en los 80. Y como veis ya se planteaban soluciones de diseño de almacenaje de hidrógeno similares a las que se plantean hoy en día.

Tu 155

A mediados de la década de 1970, la estrategia energética dominante en la URSS suponía que la energía atómica sería la predominante, mientras que el petróleo y el gas deberían considerarse de menor importancia en vista de su escasez, pues se creía que se acabarían muy pronto.

Se inició Programa de Energía de Hidrógeno. Los especialistas de Tupolev participaron en el programa. Alexey Tupolev tomó una decisión valiente: construiría aviones a hidrógeno.

Y se diseñó un avión, el Tu-155, que fue construido y probado con éxito, sin incidentes. Fue precedido por un programa de ensayos en banco en tierra, destinado a probar el funcionamiento de nuevos sistemas (¡más de 30 en la aeronave!) y verificar que su operación era segura.

Finalmente, la estrategia energética mencionada anteriormente no fue la que triunfó. La energía atómica no dominó el panorama. Fue el gas natural. El contenido de gas natural

Es por eso que Tupolev apostó finalmente por no usar no solo hidrógeno líquido sino también gas natural licuado (GNL). Así se construyó la primera Aeronave Criogénica del mundo.

Las notables propiedades del hidrógeno líquido como combustible de aviación y su alta limpieza ecológica, atrajeron la atención de los especialistas en aviación hacia este tipo de combustible. El hidrógeno líquido permite mejorar significativamente el rendimiento de las aeronaves, para construir aeronaves incluso que operen a velocidades de M>6.

Sin embargo, el precio extremadamente alto del hidrógeno líquido ha hecho que su uso comercial sea imposible durante mucho tiempo.

El «Programa de desarrollo de la aviación civil rusa para el período de 2002 a 2010 y hasta 2015» concluía que, en un primer paso, habría que introducir el GNL como combustible. Posteriormente llegaría el hidrógeno..

El gas natural se suministraría a cada aeródromo a través de tuberías. Su alta capacidad energética haría posible construir aeronaves con un rendimiento significativamente alto en comparación con las aeronaves que utilizan queroseno.

La reducción de emisiones utilizando el GNL se reduciría de la siguiente manera: monóxido de carbono: 1 a 10 veces, hidrocarburos: 2,5 a 3 veces, óxidos de nitrógeno: 1,5 a 2 veces, hidrocarburos aromáticos policíclicos, incluido el benzapireno, 10 veces.

El TU-155 fue construido sobre un TU-154B de serie. Para utilizar combustible criogénico, se modificaron el fuselaje y algunos sistemas estándar. Se instalaron sistemas de carga, almacenamiento y alimentación de combustible criogénico que garantizaban la seguridad contra incendios/explosiones, y también el sistema de adquisición y registro de datos.

Por motivos de seguridad, el sistema de combustible criogénico experimental se colocó dentro de un compartimento especial aislado de los compartimentos del fuselaje adyacentes mediante áreas de amortiguamiento provistas de un sistema de ventilación.

El motor experimental NK-88 impulsado por GNL o hidrógeno estba ubicado en la góndola derecha.

El combustible criogénico se mantenía en un tanque de combustible de 17,5 m3 de capacidad instalado en la parte trasera de la cabina de pasajeros. Para cargar la aeronave con combustibles criogénicos, se hizo un sistema de carga especial que, por seguridad, se ubicó en un lugar aislado, en el que también se alojó aire acondicionado.

Se ensayaron en tierra todos los sistemas nuevos del Tu-155 en busca de los problemas que pudieran surgir en el aire o, mejor dicho, para que no surgieran problemas en el aire. El 15 de abril de 1988, la aeronave realizó su vuelo inaugural utilizando hidrógeno líquido. El 18 de enero de 1989, el TU-155 realizó su primer vuelo con gas natural licuado. Se cumplió un gran programa de pruebas de vuelo, se realizaron varias demostraciones de vuelo internacionales, incluidas las de Bratislava, Niza, Berlín y Hanover.

El motor empleado fue el NK-88, un derivado del turbofan Kuznetsov NK-8-2, con un empuje 20945 Ib (9500 kg), el mismo que el del motor original.

El tanque principal, de 3,1 m de diámetro y 5,4 m de largo, era de aleación de aluminio AMG6 (en designación americana es similar al 5182), y tenía un revestimiento aislante de 50 mm de espuma de poliuretano. El motor NK-88 tiene una bomba centrífuga de dos etapas dedicada impulsada por una turbina de aire sangrado del motor. El GNL llegaba a -152°C pasaba a través de un intercambiador de calor para convertirlo en gas. La cámara de combustión del motor podía aceptar este suministro de GNL, hidrógeno o queroseno, que normalmente se usa para los otros motores.

Esquema logística en tierra

El desarrollo del TU-155 no sólo sirvió para entender cómo había que diseñar un avión a hidrñogeno, sino que se aprendió qué nuevas especialidades en ingeniería serían necesarias dentro de una compañía fabricante de aviones, que infraestructura terrestre criogénica era necesaria, cómo sería la logística para suministrar el combustible al avión, las medidas a tomar para garantizar la seguridad contra incendios/explosiones de aeronaves criogénicas y los equipos de soporte en tierra…

Era capaz de transportar 14 t de carga útil para una distancia de 2600 km con GNL y una distancia de 3300 km con GNL y queroseno.

Las empresas que participaron en el programa fueron, además de Tupolev: Kuznetsov, UKBM, OKB Crysta, GUP AKB, KKB Armaturproekt, AO tekhpribor, EPO Signa, KPKB Kriogenmash, NPO Khimavtomatika, TsIAM ( Instituto central científico de investigación de motores de aviación) , TsAGI ( Instituto central de aerohidrodinámica), VIAM (Unión científica para la investigación de materiales de aviación), GIPKh (Instituto estatal de química), VNIIPO, GosNIIGA ( Instituto estatal de investigaciones científicas para la aviación civil) , J.I.N.R., KHFTINT, KBOM, Gazprom, MGPZ y otras.

Los resultados fueron tan prometedores que se iniciaron los desarrollos de otros cuatro aviones con este sistema criogénico que permitía volar con hidrógeno o gas natural licuado, los Tupolev Tu 204K, 330K, elregional Tu-136 y el Tu 334.

Tu-204K
Tu-330K
Tu-334K
Tu-136
Tu-136

Fuentes

H2Fly pone el récord (no oficial) de altitud para aviones de hidrógeno por encima de los 7000ft

H2Fly

«Más alto, más rápido, más lejos» y, ahora, más verde. Primero mantenerse en el aire unos minutos. E ir ampliando la envolvente de vuelo poco a poco, con vuelos de más alcance, con cruces de estrechos, mares y océanos; con vuelos de mayor altitud, sobrevolando campos, ciudades y cordilleras.

Los aviones eléctricos y los de hidrógeno están ahora recorriendo el mismo camino que recorrieran desde 1903 los aviones con motores de combustión. H2Fly ha roto, en concreto, el récord de altitud de aeronaves de hidrógeno, sobrepasando los 7000 pies en un vuelo entre dos aeropuertos comerciales, Stuttgart y Friedrichshafen, cuando desplazó su aeronave cuatriplaza a la feria AERO. Durante el vuelo alcanzaron los 7230 pies con su HY4.

Este es un notable logro para H2FLY, ya que ningún otro avión de pasajeros propulsado por hidrógeno ha volado entre dos aeropuertos comerciales hasta la fecha. También estamos encantados de haber establecido lo que creemos que es un nuevo récord mundial al alcanzar una altitud de más de 7,000 pies con nuestro avión HY4. Queremos agradecer a nuestros socios desde hace mucho tiempo Aeropuerto de Stuttgart, Universidad de Ulm, DLR Stuttgart, Aeropuerto de Friedrichshafen, y AERO Friedrichshafen, por apoyarnos en nuestra misión de hacer realidad los viajes sostenibles».

Prof. Dr. Josef Kallo, co-founder and CEO of H2FLY

El avión HY4 es un demostrador tecnológico, en el que la empresa va integrando y probando las diversas soluciones. Pero la visión de futuro de la compañía es llegar a producir aerotaxis para 4-6 pasajeros y 500km de alcance, aviones de negocios para 19 personas y 1500km de alcance y aviones regionales para hasta 40 pasajeros y 2000km de alcance.

vía H2fly

APUS presenta su depósito de hidrógeno integrado en la estructura del ala

Diseño del ala con los cuatro largueros-tanques de hidrógeno

En estos días son numerosas las compañías que están presentando sus prometedores aviones a hidrógeno. Si bien la tecnología no es nueva, hasta ahora todas las empresas han fallado en lo básico: cómo almacenar el hidrógeno. APUS ha presentado una solución que parece novedosa e interesante. Se aleja de los grandes depósitos cilíndricos dorsales o situados tras el pasaje, y opta por integrarlos en la estructura del ala.

Sección del ala de un avión APUS donde se ven los cuatro largueros y el revestmiento

La estructura del ala, multilarguero, está diseñada íntegra en fibra de carbono. Si bien las estructuras multilarguero no son novedosas, ni lo son las alas con depósitos de combustible integrados, sí lo es el utilizar cuatro largueros tubulares como depósitos de hidrógeno.

Los cuatro largueros-depósitos estarían presurizados, permitiendo por un lado soportar las cargas típicas de cualquier ala en vuelo y además transportar el hidrógeno, ahorrando espacio y peso, en comparación con otras aproximaciones tomadas hasta ahora para los tanques de hidrógeno.

Familia de aviones APUS, con el e2 en el centro, los aviones carguero (1770kg) y pasajeros (12 plazas) arriba y a la derecha, y el banco de ensayos desarrollado junto con Rolls Royce abajo a la izquierda.

Y éste es el diseño patentado por APUS que pretende montar en su familia de aviones, aún en desarrollo, que va desde el i2 cuatriplaza y bimotor hasta los más grandes para pasajeros, carga y banco de ensayos.

La empresa cuenta con certificado de DOA bajo EASA, con lo que espera poder certificar sus propios productos.

Estarán presentes en la próxima feria de ILA Berlín, y nosotros deseosos de ver lo que presentan y cómo evoluciona el proyecto.

Fuente: presentación en pdf de APUS