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Jul 27, 2023

El cambio de hidrógeno en la aviación: explorando pruebas y validación para la propulsión de hidrógeno

por Jack Roper A medida que nuestro clima empeora, la descarbonización se convierte en un imperativo cada vez más apremiante para los fabricantes de aviones. La Universidad de Coventry y la empresa de servicios de ingeniería FEV crearon conjuntamente el

por Jack Roper

A medida que nuestro clima empeora, la descarbonización se convierte en un imperativo cada vez más apremiante para los fabricantes de aviones. La Universidad de Coventry y la empresa de servicios de ingeniería FEV crearon conjuntamente el Centro de sistemas avanzados con bajas emisiones de carbono para desarrollar las diversas tecnologías de propulsión que exige este esfuerzo.

"Tenemos cinco células de prueba de propulsión, inicialmente diseñadas para probar motores de combustión y mejoradas para admitir otros sistemas de propulsión con bajas emisiones de carbono", afirma el director de C-ALPS, el Dr. Simon Shepherd. “Cada uno tiene capacidad de emulación de batería y suministro de combustible de gasolina, diésel e hidrógeno.

“Los dinamómetros proporcionan carga mecánica o podemos alimentar un banco de pruebas de accionamiento eléctrico. Las celdas tienen agua refrigerante y extracción de aire para humos o fugas de hidrógeno”.

FEV (Forschungsgesellschaft für Energietechnik und Verbrennungsmotoren) utiliza principalmente estas células de prueba para pruebas de sistemas de propulsión por contrato, mientras que laboratorios especializados se adaptan a la investigación de componentes y subsistemas fundamentales. Hay laboratorios para electrónica de alto y bajo voltaje, pruebas de hidrógeno y creación de prototipos de celdas.

"Hacemos caracterización de baterías e investigamos técnicas de diagnóstico", dice Shepherd. "Queremos comprender las palancas que mejoran el rendimiento de la batería, ya sea mediante una carga más rápida o una mayor vida útil, densidad de energía o densidad de potencia".

C-ALPS crea una continuidad ilimitada de investigación académica y comercial. La Universidad de Coventry tiene una historia de instalaciones como el Instituto de Ingeniería y Fabricación Avanzada basadas en sólidas asociaciones industriales. En 1978, FEV nació como una filial de la Universidad de Aquisgrán de Alemania, donde mantiene una estrecha colaboración en investigación.

Jörn Behrenroth, director general de FEV Reino Unido

"En 2013, buscamos una colaboración universitaria similar para servir a nuestros clientes del Reino Unido", explica el director general de FEV Reino Unido, el Dr. Jörn Behrenroth. “Coventry tenía ambición y se consideraba un disruptor. Para las empresas alemanas construir en el Reino Unido es difícil, pero eso es lo que hace la Universidad. Compartimos instalaciones, coordinamos inversiones e impulsamos los temas en los que queremos trabajar”.

El arrendamiento a largo plazo de FEV dio a Coventry confianza para invertir en capacidades de prueba de sistemas de propulsión a una escala que supera la de la mayoría de las universidades. La FEV cofinancia estudios de doctorado y garantiza la relevancia industrial de la investigación académica.

"Nuestras operaciones internacionales significan que entendemos las necesidades de la industria y podemos proporcionar datos industriales", dice Behrenroth.

“Un estudiante de doctorado que desarrolla un algoritmo de control de optimización de la batería puede pasar meses creando un modelo para probar el algoritmo. FEV ya tiene esos modelos, lo que significa que pueden centrarse en desarrollar y probar la solución”.

Concebido inicialmente como un banco de pruebas de motores, C-ALPS evolucionó para adaptarse a proyectos de electrificación. En 2020, quedó claro que el hidrógeno también desempeñaba un papel en la descarbonización del transporte y los socios invirtieron £3 millones (USD 3,7 millones) durante dos años en capacidades de prueba de hidrógeno.

"La Universidad de Coventry financió la conversión de una celda de prueba para demostrar que tenía sentido", dice Behrenroth. “El FEV siguió con una importante actualización de las otras células. A veces resulta difícil para las organizaciones comerciales presentar argumentos de inversión por adelantado. Ahora podemos comenzar con un pequeño paso tentativo para probar el mercado”.

C-ALPS ya ha conseguido 4 millones de libras esterlinas (5 millones de dólares estadounidenses) en contratos de prueba de hidrógeno y se ha comprometido a un suministro a largo plazo de hidrógeno en cantidades industriales, beneficiando tanto a la investigación comercial como a la académica. Un laboratorio de pilas de combustible de 100 m2, terminado en 2021, permite una investigación rentable y de corta duración.

"Una pila corta de pilas de combustible de 10 kW puede ser un subconjunto de la pila de 100 kW necesaria para la propulsión de vehículos", explica Shepherd. "Permite realizar pruebas a subescala de nuevos materiales o del rendimiento del núcleo en diferentes condiciones a un costo reducido antes de ampliarlo".

El laboratorio de investigación de pilas de combustible de hidrógeno de C-ALPS se inauguró en 2021 para la investigación de pilas cortas y de pilas

El Dr. Oliver Curnick dirige el Grupo de Investigación sobre Energía del Hidrógeno de la Universidad de Coventry, que estudia tanto la propulsión como la producción de hidrógeno. Curnick ve la conversión de hidrógeno principalmente como un desafío de escalamiento, que la asociación con FEV permite a los científicos de Coventry abordar de manera realista.

"Los laboratorios universitarios suelen tener sistemas de subescala", afirma Curnick. “Los electrodos de las pilas de combustible pueden tener 25 cm2. La infraestructura más capaz de FEV facilita las pruebas a escala de aplicación, con varios cientos de electrodos, lo que hace que nuestra investigación sea relevante para los desafíos de ampliación que enfrenta la industria. Estamos desarrollando sensores in situ para medir las concentraciones de oxígeno dentro de las pilas de combustible. La evaluación a la escala adecuada nos muestra cómo mejorar su rendimiento en sistemas reales”.

La Universidad de Coventry trabaja con socios industriales en proyectos liderados por FEV y a través de sus propios contratos directos. Las instalaciones de creación de prototipos de baterías C-ALPS permiten a los académicos fabricar y probar nuevas tecnologías de celdas en formatos de aplicaciones automotrices. C-ALPS participa en proyectos de colaboración financiados por el gobierno o la UE, como CoacHyfied, a los que la participación de FEV mantiene un buen acceso post-Brexit.

La instalación de almacenamiento de hidrógeno tiene capacidad para albergar tubos y remolques

"Tenemos estudios de investigación de doctorado financiados total o parcialmente por socios industriales, con acceso a algunas instalaciones", dice Shepherd. “Tienen un ritmo más lento pero pueden impulsar ideas con una baja inversión. Podemos tener un estudiante trabajando en un pequeño motor de scooter y una prueba de motor comercial a gran escala en salas adyacentes”.

El enfoque C-ALPS es multisectorial y tecnológico. Si bien el hidrógeno puede resultar apto para autocares y camiones de cero emisiones, los turismos parecen tomar un rumbo diferente hacia la electrificación. En este caso, el trabajo se centra en mejorar la practicidad de los vehículos eléctricos de batería (BEV) al permitir una carga rápida sin comprometer la vida útil de la batería.

"La creación de prototipos de baterías ayuda a los clientes a buscar nuevos materiales", dice Shepherd. "El desarrollo de técnicas de detección avanzadas para monitorear y comprender los parámetros internos de las baterías podría permitirnos modelarlos y gestionarlos mejor en uso".

Los sistemas de propulsión por batería y por hidrógeno deben aspirar a la madurez de la tecnología de motores tradicionales optimizada durante cien años. Hoy en día, se recomienda a los propietarios de BEV que no carguen completamente y lleven efectivamente un 20% de capacidad adicional solo para salvaguardar la vida útil de la batería.

"Los bancos de pruebas de motores miden la presión de los cilindros, las temperaturas internas y modelan patrones de remolino", dice Behrenroth. “Queremos hacer lo mismo con otras tecnologías. Los sensores in situ revelarán cómo los procesos electroquímicos afectan la longevidad de las células y permitirán que baterías más pequeñas y livianas funcionen con menos margen de seguridad.

"La Universidad está desarrollando un microprocesador para distribuir información de sensores internos a un sistema de gestión de baterías".

Nuevos sensores in situ iluminarán los procesos internos tanto de las baterías como de las pilas de combustible. Para 2040, FEV proyecta que el 86% de los turismos serán eléctricos de batería, el 12% con pilas de combustible y el 2% con combustión de hidrógeno. Curnick anticipa un nicho de mercado para los coches de hidrógeno.

Las instalaciones de C-ALPS incluyen los últimos bancos de pruebas y bancos de pruebas de motores termodinámicos y sistemas de propulsión electrificados.

Los aviones cumplen perfiles de misión extendidos y, si bien las baterías pueden impulsar los taxis aéreos urbanos, Shepherd percibe un consenso en que las turbinas de hidrógeno o las celdas de combustible deben impulsar aviones regionales más grandes. C-ALPS puede probar sistemas de propulsión de pilas de combustible a una escala de 500 kW y las pruebas de pila corta podrían ofrecer aumentos de densidad de potencia para cumplir con las limitaciones volumétricas y de peso en el diseño de aeronaves.

"Los aviones eVTOL pueden beneficiarse de la fertilización cruzada con la optimización validada del tren motriz de los automóviles", dice Behrenroth. “Hacemos pruebas de células comerciales para fabricantes aeroespaciales. Podemos poner un tren motriz con una celda de combustible en una celda de prueba, aplicar una carga y ejecutar simulaciones del tren motriz en el circuito para evitar riesgos en el desarrollo”.

Curnick duda de que el almacenamiento de hidrógeno sea suficiente para vuelos de larga distancia en aviones de fuselaje ancho. Actualmente, cree que la combustión ofrece el sistema de propulsión de hidrógeno más viable, pero espera que los sistemas de pilas de combustible superen la densidad de potencia de las turbinas y sean viables para aviones más pequeños a mediados de la década de 2030.

"Incluso los aviones ligeros necesitarán hidrógeno líquido para alcanzar las densidades de potencia requeridas", afirma Curnick. "Por lo tanto, debemos desarrollar métodos y tecnologías para manejar hidrógeno a temperaturas criogénicas (líneas de transferencia, compresores, secadores, medidores de flujo) lo suficientemente robustos y confiables para la industria aeroespacial comercial".

La investigación de C-ALPS sobre la producción de hidrógeno explora tecnologías novedosas para mejorar la eficiencia de la compresión de hidrógeno que consume mucha energía. Alrededor del 95% del hidrógeno producido en el Reino Unido se deriva del metano, un gas de efecto invernadero 30 veces más potente que el CO2, indeseable en el sistema energético. C-ALPS aspira a desarrollar medios eficientes de electrólisis que produzcan más hidrógeno por kilovatio-hora de electricidad.

"La fuente fundamental de energía renovable subyace a cualquier combinación de tecnologías, ya sea que la usemos para producir hidrógeno o cargar baterías", dice Shepherd. “La hoja de ruta para lograrlo aún no existe. Entonces, construir la economía del hidrógeno es un problema del huevo o la gallina. Nadie comprará vehículos de hidrógeno si no tiene dónde repostarlos, por lo que los inversores no ven mercado para la producción de hidrógeno”.

La escasez de experiencia es una barrera para el desarrollo de sistemas de propulsión de hidrógeno y baterías. La Universidad de Coventry está reclutando personas con habilidades relevantes.

"La rápida transición hacia los motores de combustión está creando oportunidades", afirma Shepherd. “Hay nuevos actores y fabricantes de equipos originales que intentan cambiar su tecnología. Pero todo el mundo está luchando por encontrar personas con las habilidades pertinentes. Estamos haciendo la transición de nuestros programas de grado y ofreciendo cursos de reciclaje a los socios industriales”.

Paralizado por la magia de la electrólisis cuando era estudiante, Curnick ha visto ciclos sucesivos de exageración y desilusión en torno al hidrógeno. Esta vez cree que se mantendrá, pero aún ve riesgos comerciales y técnicos en el desarrollo de sistemas de propulsión o capacidad de producción electrolítica.

"El desarrollo debe estar respaldado por políticas gubernamentales", afirma. “El Instituto de Potsdam comparó recientemente las tasas históricas de crecimiento de diferentes tecnologías. Descubrió que sería necesario aumentar 6000 veces la capacidad electrolítica para alcanzar el cero neto en 2050. La única tecnología en la historia que creció más rápido que eso fueron las vacunas Covid-19”.