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PILAS DE COMBUSTIBLE EN EL SECTOR AERONÁUTICO Realizado por : Ana Isabel Castro Romero Sevilla, Junio 2014 Tutor: Felipe Rosa Iglesias

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PILAS DE COMBUSTIBLE EN EL

SECTOR AERONÁUTICO

Realizado por : Ana Isabel Castro Romero

Sevilla, Junio 2014

Tutor: Felipe Rosa Iglesias

2

Contenido

1.- OBJETIVO PFC.................................................................................................................... 4

2.- PILAS DE COMBUSTIBLE..................................................................................................6

2.1. PILAS DE COMBUSTIBLE..................................................................................................6

2.1.1. Introducción...................................................................................................................6

2.1.2. Ventajas e Inconvenientes..............................................................................................6

2.1.3. Historia...........................................................................................................................8

2.1.4. Partes principales de una celda......................................................................................9

2.1.5. Sistema de celdas (apilamiento).- TIPOS Y COMPARATIVA..................................12

2.2. COMBUSTIBLE EMPLEADO.- EL HIDRÓGENO...........................................................19

2.2.1. Introducción. El Hidrógeno.........................................................................................19

2.2.2. Métodos de obtener el hidrógeno................................................................................20

2.2.3. Almacenamiento de hidrógeno a bordo de un vehículo..............................................23

2.3. APLICACIONES DE LAS PILAS DE COMBUSTIBLE EN EL

TRANSPORTE............................................................................................................................26

2.3.1. Aplicaciones en el transporte ......................................................................................26

2.3.2. Aplicaciones en el sector aeronáutico/aeroespacial ....................................................28

3.- NECESIDADES ENERGÉTICAS EN EL AVIÓN...........................................................30

3.1. SISTEMAS DE LAS AERONAVES....................................................................................30

3.2. SISTEMA ELÉCTRICO DEL AVIÓN................................................................................32

3.2.1. Evolución histórica......................................................................................................32

3.2.2. Normativa aplicable.....................................................................................................33

3.2.3. La calidad de la energía empleada...............................................................................34

3.2.4. Condiciones ambientales a las que están sometidas los equipos.................................34

3.2.5. Tipos de tensiones a bordo CC/CA..............................................................................35

3.2.6. Generación, almacenamiento y consumidores de energía eléctrica en el

avión......................................................................................................................................35

3.2.7. El concepto de Hibridación.........................................................................................36

3.3. TENDENCIAS FUTURAS EN EL AVIÓN.........................................................................37

3

4.- PILAS DE COMBUSTIBLE EN EL SECTOR AERONÁUTICO

Y AEROESPACIAL................................................................................................................40

4.1. Líneas de investigación y Proyectos....................................................................................40

4.1.1.Introducción..................................................................................................................40

4.1.2. Proyectos destacados en el sector aeronáutico.............................................................40

4.1.3. Líneas de investigación y mejora de pilas de combustible en el sector aeronáutico...44

4.1.3.1. Reformado de queroseno como fuente de hidrógeno a bordo del avión...........44

4.1.3.2. Pilas PEM de alta temperatura..........................................................................52

4.2. Pilas de combustible como nuevos generadores de energía en los aviones.........................53

4.2.1.APU/RAT con celdas de combustible..........................................................................54

4.2.2. Tendencia Boeing. MEA.............................................................................................60

4.2.3. Concepto de Airbus. Multifuncional fuel cells............................................................62

4.3. Ejemplos de avionetas y UAVs propulsados eléctricamente .............................................65

4.3.1. Reseña histórica...........................................................................................................66

4.3.2. Requerimientos para la propulsión..............................................................................67

4.3.3. Ventajas y desventajas de la propulsión eléctrica........................................................67

4.3.4. Ejemplos de aviones propulsados eléctricamente........................................................68

Helios- NASA....................................................................................................68

EC-003. Boeing..................................................................................................70

E-430. China.......................................................................................................72

Antares DLR-H2................................................................................................73

Ion Tiger-US Naavy...........................................................................................74

AVIZOR- INTA.................................................................................................75

5.- CONCLUSIONES FINALES..............................................................................................79

6.- BIBLIOGRAFÍA Y WEBSITES.........................................................................................81

4

1.-OBJETIVO PFC

El creciente volumen del transporte en la sociedad actual está contribuyendo a una

mayor presión sobre el medio ambiente, especialmente por lo que al cambio climático y a la

pérdida de biodiversidad se refiere. Las medidas adoptadas en la actualidad para contrarrestar

dicha tendencia pretenden desacelerar esta tasa de crecimiento. Los progresos tecnológicos

están consiguiendo reducir, pese a los crecientes volúmenes de tráfico, los niveles de

contaminación atmosférica generados por diversos tipos de transporte. Son el transporte aéreo y

por carretera los que crecen a mayor velocidad en la actualidad y por ello, los que mayores

emisiones de CO2 generan.

Una de las principales vías de desarrollo de nuevas tecnologías en este campo son las

pilas de combustible, ya que una de sus características inherentes es la emisión cero si se utiliza

como combustible hidrogeno puro. Es por esto que están siendo consideradas para su futura

incorporación en vehículos híbridos ultraligeros.

El uso de las pilas de combustible como alternativa a otros métodos de generación de

energía es una opción muy interesante en el sector de la aeronáutica y de la industria

aeroespacial. Estas pilas de combustible se alimentan principalmente de hidrógeno, aunque

también pueden trabajar con alimentaciones de metano, monóxido de carbono, metanol,

hidrocarburos,…. La ventaja de utilización de este combustible radica en el hecho de que no

produce residuos contaminantes, como el CO2 responsable del efecto invernadero, además de

producir agua como subproducto, susceptible de ser aprovechada en otras necesidades a bordo

del avión (cocina, aseos, calor,…). Su aplicación en el campo de la aviación tiene gran interés,

sobretodo en el terreno militar, porque son muy silenciosas (al no tener partes móviles no hacen

ruido, y los componentes no sufren tanto desgaste), producen una baja señal térmica y la gran

potencia que son capaces de desarrollar en un corto intervalo de tiempo les confiere la habilidad

de poder ganar gran altura rápidamente. Una de las limitaciones actuales para el desarrollo de la

tecnología de las pilas de combustible es la necesidad de encontrar una forma de producir y

almacenar hidrógeno de forma eficiente y con un coste asumible.

El hidrógeno se puede obtener por la electrolisis del agua, pero es un método bastante

caro. Una forma más económica es por reformado de combustibles, entre ellos el queroseno.

El uso extendido de la tecnología de las pilas de combustible permitirá optimizar la energía que

se puede extraer de los combustibles fósiles.

Pilas de combustible para el sector de la aeronáutica

Ya se han hecho diferentes pruebas en vehículos aéreos. Se han probado pilas de

combustible en UAVs (vehículos aéreos no tripulados) con gran éxito, pero la alimentación de

hidrógeno era externa, es decir, que el avión se cargaba de combustible hidrógeno y volaba

durante el tiempo estimado que durase el combustible. El Cryoplane de Airbus es un buen

ejemplo. El UAV dispone de una serie de tanques de almacenamiento de hidrógeno en la parte

superior del armazón.

El problema radica en que aún no existen “hidrogeneras” en los aeropuertos, y el

almacenamiento de hidrógeno es muy costoso, ya que requiere tanques a elevada presión y muy

voluminosos, debido a la baja capacidad de almacenamiento volumétrico que posee.

Una de las soluciones más eficaces pasa por la generación de hidrógeno a bordo del avión

a partir de hidrocarburos que emplean los aviones, en este caso, queroseno y todos los

5

combustibles de avión basados en él (Jet-A, JP-8, JP-10,…). Diseñar e implementar una nueva

infraestructura para el alimentar con hidrógeno las aeronaves es un proceso muy lento y costoso,

por lo que la mejor solución sería reformar éste combustible en el propio avión, puesto que la

infraestructura para repostar los aviones comerciales ya está montada en los aeropuertos.

Pilas de combustible para el sector espacial

El uso de las pilas de combustible como fuente de energía en misiones espaciales, tanto para

satélites como para estaciones espaciales, es considerada una alternativa muy válida respecto a

las usuales baterías de níquel/hidrógeno. De hecho, ya han sido usadas para proporcionar

electricidad en diversos sistemas de transporte espacial (Geminis, Apolo,…). El principal

problema es el alto coste, y la corta vida útil, pero son una opción muy atractiva por la elevada

densidad energética que poseen.

Se están llevando a cabo investigaciones en torno a incorporar pilas de combustible en el

vehículo espacial de maniobras (SMV) de la Fuerza Aérea estadounidense (US Air Force). La

alimentación de este vehículo aéreo no tripulado se basa en JP-10 (un fuel basado en queroseno)

y peróxido de hidrógeno. Su diseño está concebido para pasar un año en órbita. Un

funcionamiento óptimo del mismo pasaría por la incorporación a su estructura de pilas de

combustible de bajo coste y larga vida útil que puedan operar directamente con el JP-10.

La finalidad de este proyecto será en primer lugar dar una visión general de los tipos de

pilas que existen en el mercado, el combustible empleado, así como los diferentes usos en la

actualidad.

6

2.- PILAS DE COMBUSTIBLE

2.1) PILAS DE COMBUSTIBLE

2.1.1. Introducción

En esencia, una pila de combustible es un sistema electroquímico que convierte

directamente la energía química de un combustible, alimentado ininterrumpidamente, en energía

eléctrica (corriente continua) .

La pila de combustible presenta muchas ventajas pera también una serie de inconvenientes.

2.1.2. Ventajas e Inconvenientes

VENTAJAS

- BENEFICIOS MEDIOAMBIENTALES a) Altas eficiencias en la utilización de combustible. El hecho de que las pilas de

combustible realicen, a través de una conversión electroquímica, una conversión directa

del combustible a energía, hace que estos dispositivos sean capaces de producir más

energía con la misma cantidad de combustible de la que se produce en una combustión

tradicional. De esta forma su eficiencia no está vinculada a su temperatura máxima de

funcionamiento. Este proceso directo genera que las eficiencias puedan alcanzar valores entre

un 30-65% dependiendo del sistema de pila de combustible utilizado y que además, el calor

adicional producido pueda ser aprovechado. La Fig. 1 establece una comparativa entre la

eficiencia de las pilas de combustible comparada con otros sistemas de generación de energía

eléctrica.

Fig. 1 Comparativa de la eficiencia de las pilas de combustible y otros sistemas de

generación de energía eléctrica. [Ref 4]

7

b) Emisión cero de contaminantes. Cuando el combustible es hidrogeno, los productos

obtenidos en la reacción electroquímica catalizada de la pila de combustible son H2O, calor y

electricidad, en lugar de dióxido de carbono, óxidos de nitrógeno, óxidos de azufre y otras

partículas inherentes a la combustión de combustibles fósiles. La extracción de hidrogeno puro

se produce haciendo pasar a los combustibles fósiles por un reformador. Este proceso emite tan

solo una fracción de las emisiones que produciría una combustión tradicional de la misma

cantidad de combustible.

c) Reducción del peligro medioambiental inherente de las industrias extractivas.

Cuando el hidrogeno es producido a partir de fuentes renovables, las pilas de combustible no

generan el deterioro ambiental asociado a la extracción de combustibles fósiles de la Tierra. Un

escape de hidrogeno supone la evaporación instantánea del mismo debido a que este es más

ligero que el aire. De este modo, la utilización de hidrogeno seria una posible solución para

atenuar el impacto ambiental que han generado las perforaciones petrolíferas, el transporte, el

refino y los productos de desecho asociados.

- BENEFICIOS EN LA INGENIERIA

a) Admisión de diversos combustibles. Cualquier combustible que incluya hidrogeno en

su composición, puede ser reformado. De este modo, pueden emplearse para este proceso

combustible como el gas natural, el gasóleo o el metanol.

b) Altas densidades energéticas. La cantidad de energía que puede generar una pila de

combustible es dada generalmente en kph/l. Esta capacidad aumenta conforme se realizan

nuevas investigaciones y desarrollos en esta tecnología.

c) Bajas temperaturas y presiones de operación. Si se compara el rango de temperatura

que puede alcanzar una pila de combustible (entre 80 y 1000⁰ C dependiendo del tipo de pila)

con las temperaturas que alcanza una combustión interna en un vehículo (unos 2300⁰C) estos

dispositivos trabajan a temperaturas que pueden considerarse bajas.

d) Flexibilidad de emplazamiento. Las pilas de combustible pueden ser instaladas en

multitud de lugares dadas sus características inherentes: operatividad sin ruidos, emisión cero y

requerimientos mínimos.

e) Capacidad de cogeneración. El calor residual generado por la reacción

electroquímica que realiza la pila de combustible puede ser reutilizado dentro del sistema

alimentado por la misma. La capacidad de generación puede aumentar la eficiencia del sistema

hasta el 65%.

f) Carácter modular. La construcción modular de las pilas de combustible supone una

ventaja adicional: un cambio de escala en la potencia requerida se obtiene fácilmente mediante

la interconexión de módulos.

g) Simplicidad del dispositivo. Las pilas de combustible carecen de partes móviles, lo

que permite un diseño más simple, una mayor fiabilidad y operatividad, y un sistema menos

propenso al deterioro.

- SEGURIDAD ENERGÉTICA.

El hidrogeno utilizado como combustible puede ser producido a través del reformado de

gas natural, electrolisis del agua o fuentes renovables (eólica o fotovoltaica). El rápido consumo

de combustibles fósiles que requiera la sociedad moderna está acabando con un recurso

limitado.

La utilización de hidrogeno es ilimitada, y es por ello que una transición hacia una economía

basada en la utilización del mismo evitaría los problemas actuales asociados al agotamiento del

petróleo.

- INDEPENDENCIA DE LA RED DE SUMINISTRO.

Un sistema basado en pilas de combustible permite una independencia del mismo

respecto a la red de suministro eléctrico. Esto evita problemas cuando existen irregularidades en

dicha red, como cortes de corriente, que pueden causar daños al sistema.

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- PILA DE COMBUSTIBLE FRENTE A BATERIAS TRADICIONALES. Las celdas de

combustible ofrecen reducción en el peso y el tamaño para la misma cantidad de energía

disponible frente a las baterías tradicionales. Además, un incremento de energía en las mismas

tan solo supone un aumento de la cantidad de combustible a introducir en el dispositivo. Para

aumentar la energía en una batería, es necesario adicionar mas baterías, con las desventajas que

esto supone en incremento de coste, tamaño y complejidad. Una pila de combustible nunca se

agota: produce electricidad mientras se le suministre combustible. Cuando una batería se agota

debe ser sometida a un tiempo de recarga donde se reemplaza la electricidad gastada:

dependiendo de donde se genere la electricidad, la contaminación, los costes y los problemas de

eficiencia se transfieren de las baterías a la planta central.

INCONVENIENTES

- La producción de hidrogeno resulta costosa al no ser una fuente primaria.

- La obtención del hidrogeno puro supone un precio elevado.

- Alto coste destinado a los sistemas de almacenamiento y suministro.

- Elevado peso de las pilas de combustible para los prototipos actuales.

- Elevado gasto energético para licuar el hidrogeno.

- La producción de algunos componentes, al no ser a gran escala, aumenta el coste.

- Tecnología en desarrollo. Algunos problemas aún no resueltos afectan al funcionamiento de

las pila de combustible, especialmente en lo que respecta a su vida útil. Esto repercute en su

comercialización ya que cuenta todavía con una baja demanda, no pudiendo competir con

tecnologías convencionales. Conforme la demanda se incremente, los precios irán

disminuyendo.

- Sensibilidad hacia los venenos catalíticos. Los electrodos de los que se componen las pilas de

combustible incorporan catalizadores que favorecen el desarrollo de las reacciones

electroquímicas. El contacto con los llamados venenos catalíticos (monóxido de azufre o

monóxido de carbono) provocan su desactivación irreversible. En la actualidad se está

estudiando la sustitución de estos catalizadores por materiales más resistentes.

2.1.3. Historia

Las celdas de combustible cuentan ya con una larga historia. Los primeros experimentos

datan de 1838, cuando William Robert Grove, un abogado y científico de Gales, creó la "pila de

Grove". Ese dispositivo tenía un electrodo de platino inmerso en ácido nítrico y un electrodo de

zinc inmerso en sulfato de zinc. Generaba 12 amperios de corriente a 8 voltios y Grove lo llamó:

batería de celda húmeda. Luego creó una celda de combustible que contaba con dos electrodos

de platino. Uno de los extremos de cada electrodo se sumergía en ácido sulfúrico, mientras que

el otro se sellaba en receptáculos que contenían hidrógeno y oxígeno. El dispositivo producía

una corriente estable entre los dos electrodos y una cantidad cada vez mayor de agua en los

receptáculos cerrados. Con este dispositivo, Grove pudo descomponer el agua y luego volver a

formarla. Combinó una cantidad de conjuntos de estos electrodos en una "batería de gas".

En 1889 los químicos británicos Ludwig Mond y Charles Langer utilizaron aire y gas de

alumbrado en un intento por construir una versión práctica de la batería de gas de Grove y llamaron a este dispositivo "celda de combustible".

9

En 1932 el ingeniero británico Francis

Thomas Bacon modificó el diseño de la celda de

combustible de Mond y Langer. Bacon substituyó la

tela metálica de níquel por la de platino en los

electrodos y reemplazó el ácido sulfúrico utilizado

como electrolito por potasio alcalino, que es mucho

menos corrosivo. A esto lo denominó la "pila

Bacon", una primera versión de la pila alcalina. Pero

no fue sino hasta 1959 que Bacon finalmente creó

un dispositivo capaz de producir una cantidad

considerable de energía. Su dispositivo producía 5

kilovatios que alimentaban una soldadora.

Ese mismo año Harry Karl Ihrig, ingeniero

de la fábrica estadounidense de equipos agrícolas

Allis-Chalmers, construyó el primer tractor

propulsado a celdas de combustible. Ihrig creó una

batería de celdas de combustible de 1008 celdas, que propulsaba un tractor de 20 caballos de

fuerza.

El siguiente campeón en producción de energía mediante celdas de combustible fue el

organismo estadounidense NASA. A principios de la década de 1960, la NASA necesitaba una

forma de proporcionarles electricidad a los vuelos espaciales tripulados y las celdas de

combustible eran la solución. Eran más seguras que la energía nuclear, más barata que la solar y

más liviana que las baterías. Los problemas que la importación de petróleo ocasionó en la

década de 1970 en los Estados Unidos incremento el interés por el uso de celdas de combustible

en la Tierra. Los investigadores continúan buscando las mejores combinaciones de combustible,

electrodos y electrolitos para todo tipo de aplicaciones.

2.1.4. Partes principales de una celda

Una celda de combustible es un dispositivo relativamente simple. Consta de dos electrodos:

el ánodo (electrodo negativo) y el cátodo (electrodo positivo). Todas las reacciones químicas

tienen lugar en los electrodos y, para acelerar la reacción química, se recubren ambos electrodos

con un catalizador. Esta celda de combustible también contiene un electrolito que transporta las

partículas cargadas de un electrodo al otro. Pero la celda de combustible necesita dos cosas más

para que se produzca la reacción: oxígeno y, por supuesto, combustible. La mayoría de las celdas de combustible que están en desarrollo utilizan hidrógeno como combustible.

Fig 3.Ejemplo de una celda de combustible de hidrógeno.[Ref 9]

Fig 2.Ilustración cortesía de Royal Society,

Museo Nacional de Historia Natural.

Diagrama de la celda de combustible

de William Robert Grove

10

El hidrógeno ingresa a la celda y mediante una serie de reacciones químicas se combina con el

oxígeno para producir agua y electricidad.

Cómo funciona

El modelo más sencillo de pila consta de dos electrodos, un ánodo, negativo, y un

cátodo, positivo, ambos con platino como catalizador separados por un electrolito. El hidrógeno

entra en la pila por el ánodo y allí se disocia en iones hidrógeno y electrones. Los iones

hidrógeno pasan a través del electrolito hasta el cátodo. Los electrones del ánodo emigran por

un circuito exterior hasta el cátodo donde reaccionan con los iones hidrógeno y el oxígeno para

dar agua. Un esquema conceptual se presenta en la figura 3.

Reacciones químicas que tienen lugar.

Las reacciones que tienen lugar tanto en el ánodo como en el cátodo dependen del tipo

de pila de combustible, pero a modo de ejemplo, se describe la reacción más sencilla que es

aquella que ocurre entre hidrógeno y oxígeno puros. (Más adelante se verá en la clasificación de

las pilas de combustible la reacción que realmente ocurre en cada una de ellas). El hidrógeno

gaseoso es el combustible mayormente elegido dada su elevada reactividad (con el catalizador

adecuado) y su elevada densidad energética; el oxidante más común es el oxígeno, dada su

enorme disponibilidad.

La reacción global que se produce es:

H2 + 1/2 O2 H2O

Si bien en realidad tienen lugar dos reacciones distintas:

H2 2H+ + 2e- (ánodo)

1/2O2 + 2e- + 2H+ H2O (cátodo)

El hidrógeno y el oxígeno reaccionan entre sí espontáneamente a 580ºC (se produce una

violenta explosión) si bien esta reacción puede tener lugar a menor temperatura si es provocada

(con una chispa o llama, o en su caso con un catalizador adecuado). La velocidad de reacción en

una pila de combustible está controlada por el electrolito que separa físicamente a ambos gases.

El comportamiento ideal de una pila de combustible viene caracterizada por el potencial

de Nernst, que es su voltaje ideal. La ecuación de Nernst proporciona una relación entre el

potencial ideal normal (EO) y el potencial ideal de equilibrio. Conocido el potencial de Nernst

en condiciones normales (25ºC y 1 atm), y a través de su ecuación se puede conocer el potencial

para distintas presiones y temperaturas.

E = EO + (RT/2F) ln (PH2/PH20) + (RT/2F) ln (P1/2

O2)

Donde E y EO son los potenciales ideales en distintas condiciones, R la constante universal de

los gases, T la temperatura de trabajo de la pila, y P las distintas presiones de los gases (en este

caso hidrógeno, oxígeno y agua).

El máximo trabajo eléctrico que se puede obtener de una pila de combustible es:

Wel = ∆G = -n F E

Donde Wel es el trabajo eléctrico (o energía), ∆G la energía libre de Gibbs (que se define como

∆G =∆H – T ∆S y es una medida de la energía generada), n el número de electrones

intercambiados en la reacción, F la constante de Faraday y E el potencial electroquímico de la

celda.

El máximo potencial que puede producir una pila de combustible (suponiendo

comportamiento ideal y condiciones normales: 25ºC y 1 atm) es 1’229 V si el producto es agua

en estado líquido o 1’18 V si el agua se encuentra en estado gaseoso (la diferencia entre ambos

no es más que el calor de vaporización del agua). El potencial depende del tipo de pila y de las

condiciones de operación, aunque generalmente está en torno a la unidad. Como se ha visto, la

tensión está limitada por lo que para obtener mayores valores de tensión hay que conectar varias

celdas en serie. La intensidad por el contrario depende del área superficial de la pila de

combustible (normalmente se habla de densidad de corriente): cuanto mayor sea ésta, mayor

11

será la corriente que es capaz de suministrar. La densidad de corriente depende de cada

tecnología, aunque un valor medio puede ser 200 mA/cm2.

La potencia que es capaz de producir una pila de combustible depende de los valores de

intensidad y voltaje de la misma (obviamente la potencia es el producto de ambas). La forma de

obtener mayor de potencia es combinando las distintas celdas en un stack (conexión en serie

para aumentar el voltaje, o en paralelo para incrementar la intensidad, dependiendo de la

aplicación final). Cuántas más celdas tenga el satck mayor será el voltaje de éste en bornas y

cuanto mayor sea el área superficial de la pila mayor corriente será capaz de suministrar.

Por tanto, el comportamiento real de una pila depende de las variables de operación, tales como

temperatura, presión, composición de los gases, densidad de corriente, etc. y de otros factores

como las impurezas o la edad de la propia pila. Una vez se ha diseñado físicamente, la variación

de parámetros como la temperatura o presión de operación pueden mejorar o empeorar su

comportamiento.

El comportamiento real de una pila difiere del ideal por la existencia de una serie de

pérdidas: de activación, óhmicas y de concentración.

Fig.4. Curva del comportamiento real de una pila de combustible [Ref 10]

Cuando la densidad de corriente es pequeña predominan las pérdidas de activación (de la

reacción); en ese punto las barreras electrónicas han de ser superadas por la corriente iónica.

Éstas pérdidas aumentan con la corriente. Las pérdidas óhmicas varían directamente con la

corriente: aumentando en casi todo el rango de intensidades (la resistencia de las celdas

permanece constante). Y por último, las pérdidas de concentración, que predominan sobre todo

para corrientes de valor elevado, cuando es difícil suministrar suficiente flujo de reactivos a las

celdas, lo que ralentiza la reacción.

El rendimiento máximo de la transformación directa viene dado por el cociente entre la

energía libre y la entalpía del proceso. De ambas magnitudes se obtiene:

η = energía útil / ∆H = ∆G / ∆H = 1-T*(∆S/ ∆H)

La eficiencia máxima de una pila de combustible es de 0’83 suponiendo comportamiento ideal.

En la realidad esta eficiencia se encuentra entre un 40 y un 60%, dependiendo del tipo de pila.

Este rendimiento depende del voltaje que a su vez se incrementa al disminuir la intensidad de

corriente, lo que conlleva un aumento de rendimiento. No obstante, esto provoca que el área de

12

la pila sea mayor para poder dar la potencia requerida. Es por ello que se llega a una solución de

compromiso.

Comparando esta eficiencia con la de las máquinas térmicas, se observa claramente que es

mucho mayor, lo que viene justificado por la no-existencia del límite del ciclo de Carnot. No se

trata de un proceso termodinámico sino electroquímico. En una máquina térmica (ya sea una

turbina o un motor de combustión interna) el rendimiento se encuentra limitado superiormente

por la eficiencia del ciclo termodinámico de Carnot. Recordemos que la eficiencia máxima de

un proceso térmico viene dada por la siguiente expresión:

η= 1- T1 / T2

donde T1 es la temperatura mínima del proceso y T2 la máxima.

2.1. 5. Sistema de celdas (apilamiento).- TIPOS Y COMPARATIVA

Una única celda de combustible no produce suficiente electricidad para la mayoría de

los usos. Para producir una cantidad adecuada de energía, las celdas de combustible se colocan

en baterías de celdas de combustible. El tamaño de esta batería depende de la cantidad de

electricidad necesaria para el uso previsto, el tipo y el tamaño de la celda de combustible, su

temperatura operativa y la presión de los gases involucrados.

Algunos sistemas de celdas de combustible utilizan hidrógeno puro como combustible;

sin embargo, muchas otras usan hidrógeno no purificado o hidrocarburos, como el metanol, la

gasolina o el diesel. El problema con estos combustibles radica en que contienen moléculas,

como las de sulfuro de hidrógeno o de carbonilo, y estas moléculas pueden "envenenar" las

celdas de combustible y reducir considerablemente su eficacia. Las celdas de combustible que

utilizan este hidrógeno no purificado o combustibles hidrocarburos necesitan utilizar un

procesador de combustible. Este procesador de combustible convierte el combustible rico en

hidrógeno en una sustancia que la celda de combustible pueda utilizar. El tipo de proceso

realizado dependerá del combustible. Con el hidrógeno casi puro sólo es necesario filtrarlo. Los

hidrocarburos deben convertirse en compuestos de gas hidrógeno y carbono, una mezcla

denominada reformado. En algunos casos, este reformado también necesita que se lo procese

para eliminarle las impurezas antes de que se lo pueda utilizar en la celda de combustible. Las

celdas de combustible que operan a temperaturas muy altas pueden realizar este proceso en su

interior. El proceso de reformado genera un poco de CO2, aunque siempre en menor cantidad

que la que genera un típico motor de combustión.

13

Fig 5. Sistema de apilamiento de varias celdas en serie [Ref 7]

La electricidad generada por las celdas de combustible constituye una corriente continua

que fluye en una dirección. Sin embargo, la mayor parte de la electricidad que se le suministra a

las aplicaciones industriales es de corriente alterna, que fluye en ambas direcciones en ciclos

que se alternan. También se deben controlar el flujo, el voltaje y la frecuencia de una corriente

eléctrica, por lo que las celdas de combustible necesitan inversores y acondicionadores de

corriente para adaptar la electricidad generada.

La pieza final de un sistema de celdas de combustible consiste en el sistema de

recuperación del calor. Las celdas de combustible generan bastante calor o muchísimo calor

durante su funcionamiento, lo que depende del tipo de celda. A este calor se lo puede utilizar

para producir vapor para operar una turbina o un generador y generar así más electricidad. De esta forma se incrementa la eficiencia energética de un sistema de celda de combustible.

Tipos de celdas de combustible

En este momento están en desarrollo muchas celdas de combustible en laboratorios de

todo el mundo. Cada una de ellas utiliza distintos electrolitos y catalizadores y funcionan a

diferentes temperaturas operativas. Entre otras diferencias podemos mencionar su eficiencia

energética y la durabilidad del material. Algunas de estas celdas de combustible deben funcionar

sólo a base de hidrógeno puro, en tanto que otras pueden extraer el hidrógeno de combustibles

fósiles. Estas diferencias hacen que determinadas celdas de combustible sean más adecuadas

para usar en automóviles o autobuses, mientras que otros tipos de celdas funcionan mejor para

usos estáticos, como la generación de electricidad.

AFC (Alkaline Fuel Cell)

Estas pilas de combustibles trabajan entre 65 y 220 ºC y 1 bar. Su desarrollo comenzó en los

años 60, y ya fueron empleadas en las primeras misiones espaciales.

El electrolito conduce iones hidróxido, desde el cátodo hasta el ánodo. Suele ser una mezcla

fundida de hidróxido de potasio, de mayor concentración cuanto mayor sea la temperatura de

funcionamiento. Este electrolito permanece en una matriz, generalmente de asbestos.

Permite el uso de gran variedad de electrocatalizadores como níquel, plata, óxidos metálicos,

etc. lo que significa un menor coste de construcción (al poder emplearse un metal no noble

como catalizador). Por esta razón alcanzaron un gran desarrollo en todo el mundo y se pensó

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aplicarlas a la automoción. No obstante, los requisitos de pureza de los reactivos (son

intolerantes al CO2) han frenado su desarrollo.

Los electrodos suelen ser de níquel o carbón activo, aunque se sigue investigando en nuevos

materiales, como resina epoxy, polisulfuros, etc.

Como ventajas se pueden citar su baja temperatura de operación, corto tiempo de arranque, alta

eficiencia, catalizador no excesivamente costoso, la ausencia de corrosión y peso y volumen

reducidos.

Por el contrario, el monóxido de carbono actúa como un veneno y el dióxido de carbono,

reacciona con el electrolito, alterando su comportamiento (reduce su conductividad). La vida de

estas pilas es algo corta, y al ser el electrolito líquido su manejo es más complicado. El control

del agua resulta complejo. Trabajan con oxígeno e hidrógeno puros.

Las aplicaciones características de las pilas de combustible alcalinas han sido siempre

aeroespaciales (se usaron ya en las misiones “Apollo” y “Gemini”, aunque también se emplean

en aplicaciones móviles y estacionarias, para sistemas muy exigentes (dadas sus ya

mencionadas características de pureza del combustible que las alimenta).

MCFC (Molten Carbonate Fuel Cell)

Las celdas de combustible de carbonato fundido, originariamente desarrolladas a mediados de la

década de 1960, hoy en día se fabrican para uso industrial, militar y en servicios públicos. El

motivo principal: funcionan a altas temperaturas, alrededor de 650 °C (unos 1.200 °F, a una

presión entre 1 y 10 bar. Esta temperatura es requerida para lograr una suficiente conductividad

de su electrolito, el cual conduce iones carbonato desde el cátodo al ánodo. La composición del

electrolito es una mezcla fundida de carbonatos de litio y potasio, para operación a presión

atmosférica y de litio y sodio, para trabajar a presión. Estos compuestos que constituyen el

electrolito poseen una serie de propiedades muy interesantes como su elevada conductividad

entre los 600 y 700ºC, un punto de fusión bastante bajo y su ausencia de toxicidad. Esta mezcla

permanece en la pila gracias a la matriz cerámica de aluminato de litio y a las fuerzas de

capilaridad existentes. Los electrodos suelen ser de aleaciones de níquel, generalmente níquel reducido con cromo en el ánodo y níquel oxidado con litio en el cátodo

Como ventajas, se ha comprobado que el electrolito de carbonato de litio y sodio es mejor para

trabajar a elevadas presiones y además ofrecen mayor resistencia a la corrosión.

Además pueden funcionar tanto con hidrógeno puro como con hidrocarburos ligeros. El

hidrocarburo (por ejemplo metano) sufre una reacción de reformado al llegar al ánodo en

presencia de agua y absorber calor. Además dada su alta temperatura de operación no requieren

de electrocatalizador para que la reacción ocurra.

Otras ventajas que caben citar son una cinética de reacción es rápida y una eficiencia elevada.

Como inconvenientes, cabe citar el requisito de materiales adecuados para resistir elevadas

temperaturas, su elevada intolerancia al azufre, el electrolito líquido, y el excesivo período de

calentamiento requerido para su puesta en marcha.

El voltaje de cada celda está entre 0’7 y 1 V de corriente continua.

Las aplicaciones de estas pilas son típicamente estacionarias: generación centralizada de energía

eléctrica y cogeneración para aplicaciones industriales.

15

SOFC (Solid Oxid Fuel Cell)

Las celdas de óxido Sólido se encuentran dentro de las pilas de combustible de alta temperatura;

su temperatura de operación es de unos 1.000 ºC a una presión de 1 bar. Al ser la temperatura de

operación tan alta no se requiere de ningún electrocatalizador para que la reacción tenga lugar.

El electrolito es un óxido sólido no poroso (material cerámico), normalmente de zirconia

estabilizado con alguna tierra rara, como el ytrio, aunque también se puede dopar con calcio,

escandio o lantano para mejorar las propiedades. Es necesario que sea no poroso para evitar la

difusión de los gases de un lado del electrolito al otro, es decir, para evitar que las corrientes de

gases se mezclen y la pila de combustible pueda seguir funcionando correctamente. El

transporte iónico en el electrolito es llevado a cabo por el oxígeno, es decir los iones oxígeno

van desde el cátodo hasta el ánodo.

Existen dos configuraciones típicas: plana y tubular, dependiendo de la forma de las celdas.

Fig.6. Disposición tubular y plana (flujo cruzado) de dos pilas de combustible de óxido sólido [Ref 6]

La disposición tubular, como puede observarse en la Figura 6, consiste en tubos en paralelo

conectados entre sí por placas de níquel. Esta disposición lleva en desarrollo desde los años

cincuenta. Operan en un rango de temperaturas algo más elevado (entre 900 y 1.000ºC) que las

SOFC de disposición plana. La disposición planar resulta ser una disposición más compacta y

simple. Su temperatura de operación está en torno a los 800ºC, lo que permite el empleo de

mayor diversidad de materiales para su construcción (en comparación con la configuración

tubular). Se construye por deposición de capas de material ultrafinas, con el fin de que la

resistencia eléctrica tanto del electrolito como de los electrodos sea lo más pequeña posible, y

así lograr mayores eficiencias.

Los electrodos suelen ser de níquel o cobalto, y son materiales porosos, para permitir la difusión

de los gases hacia el electrolito y así conseguir una buena superficie de reacción.

El voltaje de celda oscila entre 0’8 y 1 V de corriente continua (DC).

Este tipo de tecnología presenta la ventaja de que puede reformar a tiempo real y en su interior

un hidrocarburo, ya que los iones que transporta el electrolito no son de hidrógeno sino de

óxido; este combustible puede estar húmedo o seco, y la elevada eficiencia de este tipo de

tecnología no se ve afectada. Además, la reacción que tiene lugar es muy exotérmica (este calor

puede emplearse para cogeneración) y su cinética muy rápida.

Por el contrario, requiere también el desarrollo de nuevos materiales para trabajar a altas

temperaturas: el material debe ser químicamente estable, y el coeficiente de dilatación ha de ser

el mismo para todos los materiales que constituyan la celda. Además son moderadamente

intolerantes al azufre.

Las aplicaciones típicas son para sistemas auxiliares en automóviles (pueden reformar gasolina),

pero sobre todo para generación de electricidad y calor (cogeneración) o también de forma

híbrida con una turbina de gas o de vapor

16

PEMFC (Proton Exchange Membrane Fuel Cell)

La celda de combustible de membrana de electrolito polimérico, también denominada de

membrana de intercambio de protones (PEM) está en desarrollo con el fin de que reemplace los

motores de gasolina y diesel. Al igual que muchas de las otras celdas, en un primer momento

estas celdas proporcionaron electricidad a las naves espaciales. Las celdas PEM viajaron al espacio con la misión estadounidense Geminis de la década de 1960.

Estas pilas de combustible trabajan entre 70 y 90 ºC y a presión comprendida entre 1 y 2 bar. En

este rango de operación son muy estables y resistentes, pero fuera de él, el comportamiento

decae drásticamente. El electrolito en las PEMFC es una membrana de polímero sólido. En este

tipo de membrana, los iones negativos permanecen en su estructura, y los iones positivos, en

este caso protones (H+), están libres y se mueven del ánodo al cátodo, generando así la corriente

de electrones a través de los electrodos. La conductividad iónica de esta membrana depende de

la temperatura, de la concentración ácida y de su hidratación o contenido en agua. Además, debe

de separar eficazmente los gases: no puede permitirse contacto entre los gases; de ser así se

produciría un cortocircuito químico y la pila de combustible dejaría de generar electricidad.

Fig 7. Celda tipo PEM [Ref 13]

Como ventajas de este tipo de pila se puede mencionar su alto rendimiento ( hasta un 40%), ser

una tecnología limpia, bajo mantenimiento, fiabilidad y silencio (ya que no está compuesta de

elementos mecánicos ni móviles, por lo que no produce ruidos). También cabe citar su carácter

portátil ya que se pueden fabricar pilas desde unos cuantos watios, hasta cientos de kw, y en el

tramo intermedio se pueden conseguir aplicaciones perfectamente portátiles como requiere un

vehículo.

Como inconvenientes se puede decir que no existe la infraestructura necesaria para el

abastecimiento de hidrógeno, ni capacidad suficiente para el almacenaje ni sistemas de

distribución. También es una tecnología de elevado coste, ya que se trata de una tecnología aún

en fase de desarrollo. Se utilizan membranas de intercambio de protones con un precio muy

elevado, metales nobles como el platino, cuyo precio aumenta continuamente.

Se presentan como el tipo de pilas más prometedoras para aplicaciones móviles; de hecho han

sido empleadas en la mayoría de prototipos de automóviles construidos hasta el momento, dadas

sus características de baja temperatura de funcionamiento, simplicidad de fabricación, su

reactividad y su buen rendimiento por debajo de la potencia nominal. En la actualidad existen

numerosos prototipos de vehículos impulsados por pilas de combustible poliméricas. No

obstante también se han empleado en aplicaciones estacionarias, sobre todo para potencias

pequeñas, entre 1 y 5 Kw.

17

PAFC (Phosphoric Acid Fuel Cell)

Las Pilas de combustible de ácido fosfórico trabajan entre 150 y 205 ºC de temperatura y 1 bar

de presión (aunque en una planta de demostración basada en PAFC de 11 MW, se alcanzaron

presiones de más de 8 atm.); sin embargo la aparición de un vapor corrosivo de este ácido,

provoca que se trabaje a presiones ambientales (este vapor puede provocar corrosión en las

celdas de la pila de combustible. El electrolito, como su propio nombre indica, es ácido

fosfórico puro (concentración 100%), que conduce los iones hidrógeno del ánodo al cátodo. A

temperaturas menores el ácido fosfórico es muy mal conductor iónico. Además, al emplear la

máxima concentración de ácido, la presión del agua es menor, lo que facilita su evacuación.

Los electrodos son láminas delgadas realizadas de carbón activo recubiertas de platino: 0’1

mg/cm2 en el ánodo y cinco veces más en el cátodo. El carbón activo sirve como capa base para

el catalizador, a la vez que actúa como colector de corriente.

Los mecanismos de reacción que se dan son en realidad más complejos (son los mismos que

para las pilas PEM), pero se pueden entender de esta forma. El voltaje en cada celda puede ser

de hasta 1’1 V.

Como ventajas podemos decir que las PAFC son tolerantes al CO2: admiten hasta una

concentración del 30% en el electrolito, el cual sólo reacciona con el dióxido de carbono al

superar esa concentración. Además el ácido fosfórico no es volátil hasta alcanzar los 200ºC de

temperatura.

No obstante, sólo permiten hasta un 2% monóxido de carbono, y hasta 50 ppm de compuestos

de azufre. Además como ya se ha mencionado, el electrolito (H3PO4) es un líquido corrosivo, y

el peso y volumen de estos dispositivos son excesivos. También el tiempo de calentamiento para

arranque resulta ser excesivo.

En este momento están en un alto nivel de desarrollo (se ha estado investigando e ellas desde los

años 70), pues parecen tener una gran fiabilidad: se ha probado su funcionamiento durante más

de 40.000 horas. Se aplican normalmente a sistemas estacionarios

DMFC (Direct Metanol Fuel Cell)

Las celdas de combustible de metanol directo están en sus primeras etapas de desarrollo, unos

tres o cuatro años detrás del resto de las tecnologías de celdas de combustible. Algún día, los

pequeños dispositivos como computadoras portátiles y teléfonos celulares se abastecerán con

celdas de metanol directo. Otro tipo de celda en desarrollo es la celda de combustible de zinc-

aire. Esta celda es una especie de híbrido entre una batería tradicional y una celda de

combustible. El ánodo, que se hace de zinc, se desgasta con el tiempo y es necesario reemplazarlo. Algunos vehículos eléctricos ya utilizan este tipo de celdas.

18

Comparativa de celdas de combustible

A continuación se muestran una serie de tablas donde se comparan distintos aspectos

entre los principales tipos de celdas:

TABLA 1. Características de las diversas pilas de combustible [Ref 7]

TABLA 2. Reacciones electroquímicas de las diversas pilas de combustible [Ref 7]

19

TABLA 3. Las pilas de combustible y otros medios de transporte [Ref 7]

TABLA 4. Las pilas de combustible y otros medios de producción de electricidad [Ref 7]

2.2) COMBUSTIBLE EMPLEADO. EL HIDRÓGENO

2.2.1. Introducción. El Hidrógeno

Hasta ahora se ha explicado como las pilas de combustible se alimentan de hidrógeno y

oxígeno durante su funcionamiento. Sin embargo, todavía no se ha planteado de donde se

obtiene ese combustible.

Los principales combustibles que están siendo actualmente considerados son el hidrógeno,

metanol y en menor medida la gasolina. Así pues, la elección del combustible es una de las más

importantes decisiones en cualquier programa de investigación y desarrollo .

El metanol y otros tipos de combustible como la gasolina o el gas natural son una alternativa

minoritaria y usada en la industria automovilística.

El hidrógeno, se encuentra en condiciones ambientales en estado gaseoso, y posee

además los puntos de ebullición y fusión más bajos de todas las sustancias conocidas: 20 K o –

253 °C para pasar a estado líquido y 14 K o –25 °C para pasar a estado sólido (sólo el helio

tiene puntos más bajos). Estas temperaturas son extremadamente bajas (por debajo de los –

100°C son consideradas criogénicas).

20

La densidad másica de este elemento es la más baja de la naturaleza, incluso en estado líquido

es muy pequeña; un metro cúbico de hidrógeno puro en estado líquido contiene 71 kg. y

paradójicamente, un metro cúbico de agua también en estado líquido contiene 111 kg. de

hidrógeno.

El contenido energético de este gas por unidad de masa es muy elevado en relación con otros

combustibles, como puede observarse en la Tabla 5, pero dada su baja densidad másica, el

contenido energético por unidad de volumen resulta ser pequeño:

MJ/kg MJ/m3

Hidrógeno 120 1.08

Gas natural 50 39.77

Metanol 20 16

TABLA 5. Contenido energético de los principales combustibles empleados en FC.

Esto representa ser un problema a la hora de almacenar el hidrógeno. Además este elemento no

tiene color ni olor; una corriente del mismo es casi invisible a la luz del sol.

Sin embargo, cuando el hidrógeno se obtiene a partir de otro combustible no se encuentra

totalmente puro.

No se trata de un elemento tóxico si bien puede causar asfixia por desplazamiento del aire. De

cualquier forma, su dispersión en el aire es extremadamente rápida por lo que escapa casi

instantáneamente en caso de existir un espacio abierto.

El hidrógeno reacciona con el oxígeno produciendo agua y calor, (290 kJ/mol H2). Esta

combustión sólo produce agua y en ocasiones óxidos de nitrógeno (NOx), de la reacción entre el

propio oxígeno y nitrógeno del aire (para que se de esta reacción deben alcanzarse temperaturas

superiores a los 600ºC). No obstante los límites de inflamabilidad de esta sustancia son bajos y

altos, para el límite inferior y superior respectivamente (4 y 75%), y además la energía de

activación, es decir la necesaria para activar los mecanismos de reacción es muy baja (sobre

todo respecto a la mayoría de hidrocarburos). Por otro lado puede producirse tanto detonación

como deflagración en caso de hallarse confinado.

Se habla con frecuencia de la bondad del hidrógeno como vector energético, o de las

pilas de combustible como dispositivo para la transformación de hidrógeno en electricidad; de

este modo, es habitual asociarlos al término de "energía renovable", aunque esto no sea siempre

del todo exacto.

Así, el hidrógeno será o no "limpio" en la medida en que lo sea su producción, y las pilas de

combustible serán o no una fuente de energía renovable en tanto que lo sea el combustible que

las alimenta.

2.2.2. Métodos de obtención del Hidrógeno

REFORMADO

Para la producción de energía eléctrica, las pilas de combustible requieren el aporte de

hidrógeno y oxígeno (genéricamente). La disponibilidad del oxígeno es elevada ya que puede

obtenerse del aire. Por el contrario, la situación del hidrógeno es muy distinta. Su

almacenamiento y manejo hacen que, con frecuencia, se acuda a combustibles que lo

“transporten”, reformándolos (en hidrógeno) en tiempo real a medida que se consume.

El proceso de reformado consiste básicamente en la ruptura de hidrocarburos, u otros

productos como alcoholes, en sus componentes elementales: hidrógeno, carbono y oxígeno. Tal

ruptura se realiza mediante la reacción del combustible a reformar con agua (en forma de

21

vapor), obteniéndose además del producto que se busca (el hidrógeno), otros no deseados como

óxidos de carbono (CO y CO2).

El primero de estos subproductos (el monóxido de carbono, CO) es nocivo para el ánodo de

algunas pilas de combustible, como es el caso de las tipo PEM, por lo que será a veces necesario

añadir otra etapa antes de la pila de combustible, para eliminar este compuesto del gas de salida.

Y no sólo eso, sino que además las pilas de combustible tipo PEM son especialmente sensibles a

la pureza del hidrógeno que las alimenta, por lo que, de nuevo, puede ser necesario incluir una

etapa intermedia de purificado del hidrógeno a la salida del reformado.

TIPOS DE COMBUSTIBLES QUE SE EMPLEAN EN EL REFORMADO:

Gas natural

El metanol es un combustible líquido procedente de plantas petroquímicas y, como tal,

presenta ventajas en cuanto al almacenamiento y al transporte, así como en lo referente al

contenido energético específico (por unidad de peso) respecto a otros combustibles

convencionales.

El metanol parece vislumbrarse como uno de los combustibles más adecuados para los

reformadores, en un gran número de aplicaciones, especialmente las de transporte, a pesar de

ciertos inconvenientes como el ser un producto químico venenoso, con una temperatura de

ebullición extremadamente baja (64,6 ºC), lo que complica su almacenamiento y transporte

respecto a otras alternativas que se tratarán. Por el contrario, una ventaja que presenta frente al

resto de productos derivados del petróleo es la baja temperatura necesaria para la operación del

reformado, que ronda los 250ºC.

El nivel de rendimiento que ofrece para los motores es el más alto posible, exceptuando por

supuesto al hidrógeno puro, superando en un punto escaso al bioetanol del que más tarde se

hablará.

La cantidad de emisiones que genera el empleo de metanol es la más baja de entre los productos

petroquímicos, aunque no llega a alcanzar los valores generados por los combustibles

procedentes de la biomasa.

Gasolina

Los reformadores que actualmente se dedican a tratar este tipo de combustibles tratan

las gasolinas (o cualquiera de los anteriormente citados) para convertirlos en hidrógeno apto

para pila de combustible en cualquiera de sus aplicaciones. La razón de su uso como

combustibles se debe a su disponibilidad.

El proceso de conversión se desarrolla en un tren de procesado. Una parte crítica del proceso es

la etapa de desulfurización que se debe llevar a cabo previamente, para alcanzar un alto grado

de pureza (acondicionamiento del combustible). Este alto contenido en azufre es una

característica común a los derivados del petróleo, mucho más notorio en el caso del diesel, lo

cual supone un problema a tener muy en cuenta a la hora de considerarlos como posibles

combustibles. El paso siguiente es el reformado propiamente dicho, en el que se obtiene

básicamente hidrógeno y óxidos de carbono. Finalmente se purifica y acondiciona el flujo

gaseoso, retirando impurezas como el amoníaco, y ajustando la temperatura y la humedad de la

corriente de acuerdo a las condiciones de entrada que exige la pila de combustible. La mayor o

menor necesidad de estos últimos pasos depende de lo completamente que se produzca la

reacción en los primeros pasos (reformado) y del tipo de combustible empleado.

Bioetanol

El bioetanol es una fuente de energía renovable procedente (mediante procesos

químicos o fermentativos) de azúcares, cereales o biomasa, lo que lo convierte en un producto

“ecológicamente aceptable”.

22

El bioetanol es, además, un combustible líquido fácil de transportar y de almacenar, al contrario

que el hidrógeno en sí, que presenta problemas derivados de su almacenamiento (como se verá

en el siguiente apartado) . De hecho se podría almacenar y distribuir empleando las mismas

instalaciones e infraestructuras existentes para la distribución de los derivados del petróleo.

Constituye una alternativa que presenta ventajas adicionales: menor cantidad de emisión de

gases de efecto invernadero (del orden de cinco veces menos que en el caso del metanol o del

hidrógeno puro) y mayor contenido en hidrógeno (casi un 4% más que el metanol), por lo que

se necesita menor cantidad de combustible para producir la misma cantidad de hidrógeno. Por

otra parte, no presenta venenos catalíticos, como sí sucede en el caso del metanol.

Por todo esto, el empleo de bioetanol como combustible productor de hidrógeno parece ser una

alternativa lógica y con futuro, presentando muchas ventajas con respecto a otras planteadas,

entre las que cabe destacar su carácter renovable, su reducida toxicidad, su escaso poder de

corrosión, la sencillez de su transporte y almacenamiento, la alta disponibilidad logística del

mismo, existiendo plantas de producción en España, y su elevada eficiencia energética.

ELECTROLISIS DEL AGUA

Este proceso usa la electricidad generada por energías renovables para descomponer las

moléculas del agua mediante electrólisis en hidrógeno y oxígeno. Estas energías renovables

pueden ser: energía solar, energía eólica, energía hidráulica o energía de la biomasa.

El principal problema de la obtención de hidrógeno a partir de la descomposición

electroquímica del agua es el alto costo energético, por lo que se precisa contar con fuentes

primarias accesibles, de bajo costo y preferiblemente no fósil.

La electrólisis descompone el agua en sus dos componentes: hidrógeno y oxígeno. Para algunos

expertos es el mejor método de obtención de hidrógeno: el que obtiene es de elevada pureza, y

además es aplicable tanto a pequeña como a gran escala.

PROCESO TÉRMICO DIRECTO Cuando la temperatura de un vapor sobrecalentado se eleva a 2500ºC, las moléculas de

agua comienzan a disociarse en hidrógeno y oxígeno. Para lograr tales temperaturas pueden

utilizarse concentradores solares como fuente suministradora de calor. El problema aquí

consiste en evitar la recombinación del hidrógeno y el oxígeno.

Este método posee alta eficiencia térmica; no produce contaminación ambiental (o muy poca) y

no necesita de sustancias químicas intermedias. Sin embargo, tiene el inconveniente de

mantener tan elevada temperatura, asociado a los problemas de los materiales.

PROCESO FOTOLÍTICO Se trata de un proceso de electrólisis en el que la energía eléctrica requerida para que

tenga lugar procede de la energía solar (fotovoltaica).

Cuando las moléculas de agua absorben energía a partir de radiación ultravioleta en principio el

hidrógeno puede ser liberado. Este proceso se conoce con el nombre de fotólisis.

Sin embargo, el agua por sí sola es incapaz de absorber las radiaciones ultravioleta del sol, al ser

transparente. El método más común consiste en emplear una serie de celdas, cada una con un

par de fotoelectrodos inmersos en un electrolito acuoso y separados por una membrana, que

permite la transferencia iónica e impide la mezcla de los gases. El cátodo es un semiconductor

de tipo "p" (defecto de electrones) y el ánodo un semiconductor tipo "n" (exceso de electrones).

Cuando el ánodo recibe la incidencia de la luz solar, los electrones absorben esta energía y

pasan a través de un circuito externo al cátodo. Esto genera un par "electrón-hueco"; Este hueco

cargado positivamente reacciona con el agua para producir iones hidrógeno, que atraviesan la

membrana para recombinarse con los electrones en el cátodo, y convertirse así en hidrógeno.

CONVERSIÓN DE MATERIA ORGÁNICA EN HIDROCARBUROS A través de procesos de gasificación, de oxidación parcial, la pirólisis y el reformado

por vapor.

23

FERMENTACIÓN ANAÉROBICA DE ALGAS Colecta de hidrógeno generado como producto de subprocesos celulares en bacterias o

algas. En este apartado caben destacar investigaciones que se están llevando a cabo en la

Universidad de Berkeley y en el National Renewable Energy Laboratory, ambos en los EEUU.

El proceso de laboratorio consta de dos etapas. En la primera de ellas, se engordan las células

bajo un proceso de fotosíntesis normal. En la segunda etapa, se elimina todo el azufre del

cultivo y las células comienzan a emitir hidrógeno, usando material celular almacenado durante

la fotosíntesis. Las células producen hidrógeno de esta manera durante varios días, después de

los cuales deben reanudar el proceso de fotosíntesis. Este proceso se repite cíclicamente. La

producción de hidrógeno alcanzada en el laboratorio ha sido de hasta 6ml/hora y litro de cultivo.

Evidentemente esta es una pequeña porción de la producción requerida para hacer el proceso

atractivo para una producción a mayor escala.

En el siguiente esquema se reflejan las diversas fuentes en la obtención de hidrógeno

Fig.8 . Diversas fuentes en la producción de hidrógeno [Ref 13]

2.2.3 Almacenamiento de Hidrógeno a bordo de un vehículo

Si la obtención del hidrógeno a gran escala supone un importante desafío, no lo es

menos el almacenamiento del hidrógeno a bordo de vehículos. Este tema es el centro de un gran

debate entre los grandes fabricantes que han optado por este combustible. A continuación se

presentan todas las posibles opciones existentes para el almacenamiento del hidrógeno a bordo

del vehículo. Algunas como los tanques de hidrógeno gaseoso comprimido o los tanques de

hidrógeno líquido han alcanzado un estado de desarrollo aceptable, y están muy cerca de

representar una opción real para los vehículos con pila de combustible. Otras opciones, como la

del almacenamiento en forma de hidruros metálicos necesitan alcanzar todavía un mayor

desarrollo. Por último, tecnologías como las de nanotubos de carbono son todavía proyectos a

largo plazo que requieren aún de mucha experimentación.

24

Fig.9 . Diversas formas de almacenamiento de hidrógeno [Ref 13]

Almacenamiento a presión (hidrógeno gaseoso comprimido)

El almacenamiento del hidrógeno como gas comprimido, en un depósito de alta presión,

se presenta como la forma más sencilla y económica de almacenar el hidrógeno a bordo del

vehículo.

Este sistema tan solo necesita un tanque presurizado y un compresor.

Compresor: Antes de almacenar el hidrógeno, éste deberá ser comprimido.

Almacenamiento: Suele realizarse en botellas cilíndricas similares a las empleados para

el almacenamiento del gas natural. Sus paredes deben ser suficientemente gruesas para

soportar la presión. Estos cilindros suelen llevar una serie de válvulas y sensores para el

suministro del hidrógeno de una forma adecuada y segura. Según sea la composición de

estos cilindros se pueden clasificar en cuatro tipos, según sean completamente metálicos

(acero o aluminio), totalmente fabricados de composite, o combinaciones de ambos.

Cuanto menor sea el contenido en metal del cilindro, menor será también su peso.

Fig.10 . Ejemplo de tanque de hidrógeno [Ref 13]

25

La presión de almacenamiento suele ser de 250 o 350 bar, si bien puede verse incrementada en

un 10% si la temperatura ambiental es elevada. Reducir el tamaño del almacenamiento

aumentando la presión no es conveniente, pues a partir de cierto punto el volumen total del

almacenamiento es también creciente con la presión.

Pese al peligro potencial que aparenta tener este modo de almacenamiento, resulta ser

extremadamente seguro. Estos cilindros deben cumplir estrictas normas de seguridad como:

- Seguridad frente explosión

-Impacto

-Fuego

- Escape.

Almacenamiento como gas licuado

El almacenamiento de hidrógeno como líquido resuelve algunos de los problemas de

tamaño y peso existentes en el almacenamiento gaseoso. Debido al bajo punto de ebullición del

hidrógeno (aproximadamente 20K,-253ºC), se requieren recipientes criogénicos para mantener

tan bajas temperaturas (tanque de doble pared con fuerte aislamiento).

Sin embargo el hidrógeno no puede ser almacenado de forma líquida por tiempo ilimitado.

Cualquier depósito, independientemente del tipo de aislamiento que lleve, intercambia calor con

el ambiente que le rodea. Estas pérdidas dependen del diseño y tamaño del depósito (cuanto

mayor sea menor trasferencia de calor tendrá lugar). Este calor provoca que parte del hidrógeno

se evapore y que la presión en el depósito aumente. A menudo la forma de estos depósitos es

esférica, al ser la forma geométrica con menor relación superficie/volumen.

Los depósitos de almacenamiento de hidrógeno líquido están diseñados para soportar una

sobrepresión de hasta 5 bar. Si la velocidad de consumo es menor que la de evaporación, la

presión aumenta hasta un punto en el que parte del hidrógeno es expulsado a través de una

válvula de alivio, lo que en realidad significa una pérdida que además podría resultar peligrosa

de estar ubicado en un lugar cerrado (por su inflamabilidad).

El hidrógeno puede extraerse tanto en estado líquido como gaseoso.

El proceso de licuefacción es energéticamente costoso y tiene lugar en tres etapas:

a) compresión y enfriamiento hasta –195ºC (temperatura del nitrógeno líquido)

b) expansión a través de turbinas

c) conversión catalítica hasta su forma estable (parahidrógeno). La cantidad total de

energía requerida para este proceso representa el 40% del poder calorífico inferior del

gas.

El almacenamiento del hidrógeno en forma criogénica tiene como ventajas que puede

almacenarse energía con alta densidad y que el peso del contenedor es más bajo para igual

cantidad de energía almacenada que en los otros métodos. Pero las bajas temperaturas

requeridas traen con sigo problemas de seguridad, además del hecho de que en la licuefacción se

consume una alta fracción de energía almacenada como hidrógeno líquido. Por otra parte el

costo de una unidad de licuefacción se consume una alta fracción de energía almacenada como

hidrógeno líquido. Por otra parte el costo de una unidad de licuefacción es comparativamente

elevado. En las aplicaciones dónde el peso es el factor más importante (como el caso de la

aeronavegación), la forma más conveniente de almacenamiento del hidrógeno es como

líquido criogénico. Para este tipo de almacenamiento habrá que sobredimensionar el depósito, debido a las pérdidas

por evaporación, que como ya se ha visto son inevitables y que oscilan entre un 0,4 y un 2%

dependiendo de la geometría y el tipo de aislamiento.

Almacenamiento en forma de hidruros

El hidrógeno tiene una tercera forma de ser almacenado que le es característica y que no

existe en el caso de otros combustibles líquidos o gaseosos: el hidrógeno reacciona con distintos

metales o compuestos intermetálicos formando hidruros. Estos pueden guardar aún más

hidrógeno por unidad de volumen que el hidrógeno líquido. Como bajo adecuadas condiciones

de temperatura y presión esta reacción es reversible, una dada masa metálica puede ser cargada

26

y descargada un número prácticamente ilimitado de veces, pudiendo utilizarse como un tanque

para el almacenamiento sólido del hidrógeno.

Esta forma de almacenamiento tiene la ventaja de que se requieren bajas presiones (menores que

1’01 atm. ) y además son muy seguros, pues en caso de producirse una pérdida brusca de

oxígeno, el sistema reaccionará inhibiendo la producción de liberaciones adicionales del gas. La

desventaja de esta forma de almacenamiento es el peso relativamente alto asociado al material

absorbente: en el mejor de los casos se llega a aproximadamente el 7% del peso del hidrógeno

total. Esto impide la utilización de este método en el caso de la aeronavegación, por ejemplo,

tiene escasa relevancia en el caso de unidades estacionarias de almacenamiento. El almacenamiento del hidrógeno como hidruros es especialmente útil y conveniente en el caso

de pequeños sistemas energéticos aislados, como hogares en zonas rurales, dónde la electricidad

puede generarse a partir de las energías eólica, solar o pequeñas plantas hidroeléctricas.

Otras formas de almacenamiento

Actualmente, se están investigando otras formas de almacenamiento del hidrógeno,

como las microfibras de carbono (nanotubos) o microesferas de cristal. Ambas formas están aún

en desarrollo.

Nanotubos de carbón

Aparecen como una nueva forma de almacenamiento de hidrógeno en estado sólido,

capaces de almacenar grandes cantidades de este gas a temperatura ambiente. Son tubos de

carbón microscópicos que almacenan hidrógeno en sus microporos y entre los propios tubos.

También se investiga acerca de cómo dopar este material con metales de forma que se logre

aumentar su capacidad de almacenamiento El mecanismo de almacenamiento y extracción del

gas es similar al de los hidruros metálicos, liberando el gas a temperaturas menores de 100ºC;

pero la gran ventaja es la gran cantidad de gas que son capaces de almacenar (pueden llegar a

contener hasta un 65% de su propio peso en hidrógeno).

Microesferas de cristal Pequeñas burbujas de cristal pueden ser empleadas para el almacenamiento

del hidrógeno de una forma más segura. Su forma de trabajo sería: se calientan las esferas

aumentando así la permeabilidad de sus paredes; para llenarlas se introducen en un ambiente de

hidrógeno a alta presión y después se enfrían quedando el hidrógeno en su interior. Cuando éste

se necesite basta con aumentar la temperatura de las esferas.

De cualquier forma estos métodos están aún en fase de desarrollo e investigación, por lo que se

desconoce el alcance que puedan llegar a tener.

2.3) APLICACIONES DE LAS PILAS DE COMBUSTIBLE EN EL TRANSPORTE

2.3.1. Aplicaciones en el transporte

La pila de combustible tuvo su incursión en el sector transportes aplicándose en

vehículos de tracción eléctrica terrestre. En una fase inicial de prueba, fueron integradas en

autobuses y coches consiguiendo resultados exitosos. Sin embargo, aunque la pila de

combustible acabe siendo el dispositivo principal de generación de energía en este tipo de

transportes, otros elementos, como baterías, son necesarios para su correcto funcionamiento.

Estos dispositivos, aun en fase de desarrollo, constituyen una alternativa real a los motores de

combustión.

Actualmente, algunos vehículos de combustible alternativo (no dependen

exclusivamente de combustibles derivados del petróleo) utilizan el hidrogeno como fuente

primaria de energía para propulsarse. Pueden hacerlo mediante combustión o a partir de pilas de

combustible, donde el hidrogeno se convierte en electricidad para mover motores eléctricos.

A pesar de que la principal ofensiva en este campo llega desde dos frentes industriales:

Japón y EE.UU, donde Honda y General Motors avanzan en sus prototipos por delante de

27

otros grupos industriales, la mayor parte de los fabricantes de automóviles están desarrollando

prototipos basados en pilas de combustible. Por ejemplo, la compañía Ford presento su primer

vehículo de célula de combustión, el P2000 HFC, en enero de 1998. Posteriormente, en el año

2000, desarrollo el Ford Focus FCV con célula de combustible propulsado por hidrogeno

directo. Las prestaciones de este modelo no pueden competir con las ofrecidas por los vehículos

de motor de combustión que ocupan la totalidad del mercado automovilístico actual. El

motor de un Focus FCV tiene una potencia de 67 CV, una velocidad máxima de 128 km/h

y pasa de 0 a 100 km/h en 14 segundos .

Tipos de celdas más comúnmente usadas en el transporte.

Por lo visto anteriormente existen numerosos tipos de pilas de combustible. Sin

embargo, es necesario realizar un estudio de cada aplicación concreta para determinar el modelo

de pila de combustible más adecuado para garantizar un correcto funcionamiento. De los tipos

de pilas de combustible disponibles en el mercado, las más apropiadas para la generación de

energía en sistemas eléctricos, dentro del sector transporte, son las pilas de combustible tipo

PEM (Proton Exchange Membrane) y las tipo SOFC (Solid Oxide Fuel Cells).

Pila de combustible tipo PEM

Las pilas de combustible tipo PEM operan a temperaturas relativamente bajas y se caracterizan

por tener una alta densidad de potencia y capacidad para variar rápidamente su salida a la hora

de atender a cambios en la demanda de la misma. Estas características las hacen adecuadas para

aplicaciones donde se requiere un arranque rápido, ya que necesitan menos tiempo de

calentamiento que otros tipos de pila. Además, la utilización de un polímero solido como

electrolito evita los problemas asociados a los electrolitos líquidos, por ejemplo, reduce la

corrosión, lo que supone un menor desgaste de los componentes del sistema y por tanto, una

mayor durabilidad de los mismos. Es importante destacar que este tipo de pila mantiene una

relación favorable entre su dimensión (pueden considerarse pequeñas y relativamente ligeras) y

la energía que producen. Las pilas de combustible tipo PEM operan con un catalizador de

platino. Esto, además de encarecer el sistema, supone otra desventaja: hace a esta tecnología

extremadamente sensible a la contaminación por CO, por lo que es necesario utilizar un reactor

adicional para reducir el nivel del mismo en el gas combustible. Este problema se agudiza

cuando el hidrogeno utilizado proviene de un combustible alcohol o hidrocarburo.

Pila de combustible tipo SOFC

Las pilas de combustible tipo SOFC se caracterizan por trabajar a temperaturas muy elevadas.

Esto supone una serie de ventajas derivadas de dicha temperatura de trabajo: mayor eficiencia,

posibilidad de utilizar catalizadores más baratos que el platino y flexibilidad a la hora de utilizar

otros tipos de combustibles (incluso hidrocarburos).

Además, la construcción de cerámica solida de la celda remite el problema de corrosión

característico de pilas con electrolito liquido. La ausencia de liquido también elimina el

problema de movimiento de electrolito y no inunda los electrodos. Las altas temperaturas de

trabajo en las pilas de combustible tipo SOFC también suponen una serie de desventajas en su

funcionamiento. Así como la utilización de un electrolito cerámico reduce la corrosión en los

componentes de la pila, el rango de temperaturas a las que actúa dicha tecnología (800-1000ºC)

aumenta la corrosión y la ruptura de los componentes de la misma, ralentiza su arranque y hace

necesaria una abundante protección para evitar fugas de calor. Las altas temperaturas afectan

también a la duración de los materiales: una de las claves del reto tecnológico al que se somete a

las pilas de combustible tipo SOFC es el desarrollo de materiales a bajo precio y de larga

duración que soporten las temperaturas a las que funciona esta tecnología.

28

TABLA 6. Características técnicas de las pilas de combustible tipo PEM y SOFC [ ref. 10]

TABLA 7. Aplicaciones de las pilas de combustible tipo PEM y SOFC.[ ref 10]

2.3.2. Aplicaciones en el sector aeronáutico/aeroespacial

En el transporte aéreo, la tecnología de pilas de combustible PEM ofrece la posibilidad, de

propulsar vehículos aéreos pequeños. Actualmente, aunque no se considera que las pilas de

combustible sean capaces de generar la energía suficiente para propulsar aviones grandes de

pasajeros, se sigue trabajando en el desarrollo de su potencial como fuente alternativa de

combustible que mejore el rendimiento medioambiental. Sin embargo, si se considera que esta

tecnología pueda ser aplicada en la implementación de APUs (Auxiliary Power Unit) en

transporte terrestre, marítimo y aéreo; debido a su eficiencia, sus bajas emisiones (si se utiliza

un combustible adecuado), su fiabilidad y su duración.

Se espera que los beneficios potenciales de las pilas de combustible en el dominio de la

aviación sean numerosos, especialmente en el contexto actual de reducción de emisiones y

disminución del consumo de combustible. Debido a su alta densidad de energía y a su potencial,

estos sistemas son atractivos en aplicaciones eléctricas.

Las pilas de combustible ofrecen una alta producción de energía eléctrica a baja presión

y temperatura, comparadas con los motores alimentados por hidrocarburos. Los aviones

consumen potencia eléctrica para el suministro de sistemas tales como la iluminación o

actuadores electro-hidráulicos. En un avión convencional esta potencia eléctrica proviene de

generadores que son impulsados por el eje de un motor. En tierra, cuando los motores están

apagados, los aviones utilizan unidades auxiliares para el suministro de potencia. Los sistemas

Pilas Combustible Aplicaciones

PEM Tecnologías móviles, transporte, vehículos espaciales, aplicaciones

militares, sistemas de almacenamiento de energía o instalaciones

estacionarias.

SOFC Aplicaciones de alta potencia, estaciones centrales de generación de

electricidad a gran escala. Algunos fabricantes extienden su uso al campo

de los vehículos automotores, desarrollando unidades de potencia

auxiliares (APUs). Las desventajas derivadas de las altas temperaturas de

funcionamiento hacen que esta tecnología no sea demasiado adecuada

para aplicaciones de transporte o generación de energía en algunos

dispositivos portátiles.

Piles

combustible

Tª de

trabajo

(⁰ C)

Tiempo de

encendido

(h)

Densidad de

potencia

-2

(mWcm )

Eficiencia

Eléctrica(%)

Combustibles

P (kW)

Intolerancia

frente al

combustible

reformado

PEM

60-100

<0.1

420

45-60%

Hidrogeno

puro y

reformado

1-10kW

CO=>↓η

SOFC

800-1000

-

120

50-65%

(70%

Trabajando

con turbina)

Hidrógeno, gas

metano y

natural, CO

Más de

100kW

No hace

falta

reformar el

combustible

29

basados en pilas de combustible pueden ser una alternativa a la combinación de motores de

generación y unidades auxiliares de potencia. Como estos dispositivos son independientes del

motor, podrían generar potencia eléctrica en el aire y también en tierra.

Por tanto, el desarrollo de sistemas de generación de energía mediante sistemas

alternativos como las pilas de combustible, pretende aumentar la eficiencia de los sistemas

tradicionales reduciendo el consumo de combustible y las emisiones.

Aún así, no está clara la tecnología de pila de combustible más adecuada para cada aplicación

aeronáutica, si bien es cierto que sólo se han encontrado referencias de PEM y SOFC. Las pilas

PEM presentan algunos inconvenientes como son su intolerancia al CO, su duración y la

dificultad de gestión de agua y calor. Las pilas PEM de alta temperatura pueden mejorar de

manera eficiente estos problemas. Las pilas SOFC presentan algunas ventajas frente a las PEM

pero también algunas desventajas como su lento encendido y un menor desarrollo.

A continuación se muestra una tabla comparativa entre pilas PEM y SOFC, pero de

forma más enfocada al transporte aeronáutico, no como en el anterior apartado que se trataba de

un modo más genérico.

PEM SOFC Tiempo de arranque Segundos-minutos (Cortos) 30-50 minutos (Relativamente

altos)

Temperatura de Operación Aproa 60-80 ºC Aproa 800-1000 ºC

Eficiencia Más del 40% Más del 60%

Fuel Queroseno Queroseno

Procesado del fuel No contaminación residual Contaminación residual tolerable

Monóxido de Carbono CO debe ser eliminado Menos susceptible al CO

Sulfuros Sulfuros deben ser eliminados Menos susceptible a los sulfuros

Densidad de potencia < 1Kg/Kw < 1Kg/Kw

Nivel de desarrollo Pendiente en concepto de

sistema

Necesaria mejora

TABLA 8 . Comparativa de pilas PEM Y SOFC en el sector aeronáutico [Ref 21]

En el capítulo 4, "PILAS DE COMBUSTIBLE EN EL SECTOR

AERONÁUTICO/AEROESPACIAL", "Líneas de Investigación y proyectos", se tratarán líneas

de investigación sobre estas pilas. Por un lado se piensa en construir una pila SOFC de

conversión directa, lo cual sería más eficiente desde el punto de vista de peso y costes.

Por otro lado se investiga la pila PEM de alta temperatura, una alternativa a la convencional

que la hace más apta para sectores como el aeronáutico donde se pretende mejorar su tolerancia

al CO, su dificultad a la gestión del agua y calor, entre otras.

30

3.- NECESIDADES ENERGÉTICAS EN EL AVIÓN

3.1) SISTEMAS DE LAS AERONAVES

En la práctica, la mayor parte de los sistemas de la aeronave consumen energía

procedente de los motores. A continuación comentaremos brevemente los diversos sistemas del

avión y cómo son alimentados.

Los sistemas de la aeronave se clasifican por capítulos según una codificación de la Asociación

de Transporte Aéreo (ATA). De este modo, todas las aeronaves tienen sus sistemas divididos

según esta codificación, lo que aparece en todos los manuales de las aeronaves.

- El ATA 21 hace referencia a los sistemas de aire acondicionado, presurización y

ventilación. Estos sistemas operan con aire sangrado de baja y alta presión del compresor del

motor. Tiene múltiples válvulas de control de flujo de aire, válvulas de regulación, sistemas de

control y supervisión, válvulas de descarga de aire al exterior, válvulas de seguridad, válvulas

de sobre presión y de presión diferencial negativa. La regulación se realiza mediante señales

eléctricas y muchos de esos procesos son automáticos, teniendo algunos sistemas de reversión

manuales. Mediante estos sistemas del ATA 21 se controla tanto la calidad y cantidad del airea

bordo, como el acondicionamiento en temperatura y humedad así como la presurización de la

aeronave en todas las cabinas (de pilotos, de pasajeros y bodegas de carga).

- El ATA 22 versa sobre el vuelo automático y todos los sistemas a bordo que lo hacen posible.

Las aeronaves modernas tienen sistemas de ordenadores que asisten a los tripulantes técnicos en

la conducción segura y automatizada del vuelo. Dentro de estos sistemas se encuentran los FMS

(Flight Management System) y FMGS (Flight Management and Guidance System). Tienen

interfaces de presentación para los pilotos, modos automáticos y manuales, realizan

predicciones de navegación, ruta, gestión de combustible, gestión del centro de gravedad,

detección de elementos peligrosos para la navegación, de niveles de exactitud en la precisión de

la navegación –tanto vertical como horizontal-, de optimización del vuelo, de selección de rutas

primarias y alternativas, y de predicciones a campos alternativos con sus características y datos

para el aterrizaje, etc. Tienen conexiones con determinados sistemas del avión para captar

informaciones de altimetría, velocidad, peso, sensores de posicionamiento y navegación,

etcétera. Los FMS/FMGS generan datos de salida a instrumentos para la tripulación técnica,

para la tripulación auxiliar y pasajeros, así como para los sistemas de control de tráfico aéreo y

para las unidades en tierra que realizan el seguimiento a distancia de los vuelos de cada

compañía.

- El ATA 23 recoge todas las comunicaciones a bordo de las aeronaves, tanto internas como

externas. Las comunicaciones hacia el exterior tanto en VHF (Very High Frequency), como en

HF ( High Frequency), los sistemas de comunicación - de voz y de datos-, vía satélite y los

registradores de datos de vuelo y de comunicaciones, así como los sistemas de emergencia y de

seguimiento y control de la operación (ACARS: ARINC Communications Addressing And

Reporting System, conocido también en Europa como AIRCOM, es un sistema digital de

transmisión de datos que permite el intercambio de datos y mensajes entre un avión y un centro

de operaciones con base en tierra). La energía necesaria para la operación de todos los equipos

de este ATA, se obtiene de las barras de corriente continua y alterna del sistema eléctrico del

avión.

- El ATA 24 engloba todo el sistema eléctrico de una aeronave, tanto la generación eléctrica a

bordo, como las conexiones de la aeronave con fuentes de energía externa. En la mayor parte de

las aeronaves comerciales existe un generador de corriente alterna arrastrado por cada uno de

los motores. Además de estos, existen otros generadores auxiliares como el de la APU, otros de

emergencia accionados por hélices desplegables o por potencia hidráulica. Todos los sistemas

eléctricos del avión son abastecidos desde las barras de corriente alterna conectadas a los

generadores o desde las barras de corriente continua alimentadas a su vez por las anteriores

mediante transformadores. La corriente sufre multitud de transformaciones para acomodarse a

las necesidades específicas de cada elemento e instrumento instalado a bordo.

31

- El ATA 26 trata de los sistemas de protección contra incendios instalados en toda la

aeronave, tanto en motores y APU como en los compartimentos de aviónica, lavabos, bodegas,

sistemas de entretenimiento de los pasajeros y los alojamientos del tren de aterrizaje. La mayor

parte de este sistema tiene controles eléctricos que dependen del sistema eléctrico del avión.

- El ATA 27 mandos de vuelo. Los mandos de vuelo de los aviones modernos son accionados

mecánica o eléctricamente, y movidos mediante martinetes hidráulicos y eléctricos. Los

modernos aviones con sistemas de control “Fly by Wire” suelen estar controlados

eléctricamente y actuados hidráulicamente. Algunos de sus elementos pueden ser controlados

también mecánicamente. En estos casos no existe control directo de los pilotos sobre las

superficies de mando, ya que las acciones de estos sobre los mandos son interpretadas por los

ordenadores que mueven los mandos de vuelo como sea necesario para seguir las órdenes del

piloto. En algunos modelos de avión (Airbus), existen unas denominadas “leyes de vuelo” que

proporcionan protecciones en la envolvente de vuelo del avión, evitan maniobras excesivas y

acciones que sobrepasen los límites de seguridad, cualesquiera que sean las acciones de los

pilotos. Con los sistemas del ATA 27 se mueven las superficies aerodinámicas del avión

(alerones, timón de dirección, timón de profundidad), o elementos estructurales como el

estabilizador horizontal de cola o superficies hipersustentadoras, de borde de ataque (Slats), o de

borde de salida (Flaps). Se accionan, además, otras superficies que sirven para control y

coordinación de viraje (Spoilers) y los aerofrenos.

- El ATA 28 hace referencia al sistema de combustible del avión. El almacenamiento del

combustible en los aviones se realiza habitualmente en los planos. En algunos aviones con

determinadas cargas de combustible se llenan también depósitos en la parte central del fuselaje

junto a los planos y en el estabilizador horizontal de cola. Este sistema utiliza energía eléctrica

neumática y mecánica de los motores para su funcionamiento; almacena, controla y suministra

el combustible a los motores y al APU; realiza transferencias de combustible para controlar el

centro de gravedad del avión; controla el sistema de repostado, hace recircular el combustible en

intercambiadores de calor aceite/combustible y, en algunos aviones, permite el lanzamiento de

combustible al exterior para una rápida reducción de peso en caso de contingencia o

emergencia.

- El ATA 29 contempla el sistema hidráulico del avión. Este sistema dotado de bombas,

depósitos, tuberías de transmisión de líquido hidráulico a presión y actuadores, obtiene su

energía de bombas accionadas por los motores y bombas eléctricas auxiliares. La presión

nominal de funcionamiento es de 3.000 psi (libras por pulgada cuadrada), casi de manera

generalizada. Habitualmente se utiliza para actuación de mandos de vuelo, tren de aterrizaje,

frenos, etcétera. En algunos aviones en fase de certificación tales como el Boeing 787, en aras

de la eficiencia de combustible y de restar menos carga a la caja de engranajes del motor, se

están sustituyendo las bombas hidráulicas actuadas por el motor por otras de actuación eléctrica.

Hasta aquí, hemos desarrollado, de manera individualizada, los sistemas que mayor

consumo de energía presentan. Sin embargo, existen otros muchos sistemas, con sus

capítulos ATA correspondientes, que también consumen energía, los cuales

mencionaremos de manera somera a continuación:

- El ATA 30 trata de los sistemas de protección contra hielo y lluvia. Utilizan energía del aire

sangrado a presión de los motores y energía eléctrica.

- El ATA 31 instrumentos de vuelo, que utilizan esencialmente energía eléctrica, tanto alterna

como continua de características diversas.

- El ATA 32 tren de aterrizaje, que utiliza energía hidráulica y eléctrica para la operación de los

ciclos de salida y entrada del tren, así como para los frenos y los controles de accionamiento y

supervisión.

- El ATA 33 trata de las luces tanto internas como externas, utilizando esencialmente energía

eléctrica.

- El ATA 34 recoge todos los elementos de navegación y utiliza básicamente energía eléctrica

aunque recibe información de instrumentos estáticos (sondas estáticas utilizadas para altimetría

etc), y de presión dinámica (sondas pitot) y de sondas de temperatura eléctricas.

32

- El ATA 35 controla el oxígeno a bordo, tanto de pasajeros como de tripulantes, y utiliza

energía eléctrica para su activación y control.

- El ATA 36 hace referencia al sistema neumático del avión. Controla los sangrados de motores

y APU, así como los de los de los equipos auxiliares de tierra. Esencialmente utiliza energía

eléctrica para el control y la supervisión. Pese a ser un sistema discreto, sangra potencia del

motor para entregarlas a otros sistemas que son consumidores de aire como los de anti hielo,

ventilación, presurización y acondicionamiento. En algunos aviones modernos (Boeing 787) se

están sustituyendo los sangrados de motor por compresores operados eléctricamente.

- El ATA 38 actúa sobre las aguas y residuos a bordo. Utilizan aire a presión y energía eléctrica.

- El ATA 49 trata de las unidades de energía auxiliar (APU). Genera energía eléctrica y

neumática como veremos a continuación.

- El ATA 52 lo hace de las puertas, que utilizan energía eléctrica y pequeños martinetes

neumáticos.

- El ATA 70 es, dentro de los sistemas de una aeronave, el que se ocupa de los motores.

Mención aparte merecen las Unidades de energía auxiliar (APU) del ATA 49.

Normalmente situadas en un compartimento en el cono de cola de los aviones, las unidades de

energía auxiliar -que son esencialmente un motor a reacción-, están concebidas para

proporcionar energía eléctrica y neumática en las fases iniciales anteriores al vuelo que sirvan

para el arranque de los motores, suministro de aire a presión para utilizaciones varias dentro del

avión y para mover accesorios hidráulicos o eléctricos. El arranque del APU se hace

habitualmente mediante un motor eléctrico integrado en la misma unidad con energía

procedente de las baterías del avión o de una fuente externa. En ocasiones se arrancan en vuelo

para proporcionar energía eléctrica y neumática para arranque de motores o para usos varios a

bordo del avión. En la actualidad está ganando una importancia esencial en el transporte aéreo,

y es causa de competencia entre las compañías, el sistema de entretenimiento al pasaje que

genera un consumo, habitualmente de energía eléctrica, considerable. En algunas aeronaves el

IFE (In Flight Entertainment System) tiene controles y cabinas separadas de actuación en la

cabina de pasaje.

Otro de los elementos de elevado consumo de energía eléctrica son los sistemas de

los Galleys o cocinas a bordo utilizados por los tripulantes auxiliares para la atención

de los pasajeros y tripulación.

3.2) SISTEMA ELÉCTRICO DEL AVIÓN(ATA 24)

3.2.1. Evolución histórica

Desde los orígenes de la aviación fue preciso disponer energía eléctrica a bordo, aunque

de un modo casi simbólico, puesto que las bujías de los motores de combustión de los primeros

voladores requerían de un sistema elemental capaz de producir la chispa. Este dispositivo

consistía en un generador eléctrico especial, actualmente desaparecido, denominado magneto.

Pronto surgió la necesidad de instalar a bordo un equipo transmisor-receptor de radio y

por ello se hizo necesario disponer de una fuente de energía eléctrica que lo alimentase. En

principio se trató de una sencilla batería de acumuladores, pero enseguida se vio la necesidad de

disponer de un generador de CC o dinamo para recargar la batería y alimentar la radio de forma

permanente. Este dinamo era accionado por una hélice situada en el exterior del fuselaje, que a

su vez era movida por la acción del viento. Por este medio se obtenía una potencia del orden de

200 a 300 W.

Con el desarrollo de la aviación, sobre todo como medio de transportar correo,

comenzaron a realizarse vuelos nocturnos y en consecuencia fue necesario iluminar la cabina y

el cuadro de instrumentos, al cual se iban agregando además nuevos equipos que necesitaban

33

más energía eléctrica para funcionar. Esto provocó la necesidad de que el generador produjese

cada vez mayor potencia y que la batería tuviera mayor capacidad de almacenamiento. Por todo

ello la solución del molinete en el exterior del avión quedó obsoleta y se recurrió a acoplar

mecánicamente el generador eléctrico al motor del avión a través de un sistema de engranajes.

En esta época las potencias instaladas eran del orden de 2 a 3kw.

Durante la II Guerra Mundial se incorporaron a los aviones militares más sofisticados

equipos de navegación y comunicaciones, además de numerosos equipos auxiliares para

accionamiento de armas. Esto obligó a incrementar nuevamente la energía eléctrica generada a

bordo. Por ejemplo el bombardero B-17 estaba equipado con tres generadores de 12KW cada

uno, funcionando en paralelo.

Después de la guerra se produjo un fuerte impulso en el transporte aéreo civil. Esto

llevó consigo un gran incremento en el tamaño de los aviones para transporte de pasajeros y de

carga. Además, los nuevos aviones civiles comenzaron a equipar los sistemas desarrollados

durante la guerra para los aviones militares. En consecuencia volvió a producirse un notable

aumento de las necesidades de energía eléctrica a bordo.

Hoy en día, en los actuales aviones de transporte de pasajeros, no basta con iluminar la

cabina de la tripulación y con alimentar un escaso número de instrumentos de vuelo. Ahora hay

que alimentar a bordo nuevos y más sofisticados subsistemas y equipos que dependen de la

energía eléctrica para funcionar, tales como los ordenadores de gestión integrada de vuelo o los

sistemas de control y aumento de estabilidad (Sistemas Fly by wire), que además tienen una

responsabilidad vital en el mantenimiento de la seguridad del vuelo.

Por otro lado, para seguir manteniendo el alto nivel de calidad en el servicio que

históricamente ha proporcionado el transporte aéreo, es necesario atender al máximo el confort

de los pasajeros a bordo, lo que ha provocado un aumento extraordinario en la potencia eléctrica

instalada, que puede llegar actualmente en algunos aviones a unos cientos de KW.

3.2.2. Normativa aplicable

Cuando se realiza cualquier actividad relacionada con el sistema eléctrico del avión, se deberán

conocer las normas específicas que le afectan. La relación de normas publicadas en la actualidad

sobre este tema es enorme. Algunas de ellas tienen un carácter meramente orientativo, otras son

de obligatorio cumplimiento para obtener la certificación de un avión. Algunas tratan de la

concepción global del sistema, otras se ocupan de los detalles en apariencia más insignificantes.

A continuación se cita alguna normativa que se consideran más relevantes agrupadas según el

punto de vista adoptado.

- Desde el punto de vista DISEÑO

F.A.R (J.A.R) 25-Subpart F- Equipment- Electrical Systems and

Equipment.

MIL-E-7016F- Electric load and power source capacity, Aircraft, Analysis

of

MIL-STD-704E- Aircraft electric power characteristics.

ISO 1540- Aerospace- Characteristics of aircraft electrical systems.

MIL-W-5088L- Wiring, Aerospace vehicle.

MIL-STD-810C- Environmental test methods and engineering guidelines.

- Desde el punto de vista de MANTENIMIENTO

ATA24- Aircraft Maintenance Manual- Electrical Power.

MIL-STD-470B- Maintainability program for systems and equipment.

- Desde el punto de vista de OPERACIÓN

Manuales de operación específicos de cada avión.

34

3.2.3. La calidad de la energía empleada

La calidad de la energía eléctrica viene definida fundamentalmente por la amplitud de

los márgenes de variación admitidos para sus principales magnitudes características y por el

nivel de fiabilidad con el cual se puede disponer de ella. Es sistema eléctrico de los aviones está

sometido a diversas exigencias, según se justifica a continuación, que se traducen en la

necesidad de disponer a bordo de energía eléctrica de muy alta calidad.

Además en el diseño aeronáutico hay que contemplar exigentes criterios con objeto de

minimizar su peso y su tamaño que no está obligado a satisfacer una instalación de tierra.

Por otra parte, algunos equipos eléctricos a bordo tienen una responsabilidad crítica en el

mantenimiento de la seguridad del vuelo y por ello su fiabilidad deberá ser muy elevada.

Finalmente, el uso creciente de ordenadores encargados del control automático y centralizado

del vuelo y de todos los sistemas del avión (incluidos los motores principales), obliga a

incorporar dispositivos que garanticen su alimentación ininterrumpida en cualquier

circunstancia de funcionamiento por severa que sea.

3.2.4. Condiciones ambientales a las que están sometidas los equipos

Temperaturas extremas y fuertes gradientes de temperatura

El material eléctrico a bordo de avión puede llegar a estar sometido a temperaturas

extremas incluso durante un solo vuelo. En la atmósfera estándar la temperatura disminuye con

la altitud a razón de 6,5ºC/km, y se estabiliza en -56,5ºC a 11000m de altitud sobre el nivel del

mar. En el extremo opuesto, durante la operación en algunos aeropuertos en determinadas

épocas del año la temperatura ambiente puede llegar a ser superior a 50ºC. Además, los

componentes del sistema eléctrico cercanos a los motores u otras zonas calientes del avión

pueden alcanzar fácilmente temperaturas superiores a 90ºC. Por último, no solo habrá que

demostrar que el material eléctrico es operativo en cualquiera de las dos circunstancias de

temperatura extrema (máxima y mínima), sino también, que puede soportar los fuertes

gradientes de temperatura (choques térmicos) a que está sometido, ya que puede pasarse de una

a otra situación en apenas unos minutos.

Altos niveles de humedad

Al operar en algunos aeropuertos situados en zonas cálidas cerca del mar, el material

eléctrico a bordo puede verse sometido a una humedad próxima al 100% junto con elevada

temperatura. El vapor de agua puede penetrar en cualquier dispositivo y afectar a circuitos y a

mecanismos provocando oxidación. Con el tiempo afecta también a cables pudiendo producir

moho que deteriora la cubierta de los mismos.

Ambientes salinos

En operaciones próximas al mar, el aire puede tener gran contenido en sal que puede

depositarse en los contactos y los dispositivos eléctricos en general, produciendo corrosión,

aumentos locales indeseados de conductividad o incluso pares galvánicos con resultado de

fuertes oxidaciones en muy poco tiempo.

Ambientes con polvo y arena

Al operar sobre pistas de tierra, en vuelos a baja cota o incluso durante el

almacenamiento del material, puede introducirse polvo y arena que afectaría a su

funcionamiento, sobre todo en dispositivos con partes móviles como generadores o motores.

Entornos agresivos

Algunos componentes del sistema eléctrico pueden estar inmersos en, o próximos a,

zonas donde puede haber combustible, líquido del sistema hidráulico, agua o gases diversos (del

combustible, de las baterías, etc) que pueden resultar agentes agresivos para ellos. En

consecuencia, deberá demostrarse que los dispositivos que puedan razonablemente estar

expuestos a estas situaciones son capaces de funcionar sin sufrir deterioros graves y sin

provocar explosiones.

35

Atmósfera con baja densidad del aire

La densidad del aire baja con la altitud. Concretamente, en una atmósfera estándar la

densidad a 6.5 Km de altitud es la mitad que al nivel del mar, y a 17,5 Km es la décima parte.

En consecuencia, debe tenerse en cuenta la influencia de la densidad del aire, sobre la calidad de

la refrigeración de un determinado dispositivo. Hasta los 6 Km de altitud aproximadamente, el

efecto de disminución de temperatura es más importante que el de disminución de densidad del

aire y la refrigeración es más eficaz conforme nos elevamos. A partir de esta altitud, el efecto de

disminución de la densidad adquiere mayor importancia relativa que el de bajada de la

temperatura y en consecuencia las condiciones de refrigeración empeoran. Todo esto afecta a

los motores y a los generadores eléctricos ya que la potencia máxima que pueden desarrollar

estas máquinas de forma permanente sin sufrir deterioro está fuertemente influida por la

temperatura de funcionamiento y a su vez ésta depende de la calidad de la refrigeración.

Vibraciones, aceleraciones e impactos

Estas son condiciones mecánicas que afectan principalmente a los elementos de

conexión y fijación de los componentes del sistema eléctrico. Se tendrán en cuenta diversos

espectros de carga con frecuencias entre 10 y 3000 cps con amplitudes diversas, según indica la

norma, para simular desde vibraciones puramente mecánicas hasta las producidas por ruido. Se

considerarán las cargas producidas por aceleraciones de hasta 18g en cualquier dirección. Los

impactos se simularán mediante aceleraciones súbitas de hasta 75g con duraciones inferiores a

9ms.

La mayor parte de ensayos del material eléctrico simulan cada una de las situaciones extremas

de forma independiente. Pero también se deberá tener en cuenta el efecto combinado de algunas

de ellas, tales como baja temperatura junto con baja densidad del aire, vibraciones y

aceleraciones, temperatura elevada con humedad, etc

3.2.5. Tipos de tensiones a bordo: CC/CA

La producción y distribución de energía eléctrica a bordo puede realizarse en forma de corriente

continua exclusivamente (CC), o mediante sistemas mixtos con una parte de corriente continua

(CC) y otra de corriente alterna (CA)

CC.- En los principios de la aviación la generación de energía eléctrica se hacía

exclusivamente en forma de corriente continua. Actualmente, todavía se utiliza este

sistema único en algunos aviones militares y aviones civiles pequeños.

Sistemas mixtos de CC-CA.- Conforme fueron aumentando las necesidades de

energía eléctrica en los aviones, adquirieron más relevancia las ventajas relativas

que tienen los sistemas de generación y distribución en forma de corriente alterna

trifásica. Estos alternadores trifásicos son movidos por motores principales que

generan ondas de tensión sinusoidales. Sin embargo, debido a la necesidad de

acumular energía eléctrica en las baterías para cubrir situaciones de emergencia y

también para atender las necesidades concretas de algunos equipos del avión, es

necesario mantener a bordo una parte del sistema de corriente continua. Esta se

puede obtener rectificando la corriente alterna a través de unidades compuestas por

un transformador y un puente rectificador, o bien a través de dispositivos como las

pilas de combustible (fuel cells) las cuales obtienen directamente CC)

3.2.6. Generación, almacenamiento y consumidores de energía eléctrica en el avión

Como principales características los sistemas de generación y almacenamiento de energía

eléctrica en el avión caben citar las siguientes:

Los generadores principales son arrastrados por los motores del avión y en consecuencia

se instalan junto a ellos.

36

La unidad de potencia auxiliar (A.P.U) se instala normalmente en la popa del avión para

facilitar una salida segura de los gases de escape producto de la combustión por la parte

trasera del fuselaje.

Los generadores de emergencia se pueden situar en lugares muy diversos, aunque su

emplazamiento dependerá fundamentalmente del sistema que se utilice para arrastrarlos.

Los que son arrastrados por los propios motores del avión se instalan en sus carenados,

igual que en el caso de los generadores principales. Cuando son arrastrados

directamente por una R.A.T, el generador irá adosado al eje de la hélice. En cualquier

caso la R.A.T irá situada en la parte inferior del fuselaje.

Una posible clasificación de las cargas eléctricas en el avión puede ser según su función :

Cargas relacionadas con la cualidades de vuelo

- Superficies de control

- Encendido de los motores

- Control de los motores

- Instrumentación del motor

- Instrumentación de vuelo

- Sistema hidráulico y de combustible

Cargas de navegación y comunicaciones

- Sistemas de radio HF, VHF y UHF

- Receptores VOR, DME Y ADF (Sistema IAPS)

- Aterrizaje instrumental (LOC Y GS)

- Radares ( Meteorológico, de navegación)

Cargas de calentamiento y acondicionamiento

- Iluminación

- Acondicionamiento de cabina

- Calentamiento, ventilación y deshielo

- Atención, confort y ocio del pasaje

Cargas de armamento

3.2.7. El concepto de Hibridación

En este campo, el concepto de sistema híbrido se asocia a aquellos sistemas de

suministro de potencia eléctrica integrados por dos o más fuentes de energía de diferente

naturaleza. Con esto se pretende hacer un mejor uso de sus características de funcionamiento y

aumentar la eficiencia que se obtiene si sólo se utiliza una única fuente. En el caso concreto de

los sistemas híbridos de pilas de combustible, se refiere a los sistemas de generación de potencia

integrados por un sistema de pila de combustible y otra u otras fuentes de energía diferentes.

El objetivo de combinar varias fuentes de energía es el de anular o minimizar las principales

desventajas que presentan las pilas de combustible: lenta respuesta transitoria y baja eficiencia a

potencias altas.

Sin embargo, un sistema basado simplemente en una pila de combustible no posee ningún

atractivo desde el punto de vista práctico, ya que la carga a la que puede alimentar debe ser muy

concreta y con unas restricciones muy limitadas.

37

3.3) TENDENCIAS FUTURAS EN EL AVIÓN.-Conceptos MEA,AEA

Las tendencias en la arquitectura de los sistemas de propulsión en un avión se ven

afectadas por los numerosos avances que tienen lugar en las tecnologías empleadas.

Tradicionalmente los aviones han sido impulsados por una combinación de sistemas

mecánicos, eléctricos, hidráulicos y neumáticos. A pesar de ser los más usados, no son

los que proporcionan mayor rendimiento, fiabilidad y ciclo de vida. Es por esto que

actualmente, se tiende cada vez más a la utilización de otros sistemas con mejores

prestaciones, por ejemplo, cada vez existe una mayor utilización de la potencia eléctrica

para la generación de energía en los subsistemas que forman una aeronave.

La figura 11 muestra la ubicación de las fuentes de potencia convencionales (baterías,

motores principales, APU y RAT), así como el tipo de potencia que suministran. Las fuentes de

potencia convencionales que se emplean son:

- Potencia neumática, proveniente del sangrado de aire de los motores y que se emplea

para el aire acondicionado en cabina o el arranque de los motores principales.

- Potencia eléctrica, que se utiliza para todo el tema de luces, iluminaria, entre otros.

- Potencia hidráulica, que es la que se emplea por el ejemplo para accionar los controles

de vuelo.

Fig.11. Fuentes de potencia convencionales en el avión [Ref 23]

El rango de potencia que cada fuente ofrece se muestra en la siguiente tabla:

Potencia

(eléctrica,

neumática o

hidráulica) KW

MOTORES

PRINCIPALES

APU RAT BATERIAS

~ 1000 ~550 (tierra) ~25 ~3

TABLA 9 . Potencia ofrecida por las diversas fuentes principales del avión [Ref 23]

En la figura 12 se muestran los consumidores de potencia más importantes dentro de la

arquitectura convencional del avión. Estos son los sistemas de aire acondicionado, sistema anti-

hielo, arranque de motores, tren de aterrizaje, sistemas de cabina y tren de aterrizaje.

38

Fig.12. Consumidores de potencia principales del avión [Ref 23]

El rango de potencia que consume cada uno se muestra a continuación:

Máximo

consumo

de

potencia-

KW

AIRE

ACONDICIONADO

PROTECCIÓN

ANTI-HIELO

Y LLUVIA

SISTEMAS

DE

CABINA

ARRANQUE

DE

MOTORES

TREN DE

ATERRIZAJE

CONTROLES

DE VUELO

~ 500 ~250 ~100 ~300 ~50 ~150

TABLA 10 . Potencia consumida por los principales sistemas eléctricos del avión [Ref 23]

De las nuevas tendencias y oportunidades de mercado (celdas de combustible, motores

principales más avanzados, sistemas más electrificados,etc) surge la idea del uso, cada vez

mayor de la potencia eléctrica como medio de propulsión para aeronaves; de ahí surgen los

conceptos de avión mas eléctrico (MEA) y avión totalmente eléctrico (AEA). Estos conceptos

son principalmente desarrollados desde la filosofía Boeing.

Los subsistemas electrificados de estas aeronaves son: control de vuelo, sistema eléctrico,

antihielo, sistemas ambientales, accionamiento eléctrico de frenos, aire acondicionado, bombeo

de combustible... La diferencia entre ambas (MEA y AEA) reside en la cantidad de subsistemas

que tiene electrificados cada una. Como su nombre indica, los aviones AEA (avión totalmente

eléctrico – all electric aircraft) tienen más partes eléctricas que los aviones MEA (avión mas

eléctrico – more electric aircraft).

Los diferentes tipos de cargas existentes en los subsistemas eléctricos de estos aviones,

requerirán distintos suministros de potencia, que no provendrán de los generadores principales,

sino de otros generadores que conviertan la potencia del eje de un motor en potencia eléctrica.

Además, se dispondrá de unidades de potencia auxiliar en tierra, cuando los motores están

apagados. Esta mayor demanda de potencia conlleva un inevitable aumento de la corriente

circulante o de la tensión. Un aumento de la corriente supondría la necesidad de emplear

cableado de mayor sección, con el consecuente aumento de peso. El peso del sistema eléctrico

es un aspecto critico en un avión, por lo que, se hace necesario que la variable a aumentar sea el

voltaje. Es por esto, que las especificaciones técnicas de un avión fijan la tensión de su bus

principal en 270 Vcc. Sin embargo, determinados componentes requieren suministros de 28 Vcc

o 115 Vac para su correcto funcionamiento. Los futuros aviones necesitaran el empleo de

sistemas de energía multinivel de voltaje CC y sistemas CA.

Los recientes avances en las áreas de electrónica de potencia, accionamientos eléctricos,

electrónica de control y microprocesadores están proporcionando el impulso necesario para

mejorar el rendimiento de las aeronaves y la fiabilidad de sus sistemas eléctricos.

39

Las mejoras que los sistemas MEA y AEA proporcionan, comparándolos con los sistemas

tradicionales, son: menor complejidad, menores costes de mantenimiento, mayor fiabilidad,

detección de fallos, mayor eficiencia, ahorro de peso y volumen.

Todos estos detalles recién mencionados llevan a los aviones MEA y AEA a ser considerados la

dirección hacia una nueva generación de aeronaves. Estos nuevos sistemas de arquitectura en

aeronaves para el desarrollo de aviones más/totalmente eléctricos (MEA/AEA) tienen como

resultado un incremento en la demanda de potencia eléctrica. En consecuencia, se hace

necesario no solo el uso de componentes que conviertan la energía eléctrica de un modo a otro,

sino también de componentes que transformen el voltaje a niveles superiores o inferiores, es

decir, convertidores electrónicos de potencia. De este modo, los sistemas de distribución

eléctrica MEA/AEA estarán compuestos principalmente por convertidores de potencia.

Como conclusión final se pueden establecer una serie de ventajas del nuevo sistema de

pilas de combustible frente al tradicional:

Bajas Emisiones.- Significante reducción de NOx tanto en tierra como en vuelo

Alta eficiencia.- La eficiencia se incrementa debido a las tecnologías aplicadas

Economía de Fuel.- En tierra una turbina típica suministra a la APU una potencia con

un 15% de eficiencia. En el futuro la APU alimentada con una SOFC (Boeing) cuenta

con un 60% de eficiencia a nivel del mar. Esto conlleva un ahorro de fuel de más del

75%. Por otro lado, en vuelo la APU tradicional presenta un 40-45% de eficiencia , y

JET-A se encarga del suministro eléctrico en crucero. Por su parte, el nuevo modelo

basado en SOFC cuenta con un 75% cubriendo todas las necesidades de los sistemas en

crucero. Con todo esto la reducción de fuel que se alcanza es aproximadamente un 40%

Reducción de Ruidos.- Excelente potencial para una significativa reducción de ruidos.

en tierra.

40

4.- PILAS DE COMBUSTIBLE EN EL SECTOR

AERONÁUTICO/AEROESPACIAL

4.1) LINEAS DE INVESTIGACIÓN Y PROYECTOS

4.1.1. Introducción

Las aplicaciones de las pilas de combustible en la aeronáutica y el espacio no son las

únicas, pero sí fueron las primeras. La primera pila de combustible (de tipo PEM) la desarrolló

General Electric en los años 60 para las misiones espaciales Geminis de la NASA. Actualmente

hay proyectos de avión, no para conseguir un avión operado por pilas de combustible, algo que

por el momento está fuera de toda visión realista, sino para sustituir algunos sistemas auxiliares.

Hoy por hoy es un sistema caro y quizá por ello la pionera ha sido la industria

aeroespacial, donde priman otros intereses frente al económico. Destacan otras aplicaciones

como las desarrolladas para automoción y producción estacionaria de potencia a pequeña escala

aunque no hay que olvidar que este mercado está aún en fase de desarrollo.

Una de las primeras ventajas que acuden a la mente es la reducción de contaminantes al

evitar la combustión propiamente dicha. Se llega a hablar de emisiones cero en el caso de las

pilas de hidrógeno, que únicamente desprenden agua. Otro aspecto beneficioso es la mayor

eficiencia o rendimiento, que no está limitada por el rendimiento de Carnot, puesto que es un

proceso electroquímico y no un ciclo termodinámico. A ello hay que añadir las bajas presiones

y temperatura de operación y la capacidad de cogeneración (usos combinados de calor y energía

en los que la mayoría de la energía no transformada en electricidad se utiliza como calor) en las

de óxido sólido. La reducción de espacio es una mejora importante en la aplicación de las pilas

de combustible en dispositivos portátiles como el ordenador o el teléfono móvil, donde nos

olvidaríamos de la red de suministro eléctrico. Pero lejos de estas ventajas propias de las

características y del funcionamiento de las pilas de combustible se encuentra un valor muy

relevante: la diversificación. Todo va encaminado hacia la diversificación de los procedimientos

de generación de energía eléctrica y a diversificar la fuente y el uso del combustible, de manera

que no provenga todo del petróleo. Desde un punto de vista político la diversificación supone

seguridad y estabilidad, más aun cuando las reservas de petróleo se encuentran en países con

una gran inestabilidad política. Frente a todas esas ventajas, únicamente dos inconvenientes: es

una tecnología en desarrollo y su precio es elevado, junto con el problema del almacenamiento y

transporte del hidrógeno en el caso de las pilas que utilizan dicho combustible. Ello podría

subsanarse empleando otro combustible y convirtiéndolo en hidrógeno, pero el reformador en sí

puede suponer una penalización en el peso.

4.1.2. Proyectos destacados en el sector aeronáutico

El sector aeronáutico está analizando en los últimos años la posibilidad de utilizar

tecnologías de pilas de combustible en dispositivos aéreos. Los UAV, debido a sus dimensiones

más reducidas, a que la mayoría de sus actuadores son eléctricos y a la ausencia de tripulación a

bordo, son los primeros candidatos para el ensayo y validación de pilas de combustible en

vuelo. De entre éstos, además, los micro UAV son, debido a su reducido tamaño, coste y

alcance, en los que se han realizado las primeras pruebas, este es el caso, por ejemplo, del

Hornet de la empresa americana AeroVironment. El Hornet es una evolución del Black

Widow, de la misma empresa, que tiene como principal modificación la alimentación mediante

pilas de combustible de tipo PEM. También en Europa se han desarrollado esfuerzos en este

sentido, en concreto la Agencia francesa ONERA ha desarrollado el demostrador Mirador con

una envergadura de 25 cm. y una autonomía de vuelo de 20 min.

Dentro de los UAV de mayor tamaño hay varios proyectos, algunos ya demostrados y

otros todavía en desarrollo. Dentro de este grupo la empresa AeroVironment también ha

41

desarrollado el PUMA, un SUAV de 2.5 m. de envergadura, este SUAV tiene un sistema de

alimentación híbrido pilas PEM/baterías en cuyo desarrollo han participado las empresas

Protonex y Millenium Cell. Se han demostrado vuelos de hasta 7 horas con el sistema híbrido

mientras que con alimentación sólo con baterías la máxima duración era de 4.

Otro proyecto de AeroVironment es el Helios, un UAV de elevada altitud y larga duración

(HALE en sus siglas en inglés). Inicialmente este UAV estaba propulsado únicamente por

placas fotovoltaicas pero se ha modificado el concepto para permitir vuelos nocturnos

añadiendo una pila PEM de 10 KW. En este caso el oxígeno y el hidrógeno necesarios para el

funcionamiento de la pila PEM se obtiene mediante un electrolizador alimentado por parte de la

energía fotovoltaica y aprovechando el agua generada por la pila, con una fase posterior de

almacenamiento.

Otro prototipo de la misma empresa es el Global Observer, adaptado para el vuelo con una pila

de combustible alimentada mediante un tanque de hidrógeno líquido. Este prototipo voló por

primera vez en el 2005 durante una hora.

Otro concepto sobre el que está trabajando AeroVironment es el Centurión, una evolución del

Helios también de propulsión híbrida solar/pilas de combustible, con el que esperan obtener

tiempos de vuelo de semanas.

En España, en el campo de los UAV con propulsión mediante pilas de combustible

destaca el INTA con el proyecto AVIZOR en el que se pretende realizar la propulsión de un

UAV mediante una pila PEM. Este proyecto aprovecha la existencia de otro UAV desarrollado

en los últimos años en el INTA, el SIVA, sobre el que, entre otras modificaciones, se substituye

el sistema de energía por uno basado en pilas de combustible.

Siguiendo con el caso español hay una iniciativa importante para desarrollar tecnologías

relativas a pilas de combustible siendo una de sus aplicaciones principales la aeronáutica. Se

trata del proyecto DEIMOS (Desarrollo E Innovación en pilas de combustible de Membrana

polimérica y Óxido Sólido). Este proyecto está liderado por la empresa Compañía Española de

Sistemas Aeronáuticos (CESA) y cuenta entre sus socios con Airbus y EADS, además de contar

con la colaboración de otros centros aeroespaciales como Inasmet o el INTA. El fin último del

proyecto es conseguir un buen posicionamiento de la industria española en las tecnologías de

pilas de combustibles en general. Como objetivo específico aeronáutico se tiene el desarrollo de

tecnología propia para construir un sistema auxiliar de generación de potencia basado en

tecnología PEM de alta temperatura (>120ºC) que suministre una potencia de 10 Kw.

Fig 13 .Esquema del sistema de propulsión alimentado por pilas PEM del proyecto

AVIZOR desarrollado por el INTA[Ref 32]

42

En el proyecto CRYOPLANE, de Airbus, se estima que la sustitución de APUs por pilas de

combustible va a suponer una reducción del 80% de la emisión de gases NOx. Según la NASA

las APUs tradicionales son responsables del 20% de las emisiones en tierra del avión.

Ya se han hecho diferentes pruebas en vehículos aéreos. Se han probado pilas de combustible en

UAVs (vehículos aéreos no tripulados) con gran éxito, pero la alimentación de hidrógeno era

externa, es decir, que el avión se cargaba de combustible hidrógeno y volaba durante el tiempo

estimado que durase el combustible. El Cryoplane de Airbus es un buen ejemplo. El UAV

dispone de una serie de tanques de almacenamiento de hidrógeno en la parte superior del

armazón. El problema radica en que aún no existen “hidrogeneras” en los aeropuertos, y el

almacenamiento de hidrógeno es muy costoso, ya que requiere de tanques a elevada presión y

muy voluminosos, debido a la baja capacidad de almacenamiento volumétrico que posee.

En cuanto a posibles aplicaciones de las pilas de combustible en la aviación comercial,

aparecen dos como las más estudiadas y adecuadas; en primer lugar la sustitución de las APU

actuales, actuadas con motores de combustión interna, (Boeing ha ensayado con una SOFC, la

cual supone un ahorro de combustible estimado durante el vuelo del 40% y en tierra del 75%);

la otra aplicación es la sustitución de las Ram Air Turbines (RAT) que generan energía en casos

de emergencia aprovechando la velocidad del avión, al modo de un aerogenerador

convencional. En el caso de sustitución de las RAT son las pilas PEM habituales, es decir, las

que trabajan a temperatura ordinaria, las que podrían ser empleadas en un plazo de tiempo

relativamente corto. Para hacerse una idea de la viabilidad de estas aplicaciones con pilas de

combustibles es interesante comentar el artículo" Exploring the role of fuel cell electric power

systems for commercial applications", publicado por General Electric en el 2007, en el que se

realiza un estudio de la sustitución de las APU y RAT convencionales por otras basados en pilas

PEM. En este estudio se analizan las consecuencias en términos de peso, coste, logística,

duración de vuelo y respeto por el medioambiente. A modo de resumen es interesante destacar

que la sustitución de la RAT parece ser viable para un futuro próximo, ya que se obtiene

reducción de peso frente al sistema convencional; La APU se estudia tanto para su utilización en

tierra como en vuelo. En la aplicación en tierra los resultados no son concluyentes y la decisión

dependería de nuevos desarrollos más optimizados y de si la presión por el respeto al

medioambiente aumenta. La utilización de la APU en vuelo únicamente parece interesante para

vuelos que superen las 6 horas.

Diseñar e implementar una nueva infraestructura para el alimentar con hidrógeno las

aeronaves es un proceso muy lento y costoso, por lo que la mejor solución sería reformar éste

combustible en el propio avión, puesto que la infraestructura para repostar los aviones

comerciales ya está montada en los aeropuertos. En cuanto a proyectos en esta línea, dentro del

proyecto POA (Power Optimized Aircraft), el instituto alemán Fraunhofer ISE y el Centro

Aeroespacial alemán (DLR), ha desarrollado un sistema auxiliar de energía para aviones

combinando un reformador de queroseno autotérmico (ATR) con una pila de combustible de

óxido sólido (SOFC). Esta nueva alimentación del sistema eléctrico auxiliar permitirá una

reducción en el consumo de combustible entre el 40 y el 70%.

En el Laboratorio de Investigación de los Álamos (LANL)llevan a cabo un programa de

investigación para desarrollar tecnologías apropiadas para el reformado a bordo de combustible

diesel para las pilas SOFC aplicadas a APUs. Otro programa que llevan a cabo es para el

reformado a bordo de gasolina en la pila PEM.

El reformado a bordo del avión, es por tanto una de las soluciones más eficaces por el momento.

El proyecto GAES: Beneficios potenciales del uso de pilas de combustible en aviación,

evalúa el impacto de la sustitución de las APU de los aviones por pilas de combustible.

El uso de pilas de combustible SOFC sería una buena elección puesto que pueden operar sin

mucho problema con el hidrógeno “sucio” procedente del reformado de queroseno. En el caso

de que el hidrógeno estuviera disponible a bordo del avión, las pilas PEM son más eficientes.

43

El proyecto CELINA (Fuel Cell Integration in a New Aircraft), liderado por Airbus Alemania,

desarrollan pilas PEM y SOFC para aplicaciones aeroespaciales. Está llevando a cabo además

otros proyectos en este sentido: CONMID (Conversion of Middle Distillates for PEM

Applications in Aircraft and Ships), incluye reformado de queroseno, y MOET (More Open

Electrical Technology) – que se desarrolla en el ámbito de la tecnología SOFC para aplicaciones

aeroespaciales.

Por su parte, la NASA están investigando en pilas de combustible SOFC apropiadas para el uso

en APU de los aviones. Lo lleva a cabo a través del programa NEXCAP. Centrado en esta

línea es interesante el estudio particularizado sobre SOFC, de la NASA, "Solid Oxide Fuel Cell

APU Feasibility Study for a Long Range Comercial Aircraft Using UTC ITAPS Approach".

El mercado de pilas de combustible para aviones es relativamente pequeño comparado

con el de otros mercados como el del automóvil o de plantas estacionarias generadoras de

electricidad, es por ello que el esfuerzo de desarrollo debe ser compartido. Una vez las

dificultades genéricas de la tecnología sean superadas, las empresas aeronáuticas podrán adaptar

las soluciones a las particularidades del sector. Hay que tener en cuenta que las condiciones de

trabajo en vuelo son muy diferentes a las que se tienen en tierra. Un avión vuela a varios miles

de metros de altura y en esas situaciones las condiciones del aire son muy diferentes a las de

tierra. Para el funcionamiento de una pila es necesaria la entrada de aire/oxígeno por el cátodo,

debido a las diferentes condiciones del aire y, en concreto, a las menores presión atmosférica,

temperatura y concentración de oxígeno es de esperar que el rendimiento de la pila PEM a altas

altitudes se vea perjudicado seriamente. Boeing también ha realizado estudios al respecto, como

muestra, por ejemplo, el artículo "Altitude testing of fuel cell systems for aircraft applications"

del 2004, publicado junto a la empresa Cessna, donde se analizan condiciones de vuelo

por debajo de los 5000 pies. En él se comentan pérdidas de rendimiento cercanas a un 30%. Un

ejemplo más completo y reciente es el artículo "performance of protón Exchange membrane

fuel cell at high-altitude conditions", publicado por la Universidad de California en Irving en el

2007. Esta problemática puede ser superada por un sistema de presurización pero sería

interesante poder evitarlo para no tener que perjudicar al sistema en peso. También hay otro

artículo de 2005 de estos mismos autores que aborda la misma temática, "Experimental

Performance of an Air-Breathing PEM Fuel Cell at High Altitude Conditions".

Aún así, el uso de pilas de combustible presenta varios puntos de interés frente a las soluciones

actuales: en primer lugar el respeto por el medioambiente representa cada vez más un tema

importante en todos los vehículos de transporte, las pilas de combustible son un sistema de

generación de energía limpia; el rendimiento de una pila de combustible es mayor al de un

motor de combustión interna esto conlleva un ahorro en combustible y, por tanto, en coste; por

último otro tema importante es la reducción de ruidos, las pilas de combustible son un sistema

silencioso.

44

4.1.3. Líneas de investigación y mejora de pilas de combustible en el sector

aeronáutico.

4.1.3.1 REFORMADO DEL QUEROSENO COMO FUENTE DE HIDRÓGENO

A BORDO DEL AVIÓN.

Una de las ideas que se están desarrollando son los métodos de reformado de queroseno que

se puedan llevar a cabo a bordo del avión, y acoplar al reformador una pila de combustible.

En este sentido cabrían dos opciones.

La primera de ellas sería tener un reformador externo a la pila de combustible,

obteniendo una corriente rica en hidrógeno, para pasarlo posteriormente a la pila y allí producir

la energía eléctrica:

Fig 14. Método del reformador externo [Ref 17]

La otra opción que se baraja, y que tiene más ventajas, es la conversión directa del

hidrocarburo en CO2 y H

2O dentro de la misma pila de combustible. Es un sistema más sencillo,

eficiente y rentable. Se tendría así una pila de combustible de conversión directa de

hidrocarburos. La construcción de este tipo de pilas pasa por buscar un electrocatalizador más

duradero y resistente tanto a la descomposición, como a los residuos carbónicos que se forman

durante la conversión. S. Park, en el año 2000, divulgó en el artículo “Direct oxidation of

hydrocarbons in a solid-oxide fuel cell”, que, sustituyendo el óxido de circonio por óxidos de

cobre y cerio, se evita la carbonización del ánodo a una temperatura de 700ºC. Por otro lado, T.

Hibino en el artículo publicado en Science “A Low-Operating-Temperature Solid Oxide Fuel

Cell in Hydrocarbon-Air Mixtures”, logra una pila de combustible de conversión directa con

mayor rendimiento.

Fig 15. Método directo [Ref 17]

A continuación se describen los métodos de reformado , una comparación de los mismos, los

tipos de pilas de combustible que emplean este método y su comparación. A continuación, se

tratan las pilas de conversión directa de hidrocarburos.

Pilas de combustible con reformador externo

El reformado de queroseno es actualmente la mejor solución para poder aplicar las pilas de

combustible en los aviones, puesto que es el único combustible que existe a bordo. Se trata,

pues, de colocar un proceso previo a la pila que rompa el fuel en sus componentes principales

(CO e H2). En esta corriente existen también otros componentes que resultan venenosos para los

45

elementos de las membranas, catalizadores,… de las pilas. Son el monóxido de carbono y los

sulfuros, que deben ser eliminados del proceso.

TECNOLOGÍAS DE PRODUCCIÓN CONVENCIONALES

Para producir hidrógeno a partir de queroseno existen varios métodos de reformado que se

van a describir a continuación:

a. Reformado con vapor de agua (SR)

En este proceso ocurren dos reacciones. En la primera de ellas, el hidrocarburo se transforma

en hidrógeno y monóxido de carbono. En la segunda, se produce hidrógeno adicional a partir

del monóxido de carbono obtenido en la primera reacción.

El hidrocarburo se mezcla con vapor de agua a temperaturas elevadas, del orden entre 700ºC

y 900ºC y se hace pasar a través de un catalizador (normalmente a base de Ni o metales nobles),

según la siguiente reacción:

CnH

m + n H

2O n CO + (m/2+n) H

2 Endotérmica

De forma general, y no exclusivamente asociado a este método de reformado, se puede

obtener hidrógeno adicional mediante una reacción de desplazamiento del monóxido de carbono

con vapor de agua a una temperatura más baja:

CO + H2O CO

2 + H

2 Exotérmica

Es necesario trabajar a una presión moderada, en torno a 20 bar, si se instala una unidad PSA

aguas abajo para purificar el hidrógeno. El calor necesario para llevar a cabo la reacción se

obtiene de un quemador incorporado al reformador.

Para que este método opere en condiciones óptimas es preferible que el hidrocarburo esté en

forma gaseosa y libre de impurezas (azufre entre otras) que pudiesen desactivar el catalizador.

Aún así, se está investigando soluciones para operar con queroseno líquido en el reformador de

vapor.

El monóxido de carbono obtenido como subproducto deteriora el catalizador del ánodo de la

pila de combustible, por lo que se ha de disminuir su concentración por debajo de los 20 ppm.

Esto se logra pasando la corriente de salida por un lecho catalítico selectivo a CO.

Los catalizadores basados en níquel se envenenan fácilmente por los sulfuros del fuel, por lo

que, en el método tradicional de SR, aguas arriba es necesario colocar un sistema para eliminar

el H2S que puede ser un lecho absorbente de algún oxido metálico de forma que se reduzcan al

máximo los niveles de sulfuros presentes en la alimentación. Este proceso aumenta el coste y la

complejidad del proceso.

Para que el procesador de fuel opere de forma eficiente es necesario controlar el ratio vapor

de agua / carbono de la alimentación.

El tamaño actual de estos reactores es grande (normalmente son tubos de 10-20 cm de

diámetro y varios metros de largo), lo que los hace económicamente viable para la producción

de hidrógeno a escala comercial. De hecho, es el método de obtención que más se usa en la

industria petroquímica para obtener hidrógeno, con un rendimiento entre 70-90%.

Pero para poder usarlo junto a las pilas de combustible, que por definición han de ser

compactas y de poco peso, es necesario que los reactores tengan un tamaño menor.

46

En el Laboratorio de la Fuerza Aérea estadounidense (AFRL) se ha creado una pila

SOFC alimentada a partir de JP-8. El fuel es convertido previamente a la entrada en la pila por

reformado por vapor en una corriente rica en hidrógeno. Prevén el uso de esta pila en

dispositivos móviles.

Una de los inconvenientes de este método es que posee una dinámica lenta en comparación

con el resto de los métodos. Su lenta respuesta a cambios en la demanda hace que sea un factor

negativo a la hora de aplicarlo en uso embarcado.

b. Oxidación parcial no catalítica (POX)

En este proceso, desarrollado por Texaco y Shell, el hidrocarburo se mezcla con el oxígeno,

se calientan, se mezclan y queman dentro del reactor. Al operar en ausencia de un catalizador

las temperaturas de operación son superiores a 1100ºC, según la siguiente reacción:

CnH

m + n/2 O

2 ↔ n CO + m/2 H

2 Exotérmica

El calor necesario para llevar a cabo la reacción se aporta, normalmente, por la oxidación de

una parte del fuel de entrada. Los productos principales son CO y H2, y se obtienen como

subproductos CO2

y H2O, de modo que la composición de la corriente gaseosa de salida vendrá

definida por el equilibrio termodinámico.

La eficiencia de esta reacción es relativamente elevada, pero es menos eficiente que el

reformado por vapor debido a que opera a elevadas temperaturas y existe el problema de la

recuperación del calor. En este método de reformado no es necesario que haya una

desulfuración previa del hidrocarburo para operar, pero, en contraposición, tiene unos costes de

inversión y operación elevados si se opera con oxígeno puro.

c. Oxidación parcial catalítica (CPOX)

Se basa en la combustión incompleta del hidrocarburo en presencia de vapor de agua. Este

vapor de agua también reacciona con la alimentación, de modo que, controlando las cantidades,

se puede controlar la temperatura de reacción, puesto que la reacción de oxidación es

exotérmica y la reacción con el vapor de agua endotérmica.

CnH

m + n/2 O

2 ↔ n CO + m/2 H

2 Exotérmica

CnH

m + n H

2O ↔ n CO + (m/2+n) H

2 Endotérmica

La oxidación parcial se refiere a la conversión exotérmica de hidrocarburos pesados. Las

cantidades de oxígeno y vapor de agua se controlan para que la reacción ocurra sin necesidad de

aporte de energía externa.

La oxidación parcial presenta ventajas con respecto al reformado por vapor. En primer lugar,

utiliza aire en vez de vapor, y es una reacción exotérmica, con lo que no se requiere aporte de

energía externa durante el proceso. En contrapunto, se produce una menor cantidad de

hidrógeno (la relación molar estequiométrica H2/CO de la reacción de oxidación parcial es 2 y

de la de reformado por vapor es 3)

La oxidación parcial ha sido objeto de investigación en los últimos años por empresas

fabricantes de pilas de combustible, para ser aplicada por la industria del automóvil para el

reformado in situ de hidrocarburos. No obstante, presenta muchos problemas en cuanto a

47

desactivación de catalizadores, recuperación del calor residual y la excesiva dilución que

introduce el trabajar con aire como agente oxidante

El tipo de catalizador más comúnmente usado es el compuesto por metales nobles sobre un

lecho cerámico. El empleo del catalizador hace que se dé la reacción de reformado a menores

temperaturas que la oxidación parcial no catalítica (POX).

Los investigadores del Departamento de Ingeniería Mecánica y Aeroespacial de la

Universidad de Case Western, en EE.UU. describen en su artículo Optimization of jet-a fuel

reforming for aerospace applications un método optimizado para reformar Jet-A (tipo de

combustible con aplicaciones aeroespaciales basado en queroseno) usando oxidación parcial

catalítica con un tiempo de contacto reducido y añadiendo una cantidad mínima de agua. El

hidrógeno que se obtiene está especialmente preparado para operar con una pila de combustible

de oxido sólido.

d. Reformado autotérmico (ATR)

El reformado autotérmico es una combinación de la oxidación parcial (POX) y la de

reformado por vapor (SR). La temperatura se regula usando el calor que genera la combustión

como fuente de energía en la reacción de reformado con vapor de agua.

CnH

m + H

2O+ n/2 O

2 ↔ n CO + m/2 H

2

En el reformado autotérmico, el hidrocarburo reacciona con el vapor de agua y con el aire

para producir un gas rico en hidrógeno. Las reacciones de reformado por vapor (SR) y de

oxidación parcial (POX), tienen lugar de forma conjunta. Con la correcta combinación de

alimentación de entrada (fuel, aire y vapor), el calor de reacción de la oxidación parcial es

suficiente para que se dé la reacción de reformado por vapor.

Como ocurre en los otros métodos de reformado, se hace necesario un reactor y una etapa de

purificación de la corriente de hidrógeno para eliminar los óxidos de carbono (CO).

Los reformadores autotérmicos típicos emplean un lecho catalizador de metales nobles y operan

en un rango de temperaturas que oscila entre 800ºC y los 1300ºC. Comparándolos con los

reformadores por vapor, la ventaja de operar a tan elevadas temperaturas hace que los sulfuros

del fuel no sean tan venenosos para el catalizador. Aún así, debido al elevado contenido en

azufre del queroseno (400-600 ppm) la desulfuración previa del combustible sigue siendo

necesaria ya que no existe ningún catalizador para este método capaz de soportar estos niveles

de contaminación sin envenenarse. Otra ventaja de este método de obtención es que los tiempos

de respuesta son menores que los del reformado por vapor. Un ejemplo de test de reformado

autotérmico de un queroseno desulfurizado para aplicaciones en aviones lo presentan los

investigadores del Fraunhofer ISE, de Alemania, en el artículo "Catalytic autothermal reforming

of jet fuel".

Como los sulfuros actúan como elementos tóxicos en la pila de combustible es necesario poner

unidades de desulfuración aguas arriba de la corriente de entrada de la alimentación de la pila.

En el Centro de Investigación Jülich, de Alemania, se está investigando en desulfuradores que

se colocarían delante de la unidad de reformado. Además están desarrollando, en el marco del

proyecto APAWAGS (Advanced Power and Water Generating System), financiado por el

Ministerio de Economía alemán, un reformador compacto para obtener hidrógeno a partir de

queroseno. El prototipo actual es cilíndrico con el catalizador en el interior. La mezcla de gas de

síntesis se introduce directamente en una pila de combustible de alta temperatura. En el

transcurso del desarrollo del proyecto POA se ha desarrollado una unidad de este tipo.

Por otro lado, también se ha dedicado recursos a investigar catalizadores que permitan el

reformado de alimentaciones que contengan sulfuros. Desde la Universidad de Notre Dame

48

(Perovskite catalysts for the auto-reforming of sulfur containing fuels) se propone el uso de

catalizadores de perovskita, para reformar JP-8.

Los inconvenientes que presenta este método tienen que ver, el primero de ellos, con el tamaño

de todo el equipo en conjunto. Al llevar asociado un sistema de recuperación del calor, el equipo

es muy grande y costoso. Por otra parte, es difícil vaporizar la alimentación si es de

hidrocarburos pesado, y que pase de forma uniforme sobre todo el lecho catalizador.

Este método presenta la ventaja de que al no ser necesario un aporte de calor al sistema el coste

de funcionamiento y operación se reduce considerablemente frente a los otros sistemas de

reformado.

Aún así, el reformado autotérmico es una de las tecnologías que más se están estudiando en los

últimos tiempos para la producción in situ de hidrógeno para aplicaciones móviles, puesto que

combina las ventajas e inconvenientes del reformado con vapor y la oxidación parcial.

COMPARATIVA DE LAS TECNOLOGIAS DE PRODUCCIÓN CONVENCIONALES

En primer lugar, es necesario señalar que los reformadores de fuel convencionales, para su

aplicación en transporte, son demasiado grandes, lo que supone que ocupan mucho espacio,

pesan bastante y su coste asociado es elevado. Por ello, las investigaciones tienen que tender a

reducir el tamaño y el peso de los reformadores pero sin perder eficiencia en su producción.

Los métodos convencionales de reformado de hidrocarburos son el reformado por vapor

(SR), la oxidación parcial no catalítica (POX), la oxidación parcial catalítica (CPOX) y el

reformado autotérmico (ATR). Todos estos métodos tienen sus ventajas y sus inconvenientes.

En la siguiente tabla se va a hacer una comparativa de estas tecnologías de producción.

TABLA 11. Comparativa de las tecnologías de producción convencionales[ ref 17]

TECNOLOGÍAS DE PRODUCCIÓN EMERGENTES

La producción de hidrógeno a partir de los métodos convencionales es relativamente cara. Es

una tecnología bien establecida para aplicaciones estacionarias, pero para aplicaciones móviles

se han de solucionar las limitaciones técnicas que poseen (tamaño y tiempos de arranque/parada

fundamentalmente).

Por ello, los investigadores han tratado de buscar nuevas soluciones para que el uso de la

tecnología de pilas de combustible pueda extenderse en el campo de las aplicaciones móviles.

49

Se podría conseguir un importante avance considerando el desarrollo que está

experimentando la tecnología de membranas. Así, científicos del Argonne National

Laboratory y Amoco trabajan con tecnología de membranas cerámicas (oxido de estroncio-

hierro-cobalto), de bajo coste, que permiten separar oxígeno puro del aire. Con tan sólo

alimentar los procesos de oxidación parcial y reformado autotérmico con este oxígeno, se estima

que los costes de producción de hidrógeno se reducirían en un 30%.

Con todo esto, métodos novedosos de reformado, son los siguientes:

e. Reformado a presión oscilante (PSR)

Un nuevo método de producción de hidrógeno a partir de hidrocarburos ha sido desarrollado

por los investigadores de “ExxonMobil Research and Engineering Company”. En la patente

Pressure swing reforming for fuel cell systems (Mayo 2007) describen el proceso.

El proceso se desarrolla en dos pasos. En primer lugar, se introduce la alimentación de

hidrocarburo, junto con una corriente de vapor y CO2, en el reactor que contiene el catalizador.

En el reactor la presión es elevada y la temperatura durante el proceso va desde los 700ºC hasta

los 2000ºC. De este primer reactor se obtiene la corriente de gas de síntesis. Este gas de síntesis

pasa a una segunda zona donde se enfría hasta alcanzar una temperatura cercana a la

temperatura de entrada de la alimentación. Esto se logra mediante la transferencia de calor al

material de empaquetado en la zona de recuperación.

El calor necesario para llevar a cabo el reformado del hidrocarburo en la primera zona

proviene del calor que almacena el material de empaque de la zona de recuperación, y además

se quema una fracción de fuel cerca de la interfase de las dos zonas, lo que produce un gas

caliente que viaja hasta la primera zona, recalentándola hasta la temperatura suficiente como

para que se dé el reformado. La segunda parte del reformado se lleva a cabo a baja presión.

Este método de reformado produce un gas de síntesis rico en hidrógeno a elevada presión

que puede ser usado en las pilas de combustible. Es un método muy eficiente y además el

sistema es compacto.

f. Reformado por plasma

Es un proceso desarrollado recientemente. Emplea un arco eléctrico para generar las

elevadas temperaturas necesarias para reformar el gas. Las altas temperaturas alcanzadas evitan

el uso de catalizadores.

En el proyecto “A Plasma-Based Multi-Fuel Reformer” de la empresa Lynntech, Inc ha

desarrollado para la Fuerza Aérea estadounidense un reformador por plasma que utiliza como

alimentación JP-8. La corriente saliente contiene entre un 80-90% de hidrógeno, lo que aumenta

la eficiencia y reduce el esfuerzo necesario para purificar el hidrógeno que ha de entrar en la

pila PEMFC. Además, propone la reutilización de la energía de los residuos de carbono,

aumentando así la eficiencia.

g. Descomposición termocatalítica

El desarrollo de pequeños reformadores de fuel basados en la descomposición catalítica de

los hidrocarburos es un área de investigación de creciente interés. Se basa en la descomposición

de los hidrocarburos por craking o pirólisis, en atmósfera libre de aire y agua (JP-8 catalytic

cracking for compact fuel processors).

50

Pilas de combustible de conversión directa

En este sub-apartado se trata de ver cuales de los tipos de pilas existentes que se podrían usar

con una alimentación directa de hidrocarburos.

La mayoría de las pilas de combustible se alimentan con hidrógeno, sin embargo se abre una

nueva vía de investigación que trata de ver las posibilidades que habría de operar directamente

con hidrocarburos, llevando a cabo un reformado interno del mismo.

Esta tecnología es muy reciente, y su investigación y desarrollo va retrasada en el tiempo en

un intervalo aproximado de tres o cuatro años, respecto a las que operan directamente con

hidrógeno.

SOFC

Actualmente se llega a la conclusión que la pila SOFC es la mejor tecnología para reformar

el hidrocarburo internamente. Es de suponer que, con el paso del tiempo, también los demás

tipos de pilas podrán reformar el hidrocarburo internamente.

Fig. 16. Pila de combustible de óxido sólido de conversión directa de hidrocarburo (SOFC) [ ref 15]

Tendencias

El punto de partida de las investigaciones en este campo está en la publicación de S. Park y

col, en 2000, Direct oxidation of hydrocarbons in a solid-oxide fuel cell, donde ya apuntaba que

las pilas SOFC podían oxidar directamente los hidrocarburos.

Estas pilas poseen dos ventajas importantes que las hacen susceptibles de este uso. Por un

lado, el CO no actúa como veneno, sino que puede utilizarse como combustible. Por otro, son

resistentes al azufre contenido en combustibles como el queroseno. A estas ventajas hay que

añadir, que las altas temperaturas a las que operan (600-1000ºC) permitirán el reformado

interno, los materiales usados para su fabricación son relativamente baratos, y produce una

corriente de vapor a alta temperatura que puede usarse para cogeneración dentro del vehículo. A

estas ventajas hay que añadir que, al eliminar el reformador, el peso se reduce. Este es un

parámetro favorable para que puedan ser embarcadas en sistemas aéreos.

51

Los primeros logros de reformado interno de hidrocarburos en pilas SOFC se hicieron

alimentando la pila con hidrocarburos como el metano o el metanol.

En 2002, Barnett, Scott A. y Liu, Jiang, patentaron Direct hydrocarbon fuel cells, una pila de

combustible SOFC que opera directamente con hidrocarburos en un amplio rango desde C1

hasta C10: metano, etanos, gas natural, alcoholes, éteres, combustibles aéreos basados en

queroseno como el JP-8,…

En estudios más recientes, como el publicado por los científicos del Instituto Tecnológico

Indio en el artículo Fabrication of a direct hydrocarbon solid oxide fuel cell (SOFC), ya

muestran ya que las pilas SOFC pueden operar directamente, sin necesidad de un reformado

previo con combustibles tan variados como: diesel, queroseno, biogás, etanol,… Además esta

pila permite operar con eficiencias energéticas elevadas, del orden del 60%, lo que unido a la

gran variedad de tipos de alimentación que permite, hace que sea la tecnología más

prometedora. Su línea de investigación se basa en desarrollar pilas SOFC con los ánodos

mejorados. Los estudios convergen en que para que en este tipo de pilas se pueda usar una

alimentación directa de hidrocarburo se ha de investigar diferentes materiales para los ánodos.

Esta teoría es la que están siguiendo en sus investigaciones los científicos del CEA Grenoble.

En el Instituto Nacional de Ciencia y Tecnología de Japón ensayaron una pila SOFC con un

ánodo construido con una aleación de metales y materiales cerámicos NI-SCSZ. La alimentaban

directamente con n-dodecano (componente típico del queroseno). En el articulo Feasibility of n-

dodecane fuel for solid oxide fuel cell with NI-SCSZ, exponen los resultados. En los

laboratorios de la Universidad de Penn, los investigadores trabajan con una pila SOFC

alimentada con diferentes gasolinas y diesel.

El punto conflictivo de esta tecnología está en que las elevadas temperaturas a las que operan

suponen barreras tecnológicas, a la vez que reducen la duración de estas pilas.

La generación de hidrógeno y la deposición de carbón en el ánodo de una pila SOFC

alimentada con hidrocarburos es dependiente de la temperatura, por lo que será necesario

estudiar para cada tipo de hidrocarburo, el rango de temperaturas óptimo para operar.

OTRO TIPO DE PILAS

Se han detectado esbozos de aplicaciones de otro tipo de pilas con alimentación directa de

hidrocarburos.

En primer lugar, se habla de las pilas de combustible de carbonato fundido (MCFC). Las

temperaturas de operación en torno a los 600ºC es adecuada para el reformado interno de gases

como el metano. En la publicación “Power generation and energy usage in a pressurized Mars

Rover” mencionan la posibilidad de usar estas pilas alimentadas por hidrocarburos directamente.

Las pilas de combustible de membrana polimérica (PEMFC) las mencionan en el articulo

“Performance Improvements for Liquid-Hydrocarbon-Fueled PEM Fuel Cell Systems” de

Elizabeth De Lucia y Paul George de Battelle.

La compañía japonesa Idemitsu Kosan Co. Ltd., junto a Ishikawajima-Harima Heavy

Industries (IHI) ha desarrollado recientemente una unidad PEMFC alimentada con queroseno.

52

4.1.3.2. PILAS "PEM" DE ALTA TEMPERATURA

Este estudio fue realizado a petición de la empresa Compañía Española de Sistemas

Aeronáuticos (CESA). En él se pretende dar al lector una visión general de cuáles son las líneas

de investigación básicas en las que se está trabajando en pilas PEM de alta temperatura, es decir

aquellas que trabajan por encima de los 90 ºC y, típicamente, por debajo de 200ºC. Trabajar en

este rango de temperaturas ofrece varias ventajas, tal y como se comentó anteriormente y,

debido a ello, hay una gran cantidad de investigación en torno a esta tecnología.

Como bien se ha tratado anteriormente, existen diferentes tecnologías de pilas de

combustible ya en el mercado. De ellas las que parecen más aptas para el uso en transporte son

las denominadas de intercambio protónico (PEM de sus siglas en inglés) debido a su alta

densidad de potencia y a que su reducida temperatura de trabajo (<80ºC) facilita un rápido

encendido y una buena capacidad de respuesta a los cambios de solicitación.

Además los materiales que la componen le confieren unas características mecánicas que la

hacen apta para soportar vibraciones e impactos.

El límite de 80ºC de temperatura del que se habla habitualmente al referirse a pilas PEM viene

impuesto por el material de membrana que se usa actualmente, el Nafion® de Dupont. Ésta es la

membrana que está dando las mejores prestaciones, se ha impuesto sobre el resto, y se usa en

prácticamente la totalidad de las pilas tipo PEM. Pero este material presenta el problema de que

a partir de los 80ºC el agua, imprescindible para permitir la conductividad de protones a través

de la membrana, empieza a desaparecer de la membrana ya que pasa a fase gaseosa y la

estructura del Nafion se empieza a degradar, con lo que se observan pérdidas significativas en el

rendimiento de la pila. Otra desventaja del Nafion es que se trata de un material caro.

Por otro lado se ha comprobado que un aumento en la temperatura de trabajo de la pila

mejoraría varios de los procesos que ocurren en su interior. Algunas de las mejoras que se

lograrían son:

- � Aumento de la tolerancia a la entrada de CO en la pila. La presencia de CO en el

caudal de hidrógeno entrante a la pila inhabilita el catalizador (normalmente partículas

de platino, Pt, o aleaciones del mismo), ya que se asocia a éste evitando que pueda

interactuar libremente con el H2 para llevar a cabo su disociación en protones y

electrones. Este aspecto es muy importante en hidrógenos provenientes de reformado

(tratado en el apartado anterior, ("Tecnologías de producción de hidrógeno a partir del

reformado de queroseno para aplicaciones aeronáuticas y espaciales"), y por tanto

permitiría aprovechar combustibles que puedan estar disponibles a bordo de un avión

para obtener el H2 necesario para el funcionamiento de la pila.

- � Se simplifica la gestión del agua y del calor. Al hallarse el agua en fase gaseosa hay

garantía de que no se bloquearán los poros del catalizador, ni los canales de las placas

bipolares (las que limitan cada celda), ni los canales de evacuación del agua en el

sistema de gestión externo a la pila.

- � Se aumenta la cinética de las reacciones. Con lo que mejora la velocidad de las

reacciones que transcurren en la pila.

- � Posibilidades de cogeneración. El calor sobrante se puede aprovechar para otras

necesidades de calor o refrigeración próximas al lugar de uso de la pila.

- � Disminución de coste de material. La búsqueda de nuevos materiales que cumplan

con estas especificaciones de temperatura abre la esperanza a la posibilidad de encontrar

materiales con buenas prestaciones en el rango de temperaturas de -20 a 200ºC y

desligar esta tecnología del uso de un material con un coste tan elevado como el Nafion.

- � Reducción de la cantidad de electrocatalizador. El aumento de temperatura de

operación mejora las cinéticas de oxidación y reducción de la pila de combustible, lo

53

que permite la reducción de la cantidad de platino utilizado, e incluso su sustitución

(parcial o total) por otros metales de menor coste: rutenio, níquel, etc.

- � Utilización alternativa de otros combustibles. La mejora de las cinéticas de

reacción abre la posibilidad al empleo de otros combustibles de oxidación más lenta

como es el caso del metanol.

Por tanto, podemos concluir que debido a estas razones se ha detectado un aumento creciente de

la investigación en pilas de combustible PEM de altas temperaturas.

4.2) PILAS DE COMBUSTIBLE COMO NUEVOS GENERADORES DE ENERGÍA

EN LOS AVIONES. En este apartado se describirán de forma más detallada algunos de los proyectos

mencionando en el apartado anterior, aquellos que se realizan en la línea MEA. ("More

Electrical Aircraft").

El paso hacia el avión totalmente eléctrico “All-electric aircraft” se debe ir haciendo

gradualmente. Se pretende sustituir todos los sistemas neumáticos e hidráulicos del avión por

sistemas eléctricos. El primer estudio de la aplicación de las pilas de combustible se ha hecho

para los sistemas auxiliares de potencia (APU – Auxiliary Power Units) para terminar

sustituyendo el sistema principal de propulsión del avión. Es decir, la intención es hacer una

sustitución gradual de todas las fuentes de alimentación del avión por pilas de combustible. Para

aviones pequeños esto ya se ha logrado. En los UAVs las pilas de combustible pueden

proporcionar suficiente energía. Además pueden ser una solución barata y eficaz para los

satélites.

Está claro que la mejor alternativa es sustituir las APUs por pilas de combustible, pero

hay que considerar diversos aspectos tecnológicos y económicos. Por ejemplo, el reformado a

bordo aumenta la complejidad del sistema, es necesaria una eliminación más eficiente de los

sulfuros que contienen el fuel, lo que aumenta el coste de la pila. Otros obstáculos a los que se

tiene que enfrentar la tecnología es la necesidad de reducir el tamaño y el peso.

4.2.1. APU/RAT con celdas de combustible.

En primer lugar recordemos los conceptos de APU y RAT.

Un sistema auxiliar de potencia (APU) es un generador eléctrico autónomo, situado

generalmente en la cola de los aviones comerciales modernos, que se emplea para arrancar los

motores y proporcionar energía eléctrica y aire comprimido mientras el avión está en tierra y

opcionalmente en vuelo. Se alimenta con fuel de aviación y produce ruido y emisiones similares

a las de los motores principales del avión. También los transbordadores espaciales poseen

unidades APU, que funcionan solo durante el ascenso y la reentrada en la atmósfera y el

aterrizaje. Proporcionan fuerza hidráulica para controlar los motores de los cohetes y las

superficies de vuelo. Durante el aterrizaje controlan los frenos.

Una turbina de aire de impacto (término abreviado a veces con las siglas «RAT»,

del inglés Ram Air Turbine) es una pequeña turbina conectada a una bomba hidráulica o

un generador eléctrico, instalado en una aeronave para generar electricidad. Las turbinas de aire

de impacto generan electricidad al girar las aspas por el flujo de aire producido por la propia

54

velocidad de la aeronave. Los aviones modernos sólo utilizan turbinas de aire de impacto en

caso de emergencia: en caso de haber perdido los sistemas primarios y auxiliares. La turbina de

aire de impacto puede mantener sólo sistemas vitales (controles de vuelo y sus correspondientes

accionadores hidráulicos e instrumentación de vuelo crítica).

En condiciones normales la turbina de aire de impacto está recogida dentro del fuselaje del

aparato, desplegándose en caso de pérdida total de energía. En principio unas baterías alimentan

el avión durante el tiempo que transcurre entre la pérdida de energía y el funcionamiento del

esta turbina auxiliar.

Las RAT se usan comúnmente en aviación militar ya que estos aparatos deben sobrevivir en

caso de pérdida total de energía. La mayoría de aviones comerciales modernos están equipos

con turbina de aire de impacto, siendo el Vickers VC-10 uno de los primeros en usarlas.

El Airbus A380 tiene la turbina de aire de impacto con las hélices más grandes, alcanzando los

1,63 metros de diámetro, si bien la mayoría de modelos usan hélices alrededor de 80 cm de

diámetro. Una turbina de aire de impacto media produce entre 5 y 70 Kw de potencia.

Según una evaluación de Boeing y Cessna Aircraft Company se establecen una serie de

requerimientos a una APU basada en un sistema de pilas de combustible para poder sustituir

las convencionales baterías y generadores de emergencia. Estos son los siguientes:

- Tiempo de arranque: menos de 120 segundos

- Salida eléctrica: 115 kVA, 110 kVA en 41.000 pies de altitud

- La capacidad de sobrecarga eléctrica: 155 kVA durante 5 minutos 218 kVA durante 5

segundos hasta 35.000 pies de altitud.

- Sistema auto-controlado por su propio controlador electrónico.

- El sistema tiene que ser iniciado desde sistema a/c eléctrico (baterías incluidas).

- El sistema debe ser capaz de ofrecer el rendimiento necesario después de un

tiempo de deterioro de 10,000 horas.

- El APU está instalado en un compartimiento a prueba de fuego (soportar aprox. 1.100

° C durante 15 min).

- El consumo específico de combustible está por debajo de 0,4 kg de combustible / kWh

Por otra parte la aeronave debe de contar con una serie de requisitos para poder alojar dicho

sistema APU con pila de combustible:

1.- El procesamiento de combustible a bordo incluye un sistema de desulfuración y reformado

del queroseno.

2.- Requisitos y normas aeronáuticas:

- Bajo peso de instalación / alta densidad de potencia

- La supervisión del sistema y el control del mismo.

- Una alta fiabilidad y robustez del sistema

3.-Condiciones ambientales de funcionamiento:

- La variación de la presión y la temperatura fuera de la aeronave. Por ejemplo, a 41.000

pies 0.18 bar, -57 ° C .

- Cargas de maniobra de aeronaves

4.-Turbomaquinaria es un suplemento óptimo en condiciones ambientales de alta altitud para

sistemas de pila de combustible.

55

5.-Los sistemas híbridos de pila de combustible son más pequeños, más ligeros y tienen una

mejor respuesta dinámica en comparación a los sistemas de pilas de combustible no híbridos.

6.- Los sistemas híbridos de pila de combustible tienen una alta densidad de energía y ofrecen

una mejor eficiencia de combustible que los sistemas de células de combustible no presurizados.

Las condiciones de operación también influirán en el rendimiento de las pilas de

combustible. La presión ambiente y la temperatura disminuye a medida que incrementamos la

altura. Esto es de considerar ya que en un vuelo de crucero típico a 36000 ft habrá una presión

ambiente de 0.2 bar, y una reducción de temperatura de 70K. Puesto que el voltaje de Nerst

decrece con la temperatura como se vio al principio del documento; también la eficiencia de la

pila se reduce en un 5-6%. Por su parte aumento el flujo de aire requerido para obtener la misma

cantidad de oxígeno que es necesario en el nivel del mar.

Como se mencionó anteriormente, el artículo "Exploring the role of fuel cell electric

power systems for commercial applications", realiza un estudio de la sustitución de los APU y

RAT convencionales por otros basados en pilas PEM. A continuación se detallan algunos de los

aspectos más relevantes llevados a cabo.

Se examinaron varias aplicaciones FC ("Fuel Cell") que implican diferentes arquitecturas de

sistema de potencia basados en pilas de combustible En primer lugar se explicaran los tipos de

aplicación referenciados en la tabla 12:

- La Aplicación 1 ilustra la arquitectura de una celda de combustible convencional con una

modesta eficacia en el almacenamiento de H2 gaseoso (5 %) . Opera estrictamente en el suelo ,

el compresor de aire no contribuye significativamente a la pérdida de eficiencia global . El peso

total del sistema de celda de combustible supera a la de la APU convencional en un 6 % . Como

beneficio principal son las reducciones en emisiones de CO y NOx .

- En la Aplicación 2 , un sistema de energía de emergencia funciona como un reemplazo a la

RAT convencional en vuelo, así que es la elegida para eliminar el compresor por la pre-

compresión gaseosa del O2 a alta presión (por lo menos 1800 psi ) y su almacenamiento en

tanques compuestos . Mejoramos la eficiencia de almacenamiento de H2 a un14 % usando

tanques de composite de fibra de carbono avanzada para minimizar los impactos de peso.

Vemos una reducción general de peso relativa a la RAT convencional de ~ 30 % . El desafío

técnico , en este caso se está desarrollando sobre la fuga de gas a presión en los tanques de

almacenamiento.

- En la Aplicación 3 , se sustituye la APU convencional con un sistema de energía basado en la

celda de combustible que opera en vuelo. Se eligió para eliminar el compresor ( como en la

sustitución RAT ) por la pre - compresión del O2 gaseoso a alta presión y para mejorar la

eficiencia de almacenamiento de H2 en un14 % usando tanques de compuestos de fibra de

carbono avanzados . Vemos una reducción general de peso en relación con la APU

convencional de ~ 10 % . El desafío técnico en este caso es la re-suministro de H2 gaseoso y O2

en régimen de vuelo.

- En la Aplicación 4 , mejoramos la eficiencia de almacenamiento de H2 en un 20% debido al

uso de almacenamiento LH2 (hidrógeno líquido). El uso de LH2 reduce la carga de

refrigeración térmica. Aquí, vemos una reducción sustancial de peso del sistema (~ 25 % ). El

desafío técnico es el reabastecimiento de LH2 en régimen de vuelo .

- En la Aplicación 5 , examinamos la sustitución tanto de la APU convencional y RAT,

empleando el O2 existente para la misión de la RAT , pero se utiliza un reformador para generar

el combustible de H2 de la Jet-A .La eficiencia del sistema se reduce en un 20 %, pero la

56

eficiencia de almacenamiento de H2 (H2 se almacena en el combustible Jet - A y se extrae por

el reformador en tiempo real ) se incrementa a 30 % . Una vez que la celda de combustible

produce agua , se utiliza en el proceso de reforma. Sin embargo , tenemos que llevar un poco de

agua adicional con el fin de iniciar el proceso de reforma . Dado que el proceso del "reformado"

es una tecnología inmadura y que conlleva un sistema pesado (se utilizó una potencia específica

de ~ 0,44 Kw / kg), el peso adicional necesario para generar 250 Kw es sustancial. Esta

arquitectura es la más pesada , con mucho , y probablemente no debería ser implementado

dentro de la aeronave si la mayoría de los vuelos son de corta duración.

- En la Aplicación 6 , se ilustra el impacto de la extracción de O2 del aire ambiente en vuelo (a

través del compresor frente a la alternativa de almacenar O2 gaseoso como en la aplicación 5 )

para una APU basada en un una celda de combustible con reformador . Aquí, vemos un

aumento de peso de 4 % frente al Convencional APU + RAT , pero mejora del 18 % frente a la

arquitectura de la aplicación 5 . Un reto técnico clave sería la separación del CO del H2 que se

suministra a la celda de combustible . Cabe señalar que el uso de un reformador no reduciría el

nivel de las emisiones de CO2 ya que por ser un cambio de dos etapas es necesaria la reacción

con vapor de agua para convertir el CO en CO2 .

- En la Aplicación 7 , se ilustran las ventajas de un sistema de energía basado en la celda de

combustible, a base de H2 puro . Asumimos un almacenamiento LH2 con eficiencia de 70 %.

La alta eficiencia de almacenamiento de LH2 junto con la eficacia de la refrigeración térmica

mejora más que compensa el peso adicional del compresor y su reducción en la eficiencia total

del sistema. Vemos una reducción sustancial de peso del sistema ( ~ 68 %) y la reducción de

emisiones. La desventaja de esta opción es la arquitectura, ya que conlleva un aumento de

volumen debido al sistema de almacenamiento de combustible y la logística de

reabastecimiento de LH2 .

Las opciones de arquitectura se basan sobre cómo el oxidante ( O2 ) se suministra a la

celda de combustible - almacenamiento a bordo (GO2, oxígeno en forma de gas) frente extraída

del aire ambiente, y cómo se almacena H2 - a bordo en tanques de composite de fibra de

carbono ( GH2, hidrógeno en forma gaseosa), en forma líquida (LH2), o como parte de Jet -A

que se reforma (Refmr ) para producir el H2 .

La diferencia entre una APU convencional y otra basado en pilas de combustible se examinan

en términos de procesamiento de combustible y el almacenamiento , y la mejor opción para su

implementación.

Los requisitos clave son los mostrados en la Tabla 13

Como punto de referencia de la APU convencional se muestran valores típicos en la Tabla 14

siguiente. Dicho muestreo se construye a partir de varios sistemas de APU convencionales.

Como una comprobación de validez , observamos que una APU existente, el PW- 301, produce

175 KVA potencia a una potencia específica en tierra de 0,5 KVA / kg y con una potencia

específica basada en la altitud de 0,2KVA / kg.

57

APLICACIÓN TIPO DE

ARQUITECTURA

TIPO DE

APLICACIÓN

APU-Tiempo

Operativo (hr)

Operación de

la aplicación

Comentarios

1 GH2/Aire APU 1 Tierra Bajo costo del almacenamiento de

GH2 y eficiencia másica del 5%

2 GH2/GO2 Reemplazo

RAT

0 Aire Alta eficiencia del GH2,

almacenamiento de G02 y eficiencia

másica del 14% y 50%

respectivamente

3 GH2/GO2 APU 2 Tierra y aire Ventajas del almacenamiento GH2 y

eficiencia másica del 14%. Se elimina

el compresor por el GO2

4 LH2/GO2 APU 2 Tierra y aire Almacenamiento LH2 y eficiencia

másica del 20%. %. Se elimina el

compresor por el GO2

5 Refmr/GO2 APU+

Reemplazo

RAT

2 Tierra y aire El Reformado elimina el re-

abastecimiento de H2 y se elimina el

compresor por el GO2

6 Refmr/Aire APU+ RAT 2 Tierra y aire El Reformado elimina el re-

abastecimiento de H2. Se usa

compresor, y elimina el

almacenamiento de O2.

7 LH2/Aire APU+

Reemplazo

RAT

6 Tierra y aire Gran cantidad de masa de LH2, y

eficiencia másica del 70%. Elimina a

gran escala el almacenamiento de O2.

TABLA 12 . Aplicaciones estudiadas con pilas de combustible. [Ref 19]

REQUERIMIENTOS VALOR UNIDADES

Tiempo de

arranque/inicio

≤4 Seg

Nivel de potencia 250 KVA

Voltaje 230 VAC

TABLA 13 . Requisitos del sistema [Ref 19]

58

PARÁMETRO VALOR UNIDADES

Potencia específica 0.5 KVA/Kg

Densidad de potencia 0.17 KVA/l

Eficiencia 15 %

Emisiones CO 2.74 g/Kg fuel

Emisiones NOX 9.8 g/Kg fuel

TABLA 14 . Valores típicos de APU convencional [Ref 19]

El impacto de peso de una APU de la aeronave puede ser determinada a partir de la siguiente

ecuación:

donde;

- Peso - Peso total de la APU o FC hardware, combustible consumido , y el tanque de

almacenamiento de combustible

- Potencia - potencia neta total de energía - potencia neta instantánea

- Densidad - Potencia del sistema específico

- Eficiencia - Generación de energía La eficiencia del sistema o APU FC

- Energía específ - Energía específica de Jet- combustible o H2

- Stor Eff - eficiencia de almacenamiento de combustible (Jet -A o H2)

La siguiente Tabla 15 muestra los resultados del estudio de comercio, aplicación y arquitectura

.

APLICACIÓN

TIPO DE ARQUITECTURA

TIPO DE APLICACIÓN

APU-

Tiempo Operativo

(hr)

Peso total

estimado (Kg) FC-

APU

Ratio de

peso

FC-APU/Conv

APU+RAT

Reducción

CO (Kg/año)

Reducción

NOx (Kg/año)

Vuelos

por día

1 GH2/Air APU 1 739 1.06 837 2963 6

2 GH2/GO2 RRAT 0 168 0.69 NA NA NA

3 GH2/GO2 APU 2 805 0.90 1674 5926 6

4 LH2/GO2 APU 2 687 0.76 1674 5926 6

5 Refmr/GO2 APU+RAT 2 1397 1.22 1674 5926 6

6 Refmr/Air APU+RAT 2 1160 1.04 1674 5926 6

7 LH2/Air APU+RAT 6 630 0.32 2092 7407 2.5

TABLA 15 . Resultados obtenidos en las aplicaciones anteriores [Ref 19]

peso de fuel peso del sistema

59

Como aspectos más relevantes, la columna 5 muestra el peso total estimado ( en kg ) de

la APU y/o RAT basado en la celda de combustible.

La columna 6 muestra la relación entre el peso de la APU y/o RAT basado en celda de

combustible y la APU y/o RAT Convencional .

Las columnas 7 y 8 muestran las estimaciones en kg de la reducción de CO y NOx por año para

una sola aeronave suponiendo que el tiempo de operación es el de la columna 4, y el número de

vuelos diarios el mostrado la columna 9.

Los resultados de la Tabla 15 indican que el papel de las células de combustible en los

aviones comerciales depende del tiempo de la misión y de la importancia de las emisiones frente

al peso y frente al combustible de reabastecimiento como requerimientos en el diseño del

sistema. Si la reducción en las emisiones es significativa y principal en los requisitos de diseño

, entonces la opción de emplear un sistema APU / RAT basados en FC es el idóneo. Si el peso

total del sistema es el requisito principal , entonces es más idóneo un sistema de extracción de

energía a través de los motores principales a menos que el tiempo de funcionamiento del

sistema de potencia exceda significativamente las 10 horas.

Conclusiones del estudio

El foco central del estudio anterior estaba en el impacto de peso global del sistema de

pila de combustible en la aeronave, teniendo en cuenta tanto el hardware como contribuciones

de los combustibles. Por supuesto , también de suma importancia para la viabilidad del sistema

de células de combustible para estas aplicaciones son el costo del ciclo de vida

y fiabilidad , que no se explora anteriormente.

El sistema basado en células de combustible , en general se encontró que era

aproximadamente un 70 % del peso de los sistemas RAT convencionales . Dado que el uso no

es muy frecuente, los problemas logísticos derivados del suministro de hidrógeno y oxígeno

reactivos al sistema probablemente será más manejable por las compañías aéreas que en algunos

otros casos investigados , lo que requeriría una alternativa mucho más compleja impulsando

infraestructuras. En última instancia , la determinación de la viabilidad de los sistemas de pilas

de combustible como reemplazos del sistema RAT requerirá un análisis del coste del ciclo de

vida de estos sistemas , así como su fiabilidad .

Para los escenarios que desean sustituir suministro de energía en tierra a través de la

APU con los sistemas de células de combustible , los hallazgos son menos convincentes. El

análisis se centró en los sistemas en el suministro d hidrógeno , viendo una desventaja

significativa de peso impuesta por un reformador jet- combustible en el vehículo . Aun así , los

resultados no muestran un incremento de peso considerable desde la perspectiva de peso relativa

a la tecnología APU convencional. Algo más que complica la viabilidad de esta aplicación es la

necesidad de una infraestructura de combustible alternativo en los aeropuertos , y los problemas

asociados a la logística multi-combustible.

Para los escenarios que buscan beneficio de los sistemas de pila de combustible para producir

energía eléctrica durante el vuelo, los resultados son negativos. En el mejor de los casos ,

considerando el combustible de hidrógeno líquido a bordo, el sistema basado en la pila de

combustible sólo comienza a ser atractivo para los vuelos de más de 6 horas de duración, como

si la generación de energía mediante generadores en los motores es suficientemente eficiente.

Esta arquitectura puede , sin embargo , ser muy adecuada para aplicaciones de aviación

militares o científicos que buscan rendimiento larga resistencia , donde los problemas de

infraestructura para la alimentación de combustible pueden ser más fácilmente abordados.

60

4.2.2. Tendencia Boeing. MEA

Boeing apuesta por un futuro en el desarrollo de pilas de combustible y el sistema de

alimentación de energía en el avión debido a los posibles beneficios de esta arquitectura,

buscando un avión más eléctrico en el futuro(MEA). Estos beneficios incluyen: reducción del

ruido y las emisiones, reducción en el sistema de potencia, reducida extracción de la potencia

del motor, la sustitución de los sistemas de poco uso con sistemas de seguros y útiles, el

aumento de la flexibilidad y la utilidad del sistema de potencia, nuevos escenarios operacionales

donde se requieren sistemas de potencia que mejoren la seguridad, mejoren la gestión de carga ,

y ofrezcan el potencial para una mayor fiabilidad, facilidad de mantenimiento y reducción del

coste del ciclo de vida.

Viendo el papel que juega el sistema de potencia, cada vez más importante, el desarrollo de la

tecnología de células de combustible podría ser crucial para el futuro progreso de las

capacidades de aviones comerciales como así en otros vehículos aéreos que pueden beneficiarse

de la arquitectura "más eléctrico" (UAV, etc)

Hay dos cambios primarios en el 787 que mejoran su eficiencia: el cambio de un avión de

aluminio, por uno con mayor cantidad de composite, y por otro lado el desarrollo de un motor

eficiente sin sangrado.

Con el cambio a los motores sin sangrado, la energía eléctrica sustituye al sangrado (energía

neumática) para suministrar energía a casi todos los sistemas (incluyendo el arranque del motor,

el sistema de control ambiental (ECS), el sistema de presurización e incluso algunos de la

actuación).

Las únicas excepciones son la mayoría de los controles de vuelo y el tren de aterrizaje que se

mantuvo hidráulico y también una pequeña cantidad de sangrado de los motores que se utilizan

para eliminar la capa de hielo.

A modo de resumen se muestran tales cambios en la siguiente tabla:

FUENTE DE POTENCIA Sistema con sangrado Sistema sin sangrado-MEA

Eléctrica -Luces de cabina

-Aviónica

-Bombas de combustible,

Etc

-Arranque de motores,

- Anti-hielo,

- ECS y presurización.

-Luces de cabina

-Aviónica

-Bombas de combustible

-Frenos

-Controles de vuelo,

Etc

Hidráulica -Frenos

- Controles de vuelo

- Tren de aterrizaje

Etc

-Controles de vuelo

-Tren de aterrizaje

Neumática - Arranque de motores

-Anti-hielo

-Presurización y ECS

- Capa de hielo (des-hielo)

TABLA 16. Cambios sistema convencional vs MEA [Ref 20]

En el concepto de MEA, se plantea tener prácticamente un tipo de sistema distribuido a través

del avión en lugar de múltiples sistemas, lo que hace más fácil la posible introducción de nuevos

subsistemas en varios puntos del sistema global. Esto es posible si el sistema utiliza una

arquitectura abierta que es fácilmente capaz de aceptar nuevos componentes o subsistemas

como son los supercondensadores, nueva tecnología de baterías o pilas de combustible.

61

Fig. 17 Ejemplo de integración de una tecnología avanzada de potencia eléctrica en una arquitectura

MEA. [Ref 20]

La capacidad de integrar nuevas fuentes de potencia eléctrica y nuevas formas de

almacenamiento de energía eléctrica en cualquier ubicación de la estructura, hace que este

sistema proporcione un nuevo nivel de flexibilidad que no estaba disponible anteriormente.

La adición de un nuevo Sub - sistema eléctrico implica la conexión al sistema de control y

alimentación del alimentador de alambre a través de un contactor .

Alternativamente, un cambio o una adición al sistema neumático implicaría la adición de tubos

de alta temperatura y válvulas y probablemente conllevará una significativa re- configuración de

la aeronave y , potencialmente, incluso la modificación de algunos de los principales

componentes estructurales.

El cambio en un sistema hidráulico sería también un impacto en la configuración del avión, lo

que lo haría un cambio o adición de un nuevo sub- sistema eléctrico del avión .

Por lo tanto , el MEA proporciona más flexibilidad que otras arquitecturas en virtud de su

naturaleza distribuida y abierta y también por el hecho de que es eléctrica .

Otra ventaja de la naturaleza distribuida de la MEA es que los componentes y subsistemas

pueden ser potencialmente ubicados en áreas no tradicionales de la aeronave. Esto ofrece

ventajas potenciales en el mantenimiento de un sistema si este está situado ahora en un área que

puede ser más fácilmente accesible .

" Más eléctrico " es una creciente tendencia de la industria y la tecnología de la energía eléctrica

está mejorando constantemente . Muchas de estas mejoras también están siendo impulsados por

otras industrias distintas de la industria aeroespacial . Por ejemplo , las industrias de

automoción en la línea de vehículos híbridos han impulsado mejoras en la tecnología de motor y

generador , así como los semiconductores de potencia tales como carburo de silicio que operan a

temperaturas más altas y la eficiencia . Estos avances en la energía eléctrica se pueden también

trasladar a la industria aeroespacial , donde estas tecnologías avanzadas se pueden utilizar para

mejorar la MEA .

La investigación inicial de Boeing Commercial Airplane fue una APU de pila de combustible

basado en una Tecnología híbrida SOFC porque proporcionó la mayor eficiencia y fue capaz de

utilizar el Jet A como combustible. Este estudio mostró que esa célula de combustible híbrida

SOFC de 440 Kw encajaría en el espacio reservado para una APU tradicional como se muestra

en la figura

62

Fig.18. APU basada en una SOFC [Ref 20]

La APU de pila de combustible ( FCAPU ) sería probablemente una buena opción ,

proporcionando una mejor eficiencia y reducción de ruido y las emisiones de un futuro avión "

MEA . "

Boeing también ha considerado otra aplicación de la tecnología de pila de combustible de más

corto plazo , como es el caso de una PEM aplicable para sistemas como la turbina Ram Air

( RAT ),ya que se utiliza solamente para propósitos de emergencia y no requeriría una

infraestructura muy desarrollada para el almacenamiento y producción de hidrógeno debido a la

poca frecuencia de recarga de combustible .

También otras cuestiones en el desarrollo de células de combustible , son estudiar cómo es el

almacenamiento de hidrógeno , la reforma del combustible y de- sulfatación , peso, volumen ,

temperatura de operación , etc.

4.2.3. Concepto de Airbus. Multifunctional fuel cells.

Airbus se ha asociado con el Centro Aeroespacial Alemán DLR y Parker Aerospace para

estudiar el uso de una " célula de combustible multifuncional " del sistema ( MFFC ) en los

aviones para reemplazar las unidades de potencia auxiliar a base de turbina de gas de hoy. El

sistema puede proporcionar un estimado de 100 Kw de electricidad , que actúa como una fuente

independiente capaz de proporcionar energía a lo largo de un avión.

El posicionamiento de la célula de combustible multifuncional se prevé en la bodega del

avión, mientras que los tanques de hidrógeno líquido, intercambiadores de calor y los

ventiladores del sistema se encuentra en la sección del cono de cola.

Fig.19 Sistema MFFC [Ref 21]

63

En cuanto al suministro de Hidrógeno, de este aspecto se ocupa el ATA 85. Se prevé la

instalación de un tanque de hidrógeno líquido en el cono de cola, como muestra la siguiente

imagen. El por qué emplear hidrógeno líquido atiende a razones de peso y volumen. Como se

comentó en el apartado referente al hidrógeno como combustible, su forma de almacenamiento

líquida presenta mejores característica para esta aplicación. (mayor cantidad de energía

aportada, menos peso, seguridad, pureza…)

Fig.20 Ubicación del tanque de hidrógeno líquido en el avión [Ref 21]

A continuación se detallan varios aspectos que se han estudiado en este nuevo sistema

MFFC:

Generación de energía

Los sistemas de células de combustible pueden alcanzar el 50 % de eficiencia eléctrica y es

ventajoso poder reemplazar los sistemas de potencia tradicionales. De hecho , una de las

principales deficiencias de los sistemas de potencia convencionales es que a menudo funcionan

de manera ineficiente (a veces consumen demasiada energía ) . Como ejemplo , la unidad de

potencia auxiliar convencional (APU ) tiene una baja eficiencia de sólo el 20 % e incluso

inferior en condiciones de carga parcial .

Otro sistema que no es muy eficiente hoy en día en aeronaves civiles es un sistema de energía

de emergencia, la Turbina Ram Air ( RAT ) , que genera electricidad a partir de la corriente de

aire ( esencialmente la RAT es una hélice ) . En caso de que todos los motores principales fallen

(que es un caso muy raro) el sistema hidráulico y el sistema eléctrico de la aeronave se pierden.

Durante crucero, la energía eléctrica es proporcionada por los generadores de los motores

principales. La eficiencia de este suministro de energía es bastante alta alrededor de 30 - 40 % .

El objetivo principal de los sistemas de pilas de combustible en los aviones es evitar fases

de operación ineficientes en las aeronaves. Respecto a esto , se prevé eliminar APU y RAT

convencional . Un importante hito en los esfuerzos de desarrollo han sido las primeras pruebas

de una pila de combustible de una aeronave civil. En 2008, Airbus, DLR y Michelin realizaron

evaluaciones en vuelo de un sistema de energía de emergencia de pila de combustible en un

banco de pruebas A320. La primera pila de combustible se instaló en una plataforma de carga y

produjo unos 25 Kw de potencia eléctrica – haciendo funcionar la bomba de motor eléctrico

respaldando el circuito hidráulico de la aeronave, y controlando spoilers, alerones y el actuador

del elevador. El sistema de pila de combustible ha demostrado un comportamiento robusto en

todos los test hasta el momento.

Además de ser fuente de alimentación, los sistemas de pilas de combustible también pueden

ofrecer nuevas funciones y productos como el agua y un poco oxígeno que contiene el aire de

escape para la inertización del depósito de combustible en los aviones. Otra función puede ser el

uso del calor de las pilas de combustible para el sistema anti-hielo. La Figura 21 muestra

esquemáticamente las funciones que un sistema multifuncional de células de combustible puede

ser capaz de satisfacer.

64

Fig 21. Esquema de funcionamiento del sistema MFFC [Ref 21]

Generación de agua y gas inerte

El sistema de pila de combustible puede entregar 0,5-0,6 litros de agua por energía eléctrica

kWh , lo que significa que para 100 Kw de energía de pila de combustible (apropiado para

aeronaves de gran tamaño) se generan 50 litros de agua por hora. Esto puede ser usado para

aseos y aire acondicionado. De este modo se reduce la cantidad de agua cargada a bordo de la

aeronave. Por lo tanto la generación de agua por la célula de combustible ayudará a reducir el

depósito de agua de la aeronave.

Muy innovadora es el uso de la pila de combustible que deja escapar el aire agotado. Prueba de

diversos sistemas de células de combustible han mostrado sólo un 10% de contenido de oxígeno

en los gases de escape. Estos contenidos bajos de oxígeno son utilizados en el tanque de

queroseno para retrasar el fuego y suprimir o prevenir posibles explosiones.

Pruebas en laboratorio

Diferentes entornos de prueba se han establecido para comprobar este sistema de células de

combustible en aeronaves.

Una prueba específica es la prueba de funcionamiento a baja presión hasta 200 mbar , que

corresponde a una la altura de vuelo de 12 000 metros (39 000 pies ) (figura 22 ) .

Fig. 22. Ejemplo de la dependencia de la presión de un sistema de 300 W PEFC en la presión

rango de 950 a 200 mbar . [Ref 22]

65

Incluso el sistema final de pila de combustible será operado con aire de la cabina , y tal

caracterizaciones son de vital importancia para las evaluaciones del sistema.

Otros resultados de las pruebas que también son importantes, incluyen diferentes

orientaciones , comportamiento de carga vibracional , fenómenos electromagnéticos,

compatibilidad y análisis de aguas ; todo esto permitirá diseñar un sistema de distribución

óptimo en condiciones de crucero.

Otra prueba específica es la diferente orientación( inclinaciones ) de los sistemas para identificar

ángulos adversos . Un ejemplo se da en la figura 6 donde el sistema muestra una disminución

de la tensión de las células en un ángulo de 30 ° (Condiciones de funcionamiento adverso ) .

Esta inestabilidad se debe a la gestión del agua en el sistema . Con un cambio en la

configuración del sistema (orientación), este problema se puede evitar efectivamente .

Fig 23. a) : la foto de una prueba de puesta a punto para el análisis del comportamiento de baja presión

del sistema PEFC .( b ) : ejemplo de la dependencia de la presión de un sistema de 300 W PEFC en el

rango de 950 a 200 mbar . [Ref 22]

4.3) EJEMPLOS DE AVIONETAS Y UAVs PROPULSADOS ELÉCTRICAMENTE.

Al igual que en la línea MEA, se detallan a continuación proyectos realizados sobre

aviones totalmente eléctricos (AEA).

En los últimos años, el rendimiento de las unidades eléctricas y las fuentes de energía se

ha incrementado hasta el punto de que tienen ahora que ser viables como sistemas de propulsión

para aviones. Aunque es poco probable que sea aplicable a los aviones de pasajeros comerciales

en el futuro previsible, si lo está siendo en una serie de aviones más pequeños .

A continuación se consideran una serie de ejemplos de aeronaves que utilizan la

propulsión eléctrica y se muestran sus características.

66

4.3.1. Reseña histórica.

En 1996 , un pequeño equipo de la Universidad de Cranfield ,Shrivenham Campus ,

desarrolló y voló un avión de una sola plaza ultraligero y con propulsión eléctrica; se piensa

que este es el primer vuelo registrado en Europa de un avión pilotado con este tipo de sistema

de propulsión. El sistema de propulsión fue diseñado para ofrecer 12 Kw durante 4 minutos, que

haría permitir a la aeronave a subir a unos 600 m , y deslizarse en tierra con la potencia

disponible para una maniobra de más de 1 minuto. La aeronave denominada “micro-light”

utilizó un sistema de propulsión muy básico de tipo conmutador , con un motor de corriente

continua (c.c.) y controlado por un sencillo chopper c.c. , y con tracción a las hélices de 3 palas

a través de un reductor de velocidad 2:1. El peso total del sistema eléctrico de accionamiento

( banco de baterías , interruptor , cables , motor y reductor de velocidad ) era 98 kg y esto puede

ser comparado con un motor de combustión interna convencional de 20 Kw ( motor , caja de

cambios , tanque de combustible con 1 litro de combustible ), que pesaba 35 kg .Claramente ,

con un peso 3 veces el de un sistema de propulsión convencional , el rendimiento de “micro –

light” era muy limitado, pero ello hizo demostrar la viabilidad de una nueva forma de

propulsión, la propulsión eléctrica para aviones dirigidos. Sin embargo , también hay que

señalar que el sistema de accionamiento eléctrico utilizado fue montado a partir componentes

estándar adquiridos con un costo mínimo y en ningún momento se pensó en minimizar pesos;

por ejemplo , las células de la batería todos tenían cajas metálicas individuales resultando un

peso muy alto que se habría reducido considerablemente si se hubiese integrados en un paquete

no metálico .

Desde 1996, con el aumento de la preocupación por un vehículo eléctrico, las emisiones y

el calentamiento global , la propulsión eléctrica de aeronaves ha causado cada vez más atención

y ha sido objeto de una serie de importantes estudios , tanto en Europa como en los EE.UU. .

Dos de estos estudios han sido llevado a cabo en la Universidad de Cranfield y en la NASA los

cuales han trabajado en la viabilidad de los sistemas de celda de combustible para aviones del

tamaño de un Boeing 737 . Sin embargo , ambos han llegado a la conclusión de que las células

de combustible son todavía demasiado grandes y pesadas para este tipo de aplicación , y hay

graves problemas relacionados con la generación / almacenamiento del combustible de

hidrógeno. NASA se centra ahora un sistema de potencia basado en pilas de combustible y de

hidrógeno líquido para aviones con motores criogénicos incrustados en el ala. Sin embargo, y

claramente, pasarán algunos años antes de que tal sistema puede ser considerado para su

explotación en aviones comerciales. En la UE el quinto programa marco denominado “Análisis

de Sistemas de Hidrógeno líquido como combustible para aeronaves”, o también conocido

como Cryoplane , muestra como objetivo evaluar las soluciones prácticas a la introducción de

aviones impulsados por hidrógeno en todos los sectores y regiones . En este programa, los

modelos informáticos simulan los sistemas de combustible y los sistemas de propulsión de

aeronaves, y todo ello fue evaluado. El programa ha sido continuado en un sexto programa

marco.

Aunque , en la actualidad , las células de combustible son poco prácticas para aviones ,con

el creciente avance en componentes que tienen mucho más rendimiento , continúan siendo de

interés en vehículos aéreos no tripulado ( UAV ) y también para los aviones pequeños tipo de

ocio, algunos de los cuales están ahora en fase de desarrollo .

67

4.3.2. Requerimientos para la propulsión

Los dos requisitos principales para los sistemas de propulsión de aeronaves son que posean un

peso ligero y una alta fiabilidad. Alta fiabilidad es claramente de importancia desde el punto

de vista que un fallo en propulsión , especialmente durante el despegue, pueden tener

consecuencias catastróficas. En general , la operación de propulsar aeronaves eléctricamente se

divide en dos cuestiones distintas. La primera de ellas es que se requiere un tiempo

relativamente breve y con alta potencia para poder ganar altura y luego muy baja potencia para

el resto del vuelo . La segunda cuestión es que se requiere sostenibilidad, tal vez durante varias

horas. En vehículos aéreos no tripulados y avionetas convencionales , la pila de combustible

respaldada por baterías son la opción preferida .Aunque, otra alternativa que se ha desarrollado

han sido células solares como fuente primaria de energía. En estas aplicaciones , el contenido de

hidrógeno en la célula de combustible es uno de los principales contribuyente al peso total del

sistema y una comparación detallada entre un sistema de este tipo y uno que usa un motor de

combustión interna( IC) convencional se tratará más adelante

4.3.3. Ventajas y desventajas de la propulsión eléctrica

Las ventajas de utilizar las pilas de combustible en la aviación se encuentran en el hecho

de la capacidad de generación eléctrica con un alto nivel de eficiencia y bajos niveles de

emisión. El proceso básico que tienen lugar dentro de una pila de combustible, la oxidación

electroquímica del hidrógeno, es un producto que no genera ruido ni vibraciones, pero una

característica especial de los sistemas de pilas de combustible para su uso en la aviación, reside

en su multifuncionalidad.

Además de la generación de energía, las pilas de combustible también producen otros productos

y ventajas que se pueden hacer uso en las aeronaves, tales como el agua que se produce en la

reacción electroquímica. Esto hace que sea posible llevar sustancialmente menos agua a bordo

en el despegue. El aire del escape al salir de la pila de combustible, también se puede utilizar de

una manera innovadora para reducir la inflamabilidad de la mezcla del aire con el tanque de

queroseno, lo que permitirá aumentar la seguridad operativa de los aviones.

Las principales desventajas de la propulsión eléctrica se centra principalmente en el

peso y coste. Son sistemas pesados y costosos en la actualidad, mucho más que un motor de

combustión interna equivalente. La comparación se basa en unidades con potencias del orden de

50 Kw (a pesar de que el accionamiento eléctrico tiene una capacidad de potencia máxima

superior) y para la misma duración del vuelo . Se supone que durante el vuelo de estas futuras

aeronaves el nivel de potencia propulsora estará a cargo de las pilas de combustible por sí solas ,

que están basadas en células PEM, con una potencia de 42 Kw . La combinación baterías /

ultracondensadores proporciona potencia adicional para el despegue y ascenso. El

accionamiento eléctrico utiliza componentes estándar, y por sí mismo no está optimizado para

esta aplicación particular; sin embargo, dan una buena indicación de la tendencia .Es evidente

de lo anterior que el sistema de accionamiento eléctrico es el doble de pesado que un motor de

combustión interna ya que cuenta como mínimo con células de combustible, motor y tanque de

hidrógeno. El motor tiene una potencia específica relativamente baja que puede ser en parte

debido al hecho de que ha sido seleccionado para la impulsión directa de la hélice y podría ser

que con la incorporación de un reductor de velocidad, podría resultar de forma global una

unidad más ligera. El peso del tanque de hidrógeno líquido es alto debido a la necesidad de un

buen aislamiento para evitar el exceso de evaporación, y también porque , a pesar de que el

hidrógeno tiene una densidad de energía 3 veces mayor que la de la gasolina , un peso dado de

hidrógeno tiene un volumen 10 veces mayor que el de la gasolina . En comparación, el peso de

68

hidrógeno se ha supuesto para una célula de combustible con una eficiencia del 40% , que es

típico en la práctica, pero está , por supuesto , muy por debajo de la capacidad eventual de las

pilas de combustible . Con una mayor eficiencia , esta componente de peso se reduciría .

4.3.4. Ejemplos de aviones propulsados eléctricamente

Helios- NASA

Un avión único (y muy caro) dentro de esta categoría es el Prototipo Helios , dirigido

por control remoto y ala volante , que se muestra en la figura 24 , desarrollado por

AeroVironment Inc. en los EE.UU para la NASA (Proyecto “ERAST “).

Fig 24. Imágenes del Helios [Ref 28]

El Helios pretende demostrar dos misiones fundamentales: la capacidad de alcanzar y

mantener un vuelo horizontal a 100 mil pies de altura en un vuelo de un día en 2001, y

mantener el vuelo por encima de 50.000 pies de altitud durante al menos cuatro días en 2003,

con la ayuda de un sistema regenerativo de combustible basado en células de almacenamiento

de energía ahora en desarrollo. Ambas misiones fueron impulsadas por la electricidad derivada

de una fuente no contaminante, la energía solar.

La aeronave tiene una envergadura de 76 m, más largo que la de un avión comercial

Boeing 747; está construida de materiales compuestos y se divide en seis secciones. La

superficie superior del ala está cubierta por paneles solares que son la principal fuente de

energía .

69

Fig.25. Dimensiones Helios.[Ref 28]

La propulsión cuenta con 14 motores de corriente continua sin escobillas, distribuidos a lo largo

de toda la envergadura , cada uno de valor 1,5 Kw .Los paneles solares producen una potencia

total de 37 Kw y la aeronave requiere sólo 10 Kw para el nivel de vuelo. El exceso de potencia

disponible durante las horas de luz del día se puede almacenar para usar durante la noche.

Inicialmente, el almacenamiento de energía se basaba en un sistema de baterías de ion-

Li., pero en una etapa posterior se pretendía usar un sistema de almacenamiento de energía

basado en celdas de hidrógeno - oxígeno regenerativo. En este sistema, la potencia generada por

la energía solar durante el día se emplea en las células para dividir el agua en hidrógeno y

oxígeno que luego se almacena bajo presión en tanques especialmente diseñados . Por la noche,

el hidrógeno y oxígeno se vuelven a combinar en pilas de combustible para producir energía

eléctrica que usan los motores de propulsión y otros sistemas de la aeronave .La primera versión

de este sistema combina hidrógeno gaseoso a partir de dos tanques presurizados montados en

secciones del ala con oxígeno comprimido de la atmósfera a través de una serie de pilas de

combustible de membrana de intercambio de protones "PEM" montadas en el tren de

aterrizaje. El sistema produce más de 15 Kw de energía eléctrica de corriente continua para

alimentar los motores de Helios y sistemas operativos, con el único subproducto de vapor de

agua y calor. El sistema aumentaría el peso de vuelo del Helios Prototype de 800 libras a

alrededor 2400.Otras dos versiones del sistema se contemplarían: Una, que emplea el hidrógeno

líquido, permitiría al Helios volar hasta dos semanas en la estratosfera en cualquier lugar

alrededor de la Tierra, no limitado a las latitudes templadas o ecuatoriales. Otra versión, un

sistema cerrado o "regenerativa", utiliza el agua, una pila de combustible, y un electrolizador

70

para formar un sistema similar en función a una batería recargable o "secundaria", pero con

mucha mayor eficacia que los mejores sistemas de baterías recargables. Una versión del Helios

con un sistema de pila de combustible regenerativa era de interés para la NASA, para la ciencia

del medio ambiente, los militares y AeroVironment para diversas funciones, principalmente

como una plataforma de retransmisión de telecomunicaciones estratosférico. Con otras mejoras

en la confiabilidad del sistema, se esperaba que el Helios se convirtiese en verdadero “satélite

atmosférico”

En agosto de 2001, la aeronave alcanzó un nuevo récord del mundo; alcanzó la altitud

de 96863 pies. Desgraciadamente la primera versión equipada con una pila de combustible se

estrelló en el Pacífico en Junio de 2003. Los restos de la aeronave solar-eléctrico Helios

Prototype flota en el Océano Pacífico, cerca de la isla hawaiana de Kauai. Alrededor del 75 por

ciento de los restos del avión se recuperó, pero el sistema de pila de combustible prototipo que

debía haber proporcionado el poder en la noche durante la demostración de la misión de 4 días

en vuelo, se hundió en el agua a una milla de profundidad y no se pudo recuperar.

Fig 26. Hundimiento del Helios .[Ref 28]

EC-003. Boeing

Fig 27. Boeing EC-003 .[Ref 24]

Un equipo de ingenieros de Boeing Research & Technology Europe (BR&TE -Centro

Europeo de I+T de Boeing) en Madrid alcanzó este hito recientemente con la ayuda de empresas

colaboradoras de Alemania, Austria, España, Estados Unidos, Francia y Reino Unido.

Boeing está trabajando de forma activa para desarrollar nuevas tecnologías para

productos aeroespaciales respetuosos con el medioambiente.

71

Para este proyecto se utilizó la estructura de un motovelero biplaza Dimona, con una

envergadura de 16,3 m fabricado por Diamond Aircraft Industries de Austria. BR&TE modificó

este avión para incluir un sistema híbrido de potencia, compuesto por una pila de combustible

de Membrana de Intercambio Protónico (Proton Exchange Membrane -PEM) y una batería de

ión Litio que suministra energía a un motor eléctrico acoplado a una hélice convencional.

Se realizaron tres vuelos de pruebas en febrero y marzo en el Aeródromo de SENASA en

Ocaña.

Durante los vuelos, el piloto del avión experimental alcanzó una altitud de 1.000 metros sobre el

nivel del mar, utilizando una combinación de energía de la batería y la potencia generada por

pilas de combustible de hidrógeno. Tras alcanzar el nivel de crucero y desconectar las baterías,

el piloto voló recto y nivelado a una velocidad de crucero de 100 km. por hora durante

aproximadamente 20 minutos con energía generada sólo por las pilas de combustible.

Según los investigadores de Boeing, la tecnología de pila de combustible PEM ofrece la

posibilidad de propulsar vehículos aéreos pequeños tripulados y no tripulados. A largo plazo, las

pilas de combustible de óxido sólido se podrían aplicar a los sistemas secundarios generadores

de potencia, como los grupos electrógenos auxiliares para los grandes aviones comerciales.

Boeing no prevé que las pilas de combustible proporcionen la energía primaria para grandes

aviones de pasajeros, pero la compañía continuará investigando su potencial, además de otras

fuentes alternativas de combustible y energía sostenibles que mejoren el rendimiento

medioambiental.

Fig 28. Ubicación de elementos en el Boeing EC-003 .[Ref 24]

72

E-430. China

Fig 29. E-430 [Ref 29]

La avioneta, llamada E430, es un biplaza fabricado con un motor de 230 voltios que

permite volar 3 horas con una sola recarga. Su precio oscila los 64.000 euros (90.000 dólares)

La producción de aviones ligeros deportivos designada por la FAA, para aviones como

el E430, que pesan menos de 600 kilos y vuelan a menos de 220 km/h, ha experimentado un

fuerte aumento de su uso en los últimos años, debido a unos precios más asequibles y a la

escasez de problemas mecánicos.

El E430 corresponde a la clase LSA diseñado para ser fácil de usar, fácil de volar y con

prácticamente cero vibración. Por tanto sus ventajas principales son: bajo nivel de ruido, sin

emisiones de NO, no hay combustible, y mantenimiento extremadamente bajo.

La FAA creó la designación LSA en 2005, un sistema de regulación necesario para homologar

este tipo de aeronaves. Los requisitos de concesión de licencias para pilotar este tipo de aviones

son más fáciles que el resto, ya que se orientan hacia uso deportivo, un mercado todavía por

explotar, pero que sólo requiere de unas 20 horas de vuelo para obtener una licencia y el

derecho a conducir este tipo de aeronaves.

El vuelo utilizando motores eléctricos, que hasta hace poco se veía como futurista,

finalmente ha llegado a la aviación deportiva. Los tiempos de una recarga consumen 3 horas a

un costo mínimo. Como todo vehículo eléctrico tiene muy pocas partes móviles (sólo 2

rodamientos) lo que le otorga de una gran confiabilidad y bajos costos de mantenimiento.

Sus baterías se construyeron con polímeros de litio de 230 voltios. Su envergadura es de 14

metros y la longitud del avión es de 7 metros. La aeronave construida de materiales compuestos

puede ser completamente cargada de electricidad desde un toma de corriente casera de 230

voltios.

En las pruebas en vuelo llamó la atención lo silencioso del motor. Como características

principales se pueden destacar los siguientes aspectos:

- Su tasa de planeo 25:1 cifra que le permite mantener largos recorridos por el espacio

aéreo.

- El peso de la aeronave se sitúa en los 172 kilos, sin contar las baterías.

- La tasa de ascenso de 7 metros por segundo.

- La velocidad máxima alcanzada fue de 155 km/h y un promedio crucero de 95 km/h.

73

- El peso máximo al despegue es de 430 kilogramos.

- Su motor produce una potencia máxima de 40 KW con 2450 revoluciones por minuto y

usa seis paquetes de batería de polímero-litio que pesan en total 72 kilogramos.

Antares DLR-H2

Fig 30. Antares DLR-H2 [Ref 30]

Los ingenieros del Centro Aeroespacial Alemán, presentaron en julio del 2009 el primer

avión impulsado únicamente por pilas de combustible de hidrógeno. Denominado Antares

DLR-H2, realizó su primer vuelo en el aeropuerto de Hamburgo, en Alemania, donde se tuvo la

oportunidad de comprobar diversos aspectos del avión durante la media hora que duro las

pruebas de vuelo. La aeronave alcanzó velocidades de 170 km/h, con una capacidad de

deslizamiento totalmente silenciosa gracias a su motor eléctrico de alta eficiencia.

Boeing experimentó el pasado año con un modelo de avión que utilizó hidrógeno, pero

a través de un motor impulsado por una pila eléctrica, sin embargo, Antares, se alimenta

exclusivamente de las pilas de combustible que actúan directamente a partir del hidrógeno. El

sistema de células de combustible proporciona 25 KW de energía, más que suficiente para

cubrir todas las necesidades del avión, el cual sólo requiere una potencia de 10 KW de

crucero. La eficiencia total del sistema es de aproximadamente un 44%, es decir, el doble de la

eficiencia de un sistema convencional de combustión interna.

El Antares DLR-H2, se ha utilizado como banco de pruebas para las nuevas

investigaciones tecnológicas en aviación, propiciando una plataforma rentable para el desarrollo

de sistemas de pilas de combustible para su uso en aeronáutica. El DLR-H2, se basa en un avión

monoplaza con una envergadura de 20 metros y unos 660 kilos de peso. El sistema de células de

combustible, especialmente diseñado por el Instituto Técnico de Termodinámica, se utiliza

como la principal fuente de energía de propulsión para el Antares DLR-H2. Junto con el tanque

de hidrógeno, es acoplado dos depósitos externos situados bajo las alas, que se han reforzado

especialmente para este fin, suministrando la energía eléctrica necesaria para el funcionamiento

de los componentes internos, motores y hélice.

Los grandes aviones comerciales no pueden ser alimentados por pilas de combustible de

hidrógeno, ya que para conseguir la eficiencia energética necesaria, se requiere de tecnologías

que por el momento aún no están disponibles, sin embargo, las células de hidrógeno sí que

podrían comenzar a utilizarse como modo complementario de producir energía eléctrica a bordo

y otros fines anteriormente comentados. (Hibridación)

74

Ion Tiger- US NAavy

El Ion Tiger es un vehículo aéreo no tripulado (UAV) que opera con un sistema de

propulsión de pila de combustible de alta potencia. Está diseñado para una mayor autonomía de

vuelo y durabilidad en entornos de guerra.

Este UAV utiliza una pila de combustible de polímero de 550 vatios con un sistema de

potencia específica alta. Se emplean tanques de almacenamiento de alta presión, de hidrógeno

ligero para reducir el peso. La célula de combustible produce poco ruido y emite menos energía

infrarroja que los motores o baterías tradicionales.

El Ion Tiger es un UAV de pila de combustible propulsado por hidrógeno en el

desarrollo en el Laboratorio de Investigación Naval, el laboratorio corporativo de la Oficina de

Investigación Naval (ONR). Anteriormente volado con energía de la batería, se ha demostrado

la aerodinámica de sonido, alta funcionalidad y firmas de bajo calor y ruido. Los vuelos de

prueba de Ion Tiger han superado 24 horas con una carga útil de 6 libras. Las pruebas

demostraron cómo una solución de vigilancia permanente puede operar a un bajo costo, con

menos posibilidad de detección. Los ensayos superaron anterior duración del vuelo de siete

veces de los diseños anteriores.

En general, los militares están buscando fuentes más silenciosas y más eficientes de

energía. ONR es líder en la Armada con el apoyo a la investigación de combustibles

alternativos, y ha sido un líder y defensor clave de la investigación de la célula de combustible

desde hace más de 20 años.

Las pilas de combustible relativamente pequeñas de 550 vatios proporcionan una

ventaja adicional para el UAV.La tecnología de pila de combustible permite a los UAVs llevar

a cabo la vigilancia por períodos más largos de tiempo, lo que reduce el número de

lanzamientos diarios para recoger datos. Se ahorra tiempo y esfuerzo para la tripulación, y en

última instancia se traduce en un menor desgaste de la UAV.

Fig 31. Ion-Tiger [Ref 31]

75

Avizor- INTA

Fig 32. Avizor en laboratorio del INTA [Ref 32]

El Instituto Nacional de Técnica Aeroespacial (INTA), es un Organismo Público de

Investigación especializada en aeronáutica y tecnología espacial de I + D, y que pertenece al

Ministerio español de Defensa. Dentro del INTA las misiones principales son proporcionar

apoyo científico y asistencia técnica a los servicios gubernamentales y a la industria. En este

contexto, desde principios de los años setenta, el área de energías alternativas y renovables es

uno de los campos donde el INTA ha dedicado un esfuerzo continuo.

Desde un punto de vista estratégico español, el INTA está promoviendo el uso del hidrógeno

como una opción de energía a largo plazo, así como la utilización de pilas de combustible para

la aplicación en el transporte y la generación de electricidad estacionaria.

Además de las actividades de I + D, el INTA es un centro nacional con capacidades de pruebas

acreditado en aerodinámica, estructuras aeroespaciales, coches, EMC (Compatibilidad

Electromagnética), pruebas ambientales, los motores de cohete sólidos, células fotovoltaicas

espacio y turborreactores. INTA posee también de locales para las pruebas de los sistemas de

vehículos aéreos no tripulados (UAV).

Desde 2003 se inició un programa en el uso de pilas de combustible para aplicaciones

de defensa. La primera fase del programa se dedica a desarrollar reformadores de diesel y etanol

para ser integrados con las pilas de combustible y así demostrar sistemas de generación de

energía a base de células de combustible. Con el fin de probar y monitorear los avances de la

tecnología, un banco de pruebas para las pilas de combustible se está configurado con una

capacidad de potencia eléctrica de hasta 30 Kw

El Instituto Nacional de Técnica Aeroespacial emprendió en 1998 el desarrollo de un

sistema de vigilancia y observación basado en un vehículo aéreo no tripulado (UAV), designado

con el nombre de SIVA. INTA ha diseñado, desarrollado y probado el sistema y el principal

subsistemas, incluyendo el control de vuelo.

SIVA es un sistema de vigilancia UAV sofisticado con múltiples aplicaciones en materia civil y

campos militares, y se pueden utilizar como un vehículo de observación en tiempo real. En la

primera etapa del proyecto SIVA se ha alimentado por un motor de combustión interna

convencional y por el momento, el Instituto continúa desarrollando nuevos aviones no

tripulados: Mini UAV y micro UAV.

Tras los buenos resultados obtenidos por el INTA, este decidió iniciar el estudio de una segunda

fase de este proyecto, incluyendo las tecnologías de pilas de combustible con el fin de evaluar la

viabilidad de incluir un motor eléctrico impulsado por la energía suministrada por una PEMFC

(o un sistema similar utilizando las células de combustible y tecnologías de H2 )

76

Fig 33. Siva, antecesor del Avizor. [Ref 32]

Como ya se ha comentado en todos los proyectos anteriores, las pilas de combustible

son una tecnología atractiva para la implementación en los aviones, como fuentes de energía

debido a su potencial de recarga y a su alta densidad de energía.

Fig. 34. Avizor, estructura interna. [Ref 32]

El objetivo principal de este proyecto es demostrar con un estudio teórico y pruebas

prácticas, la viabilidad de incluir un sistema de UAV completa con actuaciones similares, como

la anterior, pero impulsado por un sistema de células de combustible.

La base del proyecto es el modelo diseñado y construido para el proyecto SIVA. Por esa razón,

Avizor parte de unos datos iniciales de diseño pertenecientes al proyecto SIVA y relacionado

con el uso de una pila combustible PEM.

La configuración del sistema ha sido elegido en base a cálculos de pre-dimensionado teniendo

en cuenta varias opciones: el uso de aire u oxígeno puro como oxidante, y el uso de un paquete

de baterías grande o pequeño.

La solución final para este proyecto utiliza oxígeno puro a una presión de trabajo de 2 bares.

La configuración del sistema cuenta con las siguientes características:

- Peso máximo: 300 kg (despegue)

- Envergadura: 5,81 m

- Factor de Carga: 3,5 g (aterrizaje) y 4,4 g

- Rango: 1 hora

- Altitud máxima: 1.000 m

- Max. cabeceo: 21 ° & Max. balance: 60 °

- Potencia requerida en despegue: 26 Kw durante 90 s.

77

- Potencia requerida en el subida 20 Kw durante 30 min

- Potencia requerida para crucero: 16 Kw

- Potencia requerida parasistemas auxiliares: alrededor de 1 Kw

El sistema AVIZOR se compone de tres partes principales:

- Sistema de alimentación (Pila de Combustible y las baterías).

- Motor y el controlador.

- Almacenamiento de combustible.

Los detalles del sistema Avizor son los siguientes:

Sistema de alimentación (pila de combustible y baterías)

Entre los diferentes tipos de células de combustible, las PEMFC son consideradas la

mejor solución para el sistema de propulsión de esta aplicación en el momento.

El papel funcional del sistema PEMFC (extraída del análisis funcional) es proporcionar de

energía eléctrica a un convertidor eléctrico (alta tensión) que proporcionará un voltaje

compatible con las redes eléctricas de alta tensión y baja del avión. El sistema se suministra las

necesidades de la red de comunicación del UAV alimentado a partir de combustible. Este

sistema debe ser enfriada para asegurar condiciones de funcionamiento óptimas.

A continuación se muestra una celda utilizada y sus características principales:

- Stack (una pila de 20 a 30 Kw).

- Max. Volumen: 46 X 24 x 115 cm [W x H x L],(127 l).

- Sistema de refrigeración (bomba de agua).

- Sistema de humidificación del cátodo.

- Sistema de gestión del agua.

- Salida de tensión 60 a 96 V.

Fig.35. Celda de combustible del Avizor. [Ref 32]

Las baterías tratan de proporcionar la energía adicional para el despegue y durante unos

minutos sólo para el nivel de vuelo final. Se propone usar una batería modular y recargable de

alta potencia de ión-litio. Las baterías de AVIZOR son de nanofosfatos de litio-ion. Estas

baterías proporcionan bajo peso y la descarga es muy rápido con mucha energía (como la

tecnología que otros iones de litio), aunque también la carga es muy rápido a alta potencia con

un alto nivel de seguridad.

78

Motor y el controlador

El motor eléctrico que trabaja en conjunto con la célula de combustible trabaja en un

modo continuo, por lo que el dispositivo tendrá alta eficiencia y una larga vida útil. Para esta

aplicación, se cuenta con motores "brushless" y con un equipo apropiado de trabajo a gran

velocidad. El motor eléctrico está de acuerdo con el estándar del sector para la confiabilidad,

funcionalidad y rendimiento en equipos de prueba de células de combustible, de la misma forma

que debe ser compatible con las técnicas posibles del INTA y los sistemas reales de

laboratorio. La ubicación en la plataforma debe alcanzar la mejor configuración para evitar

problemas de aerodinámica.

Las características del Motor "Brushless" y del controlador/conversor son las siguientes:

Brushlees PM Motor:

- Pico de potencia: 47 CV; 35 Kw

- Potencia continua: 31,5 cv; 23,5 Kw

- Velocidad máxima: 4500 RPM

Controlador/ Inversor:

- Rango nominal de entrada: 270 a 336 VDC

- Limitación a la corriente de entrada: 300 A

- Tipo de inversor: PWM y fase de avance

Fig. 35: El motor y controlador del Avizor. [Ref 32]

Almacenamiento de gas (hidrógeno y oxígeno)

Después de considerar diferentes posibilidades, (hidrógeno líquido, hidrógeno de alta

presión gaseoso, almacenamiento con hidruro metálico, .... etc.), se decidió utilizar en una

primera etapa dos tanques de alrededor 25 litros de hidrógeno cada uno situado uno en cada ala

y trabajando a una presión de unos 350 bares y con un peso del tanque en vacío de 15 kg. El

oxidante es oxígeno de alta presión gaseoso y el sistema de almacenamiento es un tanque de

200 bar. De hecho, en el caso de un suministro de aire, el oxígeno representa sólo el 21% del

gas en el cátodo de la pila, con lo cual su flujo debe ser por lo tanto casi 5 veces mayor que en

el caso de un suministro de oxígeno puro.

La ausencia de nitrógeno entre el gas y el combustible también permite que sea un proceso

operativo en un módulo cerrado y sin recirculación, sin riesgo de asfixia de la pila.

79

5.-CONCLUSIONES FINALES

El objetivo de este trabajo ha sido evaluar el uso de pilas de combustible en el contexto

aeronáutico. Se ha visto que existen numerosos tipos de células de combustible, aunque tras

estudiar las características y limitaciones de cada una se ha llegado a la conclusión que las pilas

PEM y SOFC son las más apropiadas en aplicaciones de transporte. En cuanto al combustible

que emplean se ha hablado principalmente de hidrógeno puro , aunque cada vez más este se

está obteniendo a partir los llamados "combustibles sucios" , es decir, la gasolina convencional

o queroseno, con lo cual se está ahorrando un peso considerable que pertenecería al

almacenamiento y distribución de hidrógeno puro.

Como se ha podido demostrar en todo el documento son muchas más las ventajas que

los inconvenientes ofrecidos por las pilas de combustible pero hay dos factores negativos, el

coste energético de obtención del hidrógeno puro y el coste económico de instalación del

sistema, que lastran fuertemente al resto e incluso, hoy por hoy, hacen anular casi por completo

algunos proyectos relacionado con este sistema de generación de electricidad.

A largo plazo, se prevé un desarrollo de esta tecnología paliando sus principales

inconvenientes, con lo que serán sistemas de generación eléctrica muy competitivos, ya que con

hidrógeno las eficiencias serán más altas que otros sistemas en competencia y sus emisiones

serán menores.

En el ámbito aeronáutico y aeroespacial son numerosas las aplicaciones donde se están

implantando. Desde los dos grandes de la aeronáutica, Boeing y Airbus, apuestan por una futura

aeronave más respetuosa con el medio ambiente, con menos emisiones, ruidos, y a la vez que

cuente con sistemas de generación de energía eficiente. Estos aspectos ecológicos como

aspectos económicos tales como reducción de peso, bajo mantenimiento, reducción de baterías,

etc., hacen que se trabaje en líneas de trabajo como la implementación de pilas PEM y SOFC en

unidades como la APU, o RAT . Este nuevo sistema además de proveer a la aeronave de un

sistema más eficiente y respetuoso con el medio ambiente, aprovecha al máximo todos sus

productos, ya que tanto el calor, el gas y el agua que se obtienen de la electrólisis son empleados

en otros subsistemas del avión como deshielo, inertización o abastecimiento de agua para aseos.

Del mismo modo, se buscan nuevas tecnologías de estas celdas que suministren a la aeronave de

mayores ventajas, así como minimicen las desventajas que pueda suponer su implantación. Es el

caso de pilas PEM de alta temperatura, o los procesos de reformado de queroseno.

Por otro lado está la propulsión eléctrica de avionetas, y UAVs, las cuales se están

basando cada vez más en sistemas de celdas de combustible, ya que son el futuro para la

aviación. En este contexto son ya numerosos los proyectos llevados a cabo, y los prototipos que

ya han volado, obteniendo en la mayoría de los casos resultados muy satisfactorios.

Es aquí donde deberían participar las Administraciones, primero para apoyar la

investigación que mejore aún más la eficiencia de este sistema y posteriormente para gestionar

la implantación generalizada de las pilas de combustible como excelente alternativa a los

sistemas tradicionales de generación de energía. De hecho desde la comisión europea existe toda

una hoja de ruta en la aplicación del hidrógeno como combustible y las pilas de combustible.

En una primera fase, hasta 2010 aproximadamente se ha trabajado en aspectos tales

como:

-Intensificar el uso de fuentes de energía renovables para generar una electricidad que

puede utilizarse para producir hidrógeno por electrolisis o bien ser introducida directamente en

las redes de suministro eléctrico.

- Mejorar la eficiencia de las tecnologías basadas en combustibles fósiles y la calidad de

los combustibles líquidos de origen fósil.

- Incrementar el uso de combustibles líquidos sintéticos producidos a partir del gas

natural y la biomasa, que pueden utilizarse tanto en sistemas de combustión convencionales

como en sistemas de pilas de combustible.

80

- Introducir gradualmente aplicaciones del hidrógeno y pilas de combustible en el

mercado con el fin de estimular la aceptación por la población y la experiencia a través de la

demostración, aprovechando los sistemas de conductos de hidrógeno existentes;

- Desarrollar motores de combustión interna alimentados por hidrógeno para

aplicaciones estacionarias y de transporte.

Durante todo este período se ha hecho necesaria una intensa investigación fundamental sobre

condicionantes tecnológicos clave, p. ej., producción, almacenamiento y seguridad del

hidrógeno y prestaciones, costes y duración de las pilas de combustible. [Ref. 33]

En una segunda fase, hasta 2020 aproximadamente, los estudios se centran en aspectos

tales como:

- Seguir incrementando la utilización de combustibles líquidos derivados de la biomasa.

- Seguir utilizando combustibles líquidos y gaseosos de origen fósil en pilas de

combustible directamente y reformando combustibles fósiles (incluido el carbón) para extraer

hidrógeno. De esta manera se hace posible la transición a una economía del hidrógeno,

capturando y fijando el CO2. El hidrógeno así producido se puede utilizar luego en sistemas de

combustión convencionales modificados adecuadamente, turbinas de hidrógeno y sistemas de

pilas de combustible, reduciendo así las emisiones de gases de invernadero y contaminantes;

- Desarrollar e implantar sistemas de producción de hidrógeno a partir de la electricidad

renovable y la biomasa; proseguir la investigación y el desarrollo en relación con otras fuentes

libres de carbono, tales como la energía térmica solar y la nuclear avanzada. [Ref. 33]

Y por último a largo-medio plazo, después de 2020, se prevé que la demanda de

electricidad seguirá aumentando y el hidrógeno vendrá a complementarla. Se apuesta por la

utilización de la electricidad y el hidrógeno como vectores energéticos para sustituir

progresivamente a los vectores energéticos tradicionales basados en los hidrocarburos, los

cuales escasean cada vez más, además de ser esta alternativa mucho más respetuosa con el

medio ambiente. [Ref. 33]

Además de las organizaciones gubernamentales, son cada vez más las instituciones y las

empresas privadas que dirigen sus estudios hacia esta nueva línea energética. Este es el caso de

numerosas universidades por todo el mundo, institutos tecnológicos como el INTA, NASA o

DLR, y por supuesto las dos grandes compañías aeronáuticas Boeing y Airbus .

Con todo esto se podría decir que las pilas de combustible son el futuro ya que podrían

reducir notablemente la contaminación del aire y el inminente problema que acecha a la

sociedad actual, el cambio climático debido al calentamiento global del planeta.

81

6.-BIBLIOGRAFÍA Y WEBSITES

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[2] " Hidrógeno y pilas de combustible: estado actual y perspectivas inmediatas"/Juan Otero

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( http://www.fuelcellseminar.com/media/51206/b2b33-5.pdf)

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Naval Research Laboratory, ONR, Karen Swider Lyons

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