Uso de biocombustibles en la aviación comercial
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AUTORES CIENTÍFICO-TÉCNICOS Y ACADÉMICOS Uso de biocombustibles en la aviación comercial Alberto García Pérez www.mundoaeronautico.es Fotos: Alberto García, USAF, Boeing, Diamond, American Champion, Mooney L os biocombustibles son combustibles renovables de origen animal o vegetal que vienen a sustituir a los tradicionales combustibles fósiles o minerales. Con ellos se busca, en primer lugar, reducir la dependencia del petróleo y, en segundo lugar, reducir la huella de CO2 generada y contribuir a la reducción del calentamiento global. En la actualidad se está produciendo una apasionante labor de investigación que podrá cambiar a largo plazo los combustibles empleados en aviación. à Introducción Las líneas aéreas a nivel mundial consumen cerca de 26.000 millones de galones de keroseno al año, cifra que se puede duplicar en los próximos 20 años. Sin embargo, la industria aeronáutica lleva ya varios años bajo la sospecha de no trabajar demasiado duro en la reducción de emisiones de CO2, que contribuyen al calentamiento global. Para lavar un poco dicha imagen, se están realizando numerosos estudios sobre biocombustibles procedentes de plantas. Durante su cultivo, dichas plantas absorben CO2 y desprenden O2, lo que compensa de forma global el CO2 emitido por el posterior combustible formado a partir de ellas. Los biocombustibles además pueden emplear las actuales redes de distribución de los hidrocarburos, lo cual ofrece una clara ventaja frente a otros posibles combustibles como el hidrógeno, que requeriría una fuerte inversión en infraestructuras. à Combustibles sintéticos La factura de combustible de la aviación norteamericana (USAF) durante el año 2005 fue de más de 4.000 millones de dólares. Con un barril de petróleo a más de 40 dólares, la USAF ha comenzado a 105 ACTA Uso de biocombustibles en la aviación comercial Producción por hectárea 80.000 70.000 Kg/Hectárea 60.000 50.000 40.000 30.000 20.000 10.000 0 Soja Babasu emplear mezclas de keroseno con combustibles sintéticos o synfuel, a base de gas natural y carbón, para reducir el impacto económico en la factura. La razón de utilizar carbón, parece un poco extraña en un principio, pero se debe a que Estados Unidos tiene fuertes reservas de este combustible. Por otro lado, esta estrategia permite reducir, aunque sea en una mínima parte, la influencia que los dos grandes señores del petróleo (Venezuela e Irán) tienen sobre el mercado internacional. Por medio de los biocombustibles, las economías nacionales dependerán un poco más de sí mismas. Esta combinación de keroseno con gas natural no es nueva, y ya fue desarrollada en la Alemania nazi durante la Segunda Guerra Mundial por el científico Fischer-Tropsch (FT), dando lugar al llamado keroseno FT. Por el momento, un bombardero B-52 modificado ya ha comenzado a realizar vuelos de prueba con esta nueva combinación, realizando incluso campañas en zonas frías para comprobar el comportamiento a condiciones de engelamiento. En una segunda fase, se empleará en motores con postcombustión, como los empleados en los aviones caza. El synfuel es más limpio, al no producir ningún sulfato y reducir significativamente las emisiones de partículas como consecuencia de su combustión, lo que además aumenta la vida del motor. Aunque este tipo de combustibles tienen ya una aplicación práctica hoy en día, principalmente para reducir la factura del combustible, no se piensa que vayan a ser la solución a largo plazo, ya que no resuelven el problema del calentamiento global. 106 Aceite de palma Algas à Bioetanol El etanol es una abreviatura de alcohol etílico, el mismo que se emplea en las bebidas alcohólicas, y se consigue fundamentalmente a partir de la fermentación y destilación de productos agrícolas con altos contenidos en azúcar y/o almidón, como el maíz, la caña de azúcar, la soja o la palma de babasu, un tipo de palmera que crece en Brasil y de cuyos dátiles se extrae el aceite. Aunque a principios de 2007 un grupo de científicos norteamericanos confirmaron que el azúcar simple, por ejemplo la que se encuentra en las frutas o en Biocombustibles. Uso de biocombustibles en la aviación comercial la miel, también puede ser empleada como biocombustible. Mediante un proceso catalítico convirtieron la fructosa en un biocombustible con una densidad de energía hasta 40 veces superior a la del etanol convencional. Esto convierte a la fructosa en un combustible para motores muy prometedor, además de ser insoluble con el agua, lo que facilita su obtención pura. El bioetanol se puede incluir en motores si la mezcla con el combustible convencional no excede el 5%, aunque el porcentaje depende de cada caso particular. Por ejemplo, la firma Renault ha lanzado a finales de julio de 2007 el Mégane E85, una versión de su famoso automóvil pero que será propulsado por bioetanol. El modelo comenzó a fabricarse en mayo en la fábrica de Palencia y es capaz de funcionar únicamente con gasolina o con una mezcla del 85% de bioetanol y 15% de combustible. Por otro lado, la planta de Ford de Almussafes en Valencia también fabricará cerca de 30.000 motores limpios, lo que supone un 57% más que en el año anterior. Los motores E85 están disponibles para los modelos Focus, C-Max de Ford y C30, S40 y V50 de Volvo, mientras que para el 2008 se fabricaron versiones también para el Galaxy, S-Max, Mondeo, V70 y S809. España es también el primer productor de Europa en bioetanol, de la mano de la empresa sevillana Abengoa, que ya se encuentra presente en países como Estados Unidos o Brasil. El etanol es, hoy por hoy, el único combustible renovable que es potencialmente sostenible. Aunque sus principales problemas, desde el punto de vista de su posible aplicación a la aviación, son su alta volatilidad, su baja densidad energética y su alta tendencia a la contaminación. La capacidad de contaminarse por absorción de agua del etanol plantea numerosos Los combustibles ecológicos provienen fundamentalmente de plantas. problemas en sus aplicaciones aeronáuticas. Si se forma una capa de agua dentro del depósito, el motor se puede llegar a parar en vuelo. Además, las bajas temperaturas que se encuentran conforme se asciende a nivel de crucero, facilitan también este proceso negativo. Otros estudios también muestran que el etanol puede causar problemas de corrosión en los circuitos de combustibles convencionales, atacando a gomas, sellos, bombas de combustible y a algunos tipos de plásticos. Pero no todo son inconvenientes. En motores alternativos, el etanol proporciona un funcionamiento más fino y con menos vibraciones, lo que alarga el tiempo entre overhauls del motor. La gasolina tiene un rango de inflamabilidad muy pequeño, lo que hace que se queme de forma explosiva. Sin embargo, el etanol se inflama de forma más suave, dando lugar a menos vibraciones. Como su poder calorífico es inferior al de la gasolina, con la misma cantidad de Un Boeing B-52 está realizando pruebas en altura con biocombustible. 107 ACTA Uso de biocombustibles en la aviación comercial han seguido después el sendero marcado por el Ipanema. La Cessna 152 modificada por la Universidad de Baylor (Waco, Texas) ha recibido una ampliación de su certificado de aeronavegabilidad para poder ser operada 100% con etanol. La Piper Pawnee, dedicada a labores de fumigación, también puede ser operada tanto con Avgas como con el etanol. Los biocombustibles se están introduciendo tímidamente en la aviación general, especialmente en Latinoamérica. combustible se recorre menos distancia. Por tanto, el uso de etanol reduce el alcance del avión, pero sus partidarios aseguran que se puede subsanar este problema con un poco de planificación. El denominado AGE-85 es una mezcla de etanol puro desnaturalizado con un 2% de gasolina y un 1% de biodiésel. Con este combustible, las autoridades certificadoras norteamericanas (FAA) han realizado un ensayo de 150 horas de duración en un Lycoming IO-360C. El resultado fue que el pico de potencia máxima aumentó de media en un 2,3%, aunque a costa de aumentar el consumo de combustible en un 56%. La FAA concluye que el uso de AGE-85 aumenta en un 9% el peso de combustible para un volumen de tanque determinado, mientras que el consumo de combustible a potencia de crucero aumenta hasta un 35% comparado con la gasolina 100LL empleada en aviación ligera. Desde hace años se están realizando pruebas del uso de bioetanol en la aviación. En 1984, un avión turbohélice fue capaz de recorrer 600 millas náuticas con bioetanol derivado de palma de babasu. Cinco años más tarde, un avión Velocity cruzó el Atlántico empleando únicamente etanol como combustible. Desde entonces, este combustible ha sufrido un crecimiento espectacular, especialmente en Sudamérica. De hecho, en Brasil el etanol ya representa un tercio del combustible total empleado, incluso dentro del sector de la aviación. En 2004, el Embraer Ipanema se convirtió en el primer avión certificado para ser empleado con etanol al 100%, sin ningún tipo de hidrocarburo como el diésel. Otros aviones ligeros En la actualidad se está realizando una fuerte labor investigadora para encontrar combustibles alternativos. Tras la directiva europea de aumentar progresivamente el contenido de alcohol en el combustible, el fabricante austriaco de motores Rotax ha estado realizando pruebas en sus motores con hasta un 5% de etanol. El resultado es que, una vez que se ajusta la mezcla, sus prestaciones no cambian fundamentalmente e incluso es algo más limpio. La producción en masa de biocombustible está afectando al mercado alimenticio. 108 El bioetanol es también uno de los mejores candidatos para ser empleados en las pilas de combustible, especialmente cuando se trata de soluciones altamente purificadas, ya que reducen los problemas de contaminación de las membranas y de reducción de la vida de la pila por desactivación del catalizador. Sin embargo, el etanol no es apto para turbinas de gas o Uso de biocombustibles en la aviación comercial El biodiésel reduce los hidrocarburos no quemados y el monóxido de carbono, reduciendo el efecto sobre la capa de ozono. motores a reacción, debido a su baja densidad energética y calor específico. Si se empleara etanol, tanto el alcance del avión como su carga se reducirían significativamente. Además las bajas temperaturas de vuelo que se encuentran en los niveles de vuelo de la aviación comercial harían que el etanol se congelara en las propias tuberías. à Biodiésel El llamado e-diésel o diésel ecológico contiene hasta un 15% de bioetanol y, comparado con el diésel convencional, reduce significativamente el número de partículas contaminantes, además de mejorar el arranque en frío. Cualquier motor diésel puede funcionar sin ningún tipo de modificación, con cantidades de hasta el 15% de biodiésel, mejorando incluso las prestaciones del motor. El biodiésel se puede generar también a partir del aceite residual de los restaurantes. Incluso la cadena de restaurantes McDonalds está considerando utilizar el aceite de fritura empleado para sus hamburguesas como combustible para los camiones que transportan sus productos. en un 50% el efecto perjudicial sobre la capa de ozono, y eliminando por completo las emisiones de sulfuros. Además, el motor funciona más suave al mejorar la lubricación incluso en pequeñas cantidades. Tan sólo un 1% de biodiésel es capaz de aumentar la lubricidad en un 65%; además el motor sufre menos vibraciones, por lo que se alarga su vida útil. Recientemente, un camión alemán ha completado 1,25 millones de kilómetros recorridos completamente con biodiésel en su motor original. El principal problema del biodiésel es que pequeñas cantidades de biocombustible cambian significativamente el punto de congelación de la mezcla. Así, por ejemplo, con sólo un 10% añadido, el punto de Normalmente, la cantidad de biocombustible suele ser inferior al 20% con el fin de evitar problemas de estabilidad durante su almacenaje, aunque debe ser consumido, de cualquier manera, durante los primeros seis meses desde su producción. Las ventajas del biodiésel son numerosas. Por una parte, el biodiésel reduce los hidrocarburos no quemados y el monóxido de carbono, reduciendo hasta El consumo del avión aumenta con biocombustibles, pero a cambio será más económico. 109 ACTA Uso de biocombustibles en la aviación comercial su resistencia a la congelación. Según sus estudios, no se espera que hasta el 2025 se vuele comercialmente con mezclas del 50% de keroseno con 50% de biodiésel. à Biojet Las algas son, a largo plazo, la fuente más prometedora para fabricar biocombustibles. congelación baja desde -51 ºC hasta tan sólo -29 ºC. Recientemente, la Universidad de Purdue ha desarrollado una nueva variante de biodiésel, formada en un 60% por keroseno convencional y en un 40% por biodiésel a base de soja, que se congela a -40 ºC, lo que permitiría su uso en la aviación comercial. Otro de los problemas del biodiésel aplicado a la aviación es su alto contenido en oxígeno, lo que añade un peso innecesario al combustible. Pare eliminarlo, se está investigando someterlo a un proceso de hidrotratamiento, lo que permitirá un mayor poder calorífico por unidad de peso. Según el director general de ingeniería para el medio ambiente de Boeing, Bill Glover, el etanol no parece adecuado para su uso en la aviación comercial. Sin embargo, el biodiésel parece ser apropiado, aunque todavía es necesario trabajar para aumentar El empleo de biocombustibles para la aviación comercial ha sido objeto de numerosas investigaciones. Los científicos parecen estar de acuerdo con que el etanol es una solución a corto plazo para el desarrollo de los biocombustibles, pero únicamente aplicados en motores alternativos. Richard Branson, a través de Virgen Atlantic, está colaborando con el fabricante de motores General Electric para volar un Boeing 747-400 con biocombustibles próximamente. Este consorcio probará hasta 8 tipos distintos de combustibles en ensayos en tierra del motor para seleccionar el que proporcione mejores prestaciones, e incluirá aceite de soja o butanol, pero no etanol, mezclándose en proporciones de hasta el 50%. Sin embargo, a largo plazo y para la producción en masa de estos biocombustibles, factores como la superficie disponible y la huella de CO2 que se pueda producir serán factores determinantes. Bajo estos dos criterios, los combustibles basados en algas parecen ser los más prometedores. Al modificar el metabolismo de las algas se obtienen cantidades significativas de aceite, que puede ser empleado como combustible, especialmente en zonas cálidas. Estas algas necesitan de aguas ricas en nutrientes. El uso de la superficie del mar permitirá cultivar algas sin devastar extensas superficies de selva. Por ejemplo, si se cultivara una superficie equivalente a Austria con En vuelo, el alcance del avión se reduce significativamente. 110 Uso de biocombustibles en la aviación comercial Con el biodiésel no será necesario modificar los motores. algas, absorberían todas las emisiones de CO2 producidas por la aviación a nivel mundial. Por otro lado, las algas son plantas que consumen un alto porcentaje de CO2 a la vez que liberan O2, lo que permitirá recuperar en parte el efecto invernadero. à Inconvenientes ción sostenible con el medio ambiente. Si se empleara una combinación de keroseno al 85% con biocombustibles al 15%, se necesitaría una superficie equivalente a la península de Florida para poder abastecer únicamente a la aviación comercial. El aspecto económico de la producción de biocombustibles es también una asignatura pendiente. En 2003, un estudio realizado por el Imperial College Muchos investigadores advierten de que el uso de biocombustibles no es una panacea. Para poder abastecer el mercado actual, sería necesario aumentar considerablemente el área de plantación, lo que en la práctica significa o bien sustituir los actuales cultivos o bien deforestar zonas de selva. Si los actuales cultivos se cambian, el exceso de producción se reducirá, siendo los países más pobres y peor alimentados los más perjudicados. Aunque países como España ya han comenzado a notar los efectos del desvío de las producciones agrícolas a la industria de los biocombustibles, con un aumento en los precios de mercado de la caña de azúcar, el maíz o el girasol. Si, en cambio, se deforestan zonas de selva, normalmente quemándolas, se está yendo directamente en la dirección contraria a la búsqueda de una solu- Con biodiésel, la potencia al despegue aumenta ligeramente. 111 ACTA Uso de biocombustibles en la aviación comercial del Reino Unido indica que el precio de producir un gigajulio de energía sería de entre $33 y $53 incluyendo el coste de plantar las cosechas, que supone ya un 75% de dicha cantidad, su conversión y distribución. Las cifras son significativamente superiores a los actuales $4,6 por gigajulio que suponen el keroseno. El coste de producción es, por tanto, otro factor muy significativo a tener en cuenta, especialmente porque en el sector de automoción los usuarios han dicho claramente que a igualdad de precio sí utilizarían biocombustibles, pero no pagarían el doble simplemente por ser más verdes. Algunos ecologistas han advertido también que aunque las emisiones de CO2 se pueden reducir al emplear estos biocombustibles, las emisiones de óxidos de nitrógeno aumentan significativamente. El problema es que los óxidos nitrosos son mucho más dañinos para el ser humano que el CO2. En 1989, un avión Velocity cruzó el Atlántico empleando únicamente etanol como combustible. A finales de 2006, un estudio desarrollado por Boeing, NASA y el fabricante de motores MTU concluyó que todavía hay un largo camino que recorrer para resolver los problemas que presentan estos combustibles. Sin embargo, el informe también establecía que ninguno de estos problemas actuales parece ser insoluble, siendo más bien una cuestión de tiempo el que se acaben resolviendo. à Conclusiones El aceite proveniente de ciertas palmeras está consiguiendo gran aceptación para crear bioetanol. 112 Aunque la búsqueda de nuevos combustibles más respetuosos con el medio ambiente acaba de comenzar, seguramente su implantación no llegará hasta el 2020. A día de hoy, todavía no se tiene una idea clara de hacia qué dirección hay que ir. Lo que sí se va descubriendo poco a poco son aquellos biocombustibles que por sus características se adaptan mejor a ciertos tipos de industria. A largo plazo, parece que el uso de algas o de las pilas de combustible pueden ser las fuentes de energía del futuro. Habrá que esperar para conocer el resultado.
