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Desarrollo de motores de propulsión eléctrica

Desarrollo de motores de propulsión eléctrica

ITP Aero socio de Hegan participa junto con Onera analizando cómo los beneficios de la propulsión eléctrica de los aviones podrían llevarse al mercado de la aviación comercial.

 

Fuente: Aviation Week -Estados Unidos- 06/04/2020


Se están produciendo aviones ligeros eléctricos, prototipos de taxis aéreos, y ahora la industria está analizando cómo los beneficios de la propulsión eléctrica de los aviones podrían llevarse al mercado de la aviación comercial. ITP Aero socio de Hegan participa en uno de los proyectos con Onera.

Impulsado por las preocupaciones sobre las emisiones de carbono de la aviación, el dinero del gobierno está comenzando a fluir en cantidades significativas hacia la investigación para avanzar en el estado mas avanzado de la propulsión eléctrica. Y gran parte del trabajo se centra en el desarrollo de tecnología para aviones más grandes, hasta el tamaño de aviones de un solo pasillo.

Las limitaciones actuales en la densidad de energía de las baterías y la densidad de potencia de los motores y la electrónica han restringido el uso de propulsión eléctrica para aviones ligeros de corto y medio alcance y la categoría emergente de taxis aéreos eléctricos de despegue y aterrizaje vertical (eVTOL). Pero ya la formación y la industria, incluidas varias startups, están mirando más allá de estos límites hacia el desarrollo a corto plazo de aviones de pasajeros y regionales con 9-19 asientos y propulsión totalmente eléctrica o híbrida.

Electrificar la propulsión de los aviones regionales y comerciales más grandes que generan la mayor parte de las emisiones de carbono de la aviación, aquellos con 70 o más asientos y rangos medidos en miles de millas y no cientos, es un desafío mucho más desalentador. Pero los programas de investigación financiados por el gobierno están en marcha en Europa y EE. UU. y están dirigidos a la tecnología de propulsión eléctrica para estos aviones más grandes.

ITP Aero en Imothep

En enero, un consorcio de 33 socios europeos de investigación e industria de la aviación lanzó el programa de Investigación y Maduración de Tecnologías para la Propulsión Eléctrica Híbrida (Imothep) para evaluar su potencial para reducir las emisiones de la aviación comercial y desarrollar una hoja de ruta tecnológica para su desarrollo.

Con 10,4 millones de euros  (11.3 millones de dólares) en fondos de la Comisión Europea bajo su programa de investigación Horizonte 2020, Imothep realizará una investigación en profundidad de tecnologías híbridas-eléctricas, configuraciones avanzadas de aeronaves y arquitecturas innovadoras de propulsión que aprovechan las sinergias entre la propulsión y la estructura del avión.

Dirigido por la agencia francesa de investigación aeroespacial Onera, el programa reúne a los fabricantes europeos de aviones Airbus y Leonardo; las compañías de motores Safran, GE Avio, MTU, ITP Aero y GKN; así como las organizaciones de investigación aeroespacial CIRA (de Italia), DLR, AIT (de Austria), ILOT (de Polonia), INCAS (de Rumania) y NLR. También participan universidades de Francia, Alemania, Italia, Suecia y el Reino Unido, al igual que el grupo de expertos de aviación alemán Bauhaus Luftfahrt y la organización intergubernamental de tráfico aéreo Eurocontrol.

Propulsión para aviones de pasajeros de cuerpo estrecho

En EE. UU., la agencia de proyectos de investigación avanzada del Departamento de Energía, ARPA-E, ha anunciado planes para lanzar dos programas de investigación para desarrollar tecnología de propulsión para aviones de pasajeros de cuerpo estrecho totalmente eléctricos de 150-200 asientos. El objetivo general es la conversión eficiente de la energía química en combustible líquido y en energía eléctrica destinada a la propulsión de la aeronave.

Con el objetivo declarado de desarrollar tecnologías habilitadoras para aviones de clase Boeing 737 con emisiones netas de carbono cero, los programas se centrarán en motores eléctricos livianos y ultraeficientes, sistemas electrónicos de manejo y sistemas de gestión térmica, así como sistemas para convertir líquidos con carbono neutral. combustibles a energía eléctrica para propulsión.

La agencia espera poner a disposición 35 millones de dólares en fondos para el programa Ascend (para motores eléctricos refrigerados sinérgicamente de clase aeronáutica con unidades integradas). Otros 20 millones están destinados al programa complementario Reeach (Extensores de alcance para aviación eléctrica con bajo carbono y alta eficiencia). Se espera que dure hasta 48 meses, ambos esfuerzos comenzarán en noviembre.

Los programas están dirigidos al desarrollo de tecnologías para una arquitectura de propulsión que comprende un subsistema de almacenamiento y generación de energía y un sistema de propulsión totalmente eléctrico. Ascend se centra en el tren motriz y Reeach en el almacenamiento de energía y la generación de energía. Se prevé un sistema de distribución de kilovoltios resistente a fallas para transmitir energía desde el sistema de generación a los motores que accionan los ventiladores o hélices, pero el bus eléctrico y los propulsores están fuera de los programas de ARPA-E.

Ascend y Reeach

Ascend y Reeach complementarían la investigación sobre la aero propulsión eléctrica para aviones comerciales que ya están en marcha en la NASA. En virtud del proyecto Híbrido de Propulsión Eléctrico-gas (HGEP), la agencia ha financiado el desarrollo y las pruebas de máquinas eléctricas de megavatios y convertidores de potencia por parte de Boeing, GE Aviation, dos universidades y el Centro de Investigación Glenn de la NASA. HGEP incluyó conceptos de maduración para aviones comerciales híbridos-eléctricos. La NASA ahora planea lanzar el programa X-plane Electrified Powertrain Flight Demonstration (EPFD) en el año fiscal 2021.

En el año fiscal 2019, la agencia realizó pruebas iniciales en tierra de un tren motriz de megavatios a escala en las instalaciones de la NASA Electric Aircraft Testbed (NEAT) en la estación Plum Brook en Ohio. La prueba usó componentes comerciales sin peso de vuelo y se centró en la comunicación y el control. Este año, la NASA probará los componentes del tren motriz a una altitud de vuelo simulada en el NEAT, observando efectos como la descarga de la corona. Y en 2021, planea probar una clase de inversor de megavatio con peso de vuelo a 30.000 pies en el NEAT.

También en 2021, la agencia planea completar la revisión crítica del diseño de un proyecto para demostrar la extracción de energía a gran escala de bobinas de alta y baja presión de un turboventilador. La energía se extrae solo del eje de baja presión de los motores actuales, pero los aviones electrificados futuros requerirán más capacidad de generación de energía. En 2016, GE demostró la extracción de energía de doble bobina utilizando un motor de combate F110, extrayendo 250 kW del eje de alta presión y 750 kW del eje de baja presión.

Mejorar la eficiencia y turbofan más pequeños 

Extraer grandes cantidades de energía de un turboventilador puede afectar su operatividad. Pero integrar un motor / generador a escala de megavatios con el eje de una turbina de gas para poder extraer energía eléctrica o insertar energía almacenada podría permitir que el motor funcione más cerca de sus límites. Eso podría reducir los márgenes de diseño, mejorar la eficiencia y potencialmente permitir el uso de turbofan más pequeños que queman menos combustible. Este enfoque minimiza el peso de la batería requerido y podría ser un primer paso en la hibridación de la propulsión para aviones de un solo pasillo.

NEAT del centro de investigación Glenn de la NASA es la primera instalación de prueba de propulsión eléctrica de este tipo, pero otras organizaciones están analizando la infraestructura que se requerirá para desarrollar, probar, certificar y operar aviones eléctricos. En virtud del proyecto Green Flyway financiado por la UE, Noruega y Suecia están creando un área de prueba que proporciona un entorno para probar aeronaves eléctricas, así como aeronaves no tripuladas pequeñas y medianas.

El área de prueba proporciona espacio de hangar, una gran cantidad de espacio aéreo poco utilizado, vuelos transfronterizos entre el aeropuerto Ale Ostersund en Suecia y el aeropuerto Roros en Noruega, y rutas punto a punto: los aeropuertos suecos Harjedalen Sveg y Ornskoldsvik también son parte del proyecto. Como primer paso para permitir que los 10 aeropuertos del país manejen aeronaves eléctricas, el operador sueco del aeropuerto Swedavia está equipando a Ale Ostersund como un sitio de prueba, con infraestructura de carga de batería y el suministro de energía eléctrica necesario.

Otros programas

También hay varios programas en marcha respaldados por el gobierno para electrificar las aeronaves existentes como bancos de pruebas y con posibles empresas comerciales. En el Reino Unido, el Proyecto Fresson, liderado por Cranfield Aerospace Solutions, modificará el Britten-Norman Islander de 11 asientos con propulsión híbrida eléctrica para rutas de corto alcance e islas. El gobierno del Reino Unido está proporcionando la mitad del costo de 18 millones dem libras(23 millones de dólares) del proyecto. El primer vuelo está previsto en 2022.

Con el apoyo del gobierno bávaro, el centro aeroespacial alemán DLR modificará un Dornier 228 en un demostrador de propulsión de aeronave electrificado. El primer vuelo totalmente eléctrico está planeado para este año y el primer vuelo híbrido-eléctrico para 2021. El gobierno regional de Berlín / Brandeburgo planea financiar otro proyecto de propulsión eléctrica, utilizando un demostrador de tecnología diseñado específicamente, el APUS i-6. Mientras tanto, el gobierno francés está apoyando un proyecto de Airbus, Daher y Safran para convertir un TBM900 en propulsión híbrida eléctrica distribuida.

Con el continuo alto nivel de interés en la propulsión de aeronaves electrificadas como una forma de reducir las emisiones de la aviación a pesar de los muchos desafíos para ampliar la tecnología, es probable que la creciente cantidad de apoyo del gobierno impulse el progreso.

Foto superior: La startup estadounidense Wright Electric está trabajando con EasyJet para definir un avión turboeléctrico de corto alcance de 180 asientos.

Foto inferior: DLR de Alemania y Bauhaus Luftfahrt han estudiado un 19 plazas totalmente eléctrico basado en el Jetstream 31

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