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UNIVERSIDAD POLITÉCNICA DE MADRID ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA AERONÁUTICA Y DEL ESPACIO MÁSTER UNIVERSITARIO EN INGENIERÍA AERONÁUTICA TRABAJO FIN DE MÁSTER Estudio y modelo de las cadenas productivas de hidrógeno y SAF en la futura aviación sostenible AUTOR: Pelayo MENÉNDEZ RODRÍGUEZ INTENSIFICACIÓN: SATA TUTOR DEL TRABAJO: Antonio LÓPEZ LÁZARO Julio de 2021 2 Resumen El objetivo del presente proyecto es conocer las implicaciones clave, tanto de capacidad como de costes, que tiene para la industria aeronáutica, en términos de infraestructura, la utilización y el despliegue del hidrógeno y del combustible sostenible de aviación (SAF, por sus siglas en inglés) a corto, medio y largo plazo. Para ello se estructura el proyecto en dos partes, una primera de tipo analítica y una segunda de modelización, interconectadas y coherentes entre sí. En la primera parte, en primer lugar, se contextualizan ambos sectores dentro de la particular coyuntura socioeconómica del Covid-19 y el resurgimiento que las tecnologías sostenibles han experimentado en la misma. Se revisan los antecedentes y los objetivos del sector aeronáutico en materia de sostenibilidad. Posteriormente se analizan las posibilidades de descarbonización para el sector, tanto soluciones incrementales como disruptivas, para a continuación estudiar de manera específica el estado del arte de las tecnologías relacionadas con el SAF y el hidrógeno, tanto en la parte aeronave como en la producción de dichos combustibles a escala industrial. Posteriormente, se plantean las infraestructuras que deberán dar respuesta a las necesidades de producción de ambos combustibles en la aviación futura, y se estudian los diferentes eslabones de la cadena productiva. En base al profundo estudio realizado en la primera parte del proyecto, es posible construir un modelo que permita plantear diferentes escenarios a futuro para la aviación y comparar las posibilidades en términos de capacidad productiva y de costes asociados en hidrógeno, SAF y keroseno. Previamente, en primer lugar, se construye un submodelo que, a partir de un escenario de incertidumbre casi total, predice las necesidades de keroseno de la futura flota, así como sus potenciales emisiones, comparadas frente al tope impuesto a la aviación. En segundo lugar, gracias a la primera parte del estudio, se proyecta con detalle cual será la producción de SAF hasta 2025 en base a las plantas actuales en funcionamiento y los proyectos anunciados. A continuación, se proyecta cual será la producción de SAF a medio y largo plazo, hasta 2050, apoyándose en los objetivos de producción. Además, en paralelo se tiene en cuenta una potencial introducción de la aviación de hidrógeno a partir de 2035. En tres escenarios distintos, uno optimista H (hidrógeno), uno intermedio S (SAF) y uno pesimista K (keroseno), se pone a prueba el modelo y se obtienen los escenarios de producción y demanda de los tres combustibles, así como sus costes nivelados y a nivel global, incluyendo el impacto del mercado de emisiones de carbono. También se estudia el impacto de los 3 escenarios en las emisiones globales de la aviación, comparándolas con los objetivos de sostenibilidad impuestos para 2050. En el presente proyecto se han alcanzado varias conclusiones. La primera de ellas y quizá la fundamental, es que para cumplir con el objetivo de reducir a la mitad las emisiones de 2005 y mantener el tope en las de 2019, es imprescindible mitigar los riesgos técnicos de las aeronaves de hidrógeno e introducirlas en el mercado en 2035. Si se resuelven, la producción de hidrógeno verde acompañará, pues estará desplegada y será rentable frente al keroseno y el SAF. La producción de SAF será el principal sostén de combustible para aviación (63% del total), llevándose el hidrógeno verde la cuota restante. Cualquier otro escenario que no sea con hidrógeno, imposibilita cumplir con los objetivos. El SAF, como única medida, no permite una aviación neutra en carbono. Si bien, para alcanzar ese escenario H, el despliegue de ambas cadenas de producción debe iniciarse de inmediato y no retrasarse frente a los planes previstos, pues cualquier retraso también imposibilitaría el cumplimiento. Por su parte, considerando el estatus actual de la infraestructura, dichos planes constituyen un desafío titánico y poco creíble. 3 Abstract The target of the present project is to know the key implications for aerospace industry (costs and production sizing) on the hydrogen and sustainable aviation fuel future deployment. Short, mid, and long term. To do so, this study in divided in two parts, separate but coherent between them and also interconnected. Firstly, both sectors are contextualized among the specific socioeconomic reality during Covid pandemics and the renaissance of the sustainability technologies from this time on. Background and sustainability targets are also revisited for the aerospace sector. Then, all current possibilities to implement decarbonization are analysed, including incremental and disruptive ones. Next step has been the specific study of the state of the art for hydrogen and SAF technologies, both in aircraft side and production chain in an industrial scale. Then again, the scheme of the infrastructure is presented, it will enable both fuels to be produced in a future aviation scenario and all supply chain is studied. Based on the previous study, it is possible to build a model that allows to predict different scenarios for aviation and also allows to compare all possibilities in terms of capacity and associated costs for hydrogen, SAF and kerosene. To begin with, a future fleet sub-model has been designed. This model is capable of predict the kerosene necessities of the future fleet, the emissions that it would produce as a result and it also compare it against emissions cap. Secondly, the short term (2021-2025) prospects for the SAF production are evaluated, based on the detailed analysis of all plants, companies, and projects about SAF production. The next step, based on production targets, is that the model predicts which will be the rate of production of SAF year by year, process by process, up to 2050. Hydrogen is also introduced as a possibility from 2035 onwards, depending on the scenario. These scenarios are the optimistic H Scenario (H for hydrogen), intermediate S Scenario (S for SAF), and pessimistic K Scenario (K for Kerosene). Once the model is configured for each one of these three scenarios, the output is the complete prediction for every one of the fuels, including production, associated and levelized costs, including carbon market measures. The very next step is the comparison between the global emissions predicted by the model in every scenario, against the cap self-imposed to aviation for 2050. Several conclusions have been raised from this project. First, and probably the fundamental one, is that the target of halving 2005 emissions by 2050 and not surpass the 2019 levels by 2050 will not be reached if hydrogen aviation is not a reality by 2035. If all risk are mitigated and hydrogen planes enter into service in 2035, green hydrogen supply chain will be already deployed and in place to feed a potential fleet. On the other hand, SAF will be the core of the aviation fuel by 2050 (63% of share), while hydrogen will represent the rest of the equation. Any other scenario in 2050, different to this one, will not comply with expectations in terms of CO2 emissions. Another conclusion is that, to comply with H Scenario, both supply chains must start their deployment immediately and not delay against the projected schedule. Any delay would represent a critical risk. On the other hand, considering the current status of SAF and hydrogen infrastructure, both plans and schedule will be titanicefforts which will are difficult to believe in. 4 Tabla de contenido Resumen ........................................................................................................................................ 2 Abstract ......................................................................................................................................... 3 Índice de Ilustraciones .................................................................................................................. 7 Indice de Tablas ............................................................................................................................. 9 1. Contexto actual - Crisis climática ........................................................................................ 10 1.1. Calentamiento global .................................................................................................. 10 1.2. Respuesta internacional .............................................................................................. 11 1.2.1. Global .................................................................................................................. 11 1.2.2. Unión Europea ..................................................................................................... 12 1.2.3. Sector aeronáutico .................................................................................................. 14 1.3. Competencia dentro de la sostenibilidad ................................................................... 15 2. Estado del arte de la descarbonización ............................................................................... 17 2.1. Emisiones de la aviación .............................................................................................. 17 2.2. Unidades de medida de las emisiones ........................................................................ 17 2.3. Posibilidades para la descarbonización ....................................................................... 18 2.3.1. Mejoras incrementales ........................................................................................ 18 2.3.2. Combustibles sostenibles para aviación ............................................................. 19 2.3.3. Hidrógeno ............................................................................................................ 27 2.3.4. Aplicabilidad de SAF e hidrógeno por segmento ................................................ 32 3. Infraestructura de la descarbonización ............................................................................... 38 3.1. Infraestructura del SAF ................................................................................................ 38 3.2. Infraestructura del hidrógeno ..................................................................................... 44 3.3. Competitividad con el keroseno ................................................................................. 51 3.3.1. Precio del keroseno ............................................................................................. 51 3.3.2. SAF ....................................................................................................................... 52 3.3.3. Hidrógeno ............................................................................................................ 55 3.3.4. EU-ETS ................................................................................................................. 58 4. Escenarios ............................................................................................................................ 61 4.1.1. Escenario H. Aviación cero emisiones. ................................................................ 61 4.1.2. Escenario S. Aviación de bajas emisiones. .......................................................... 62 4.1.3. Escenario K. Aviación convencional. ................................................................... 62 4.2. Horizontes temporales ................................................................................................ 63 4.2.1. Corto plazo (2021-2025)...................................................................................... 63 4.2.2. Medio plazo (2025-2035) .................................................................................... 64 4.2.3. Largo plazo (2035-2050) ...................................................................................... 64 5 5. Modelo de capacidad y costes ............................................................................................ 65 5.1. Flota y cálculo de emisiones ........................................................................................ 66 5.2. Modelo de keroseno ................................................................................................... 72 5.3. Modelo de SAF ............................................................................................................ 73 5.4. Modelo de hidrógeno renovable ................................................................................ 81 6. Resultados ........................................................................................................................... 86 6.1. Escenario H. Aviación cero emisiones. ........................................................................ 86 6.2. Escenario S. Aviación de bajas emisiones. .................................................................. 90 6.3. Escenario K. Aviación convencional ............................................................................ 91 6.4. Emisiones en los tres escenarios ................................................................................. 92 7. Conclusiones........................................................................................................................ 93 Referencias .................................................................................................................................. 96 6 7 Índice de Ilustraciones Ilustración 1: Las cuatro revoluciones industriales. Fuente: [1] ------------------------------------------------------- 10 Ilustración 2: Esquema de Next Generation EU --------------------------------------------------------------------------- 12 Ilustración 3: Escenarios de las emisiones de la aviación en función de las mejoras. Fuente: [6] ----------- 15 Ilustración 4: Esquema de la plataforma Clean Sky ---------------------------------------------------------------------- 19 Ilustración 5: Ciclo de los residuos municipales. Fuente: [14] --------------------------------------------------------- 21 Ilustración 6: Tipos de residuos de celulosa -------------------------------------------------------------------------------- 21 Ilustración 7: Aceite de cocina usado ---------------------------------------------------------------------------------------- 22 Ilustración 8: Recogida de caña de azúcar --------------------------------------------------------------------------------- 22 Ilustración 9: Aceite de palma y de soja ------------------------------------------------------------------------------------- 23 Ilustración 10: Cultivo de camelina ------------------------------------------------------------------------------------------- 23 Ilustración 11: Jatropha --------------------------------------------------------------------------------------------------------- 24 Ilustración 12: Halophytes ------------------------------------------------------------------------------------------------------ 24 Ilustración 13: Algae en el agua ----------------------------------------------------------------------------------------------- 24 Ilustración 14: Procesos aceptados y en evaluación para la producción de SAF. Fuente: [20] --------------- 27 Ilustración 15: Posibilidadesde propulsión a partir de hidrógeno y su impacto en las emisiones. Fuente: [11] ------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------ 28 Ilustración 16: Esquema del Tu-155 ------------------------------------------------------------------------------------------ 29 Ilustración 17: Esquema del funcionamiento de una pila de combustible PEMFC y SOFC. Fuente: [24] --- 30 Ilustración 18: Esquema y órdenes de magnitud de un avión ejecutivo propulsado con hidrógeno. Fuente: [11] ------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------ 34 Ilustración 19: Esquema y órdenes de magnitud de un avión regional propulsado con hidrógeno. Fuente: [11] ------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------ 34 Ilustración 20: Esquema y órdenes de magnitud de un avión de corto radio propulsado por hidrógeno. Fuente: [11] ------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 35 Ilustración 21: Esquema y órdenes de magnitud de un avión de medio radio propulsado por hidrógeno. Fuente: [11] ------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 36 Ilustración 22: Esquema y órdenes de magnitud de un avión de largo radio propulsado por hidrógeno. Fuente: [11] ------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 36 Ilustración 23: UAV Ion Tiger durante una prueba de vuelo. Fuente: [33] ----------------------------------------- 37 Ilustración 24: Esquema de la cadena de valor en la producción de SAF. Fuente: [36] ------------------------- 39 Ilustración 25: Aproximación del uso de la tierra a nivel global en distintos ámbitos. Fuente: [14] -------- 40 Ilustración 26: Proyecto de NESTE en Rotterdam para ampliar su capacidad de preprocesado. Fuente: [39] ------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------ 41 Ilustración 27: Esquema simplificado del proceso de refino en los diferentes procesos: Fuente: [14] ------ 41 Ilustración 28: Principales biorrefinerías de SAF en marcha o en proyecto en Estados Unidos. Fuente: [34] ----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 42 Ilustración 29: Imagen de un parque eólico offshore y un parque fotovoltaico ---------------------------------- 45 Ilustración 30: Diferentes tecnologías para el anclaje de los aerogeneradores offshore ---------------------- 45 Ilustración 31: Planta de carbón con sistema de CCUS de Petra Nova. Texas (Estados Unidos) ------------- 47 Ilustración 32: Eventos alrededor del CCUS en 2020. Fuente: [49] --------------------------------------------------- 48 Ilustración 33: Esquema explicativo de las diferentes fases en la cadena del hidrógeno. Fuente: [29] ---- 49 Ilustración 34: Posible concepto de almacenamiento en cavernas de sal ------------------------------------------ 50 Ilustración 35: Concepto de Airbus para un aeropuerto con hidrógeno como combustible ------------------- 51 Ilustración 36: Comparativa precio del petróleo y keroseno. Fuente: [51] ----------------------------------------- 52 Ilustración 37: Materias primas utilizadas por NESTE ------------------------------------------------------------------- 54 Ilustración 38: Estimación de costes de producción de SAF. Fuente: [55] ------------------------------------------ 55 Ilustración 39: Instalacion gradual de los 40GW de electroliazdores en la UE hasta 2030. Fuente: [26] -- 56 Ilustración 40: Instalación gradual de los 40GW de electrolizadores en Ucrania y el norte de África para 2030. Fuente: [26] ---------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 57 8 Ilustración 41: Electrolizador tipo PEM de Nel ASA, tanto individual como en planta modular. Fuente: Nel Hydrogen ---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 58 Ilustración 42: Comparación de precios de EUA y CER. Fuente: ------------------------------------------------------ 59 Ilustración 43: Esquema del primer paso en la construcción del modelo. Presente K. -------------------------- 65 Ilustración 44: Esquema del segundo paso en la construcción del modelo. SAF. -------------------------------- 66 Ilustración 45: Esquema del tercer paso en la construcción del modelo. Hidrógeno. --------------------------- 66 Ilustración 46: Imagen de la cadena norteamericana CNBC sobre los aviones en tierra en 2020 ----------- 67 Ilustración 47: Escenarios de tráfico estudiados y previstos por Eurocontrol para el periodo post-covid. Fuente: [62] ------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 67 Ilustración 48: Coste del keroseno sin sumar el coste del CO2. Escenarios H, S y K. ----------------------------- 72 Ilustración 49: Producción SAF (2021-2025). MTon/año. -------------------------------------------------------------- 76 Ilustración 50: Producción de SAF (2021-2025). % demanda total. -------------------------------------------------- 77 Ilustración 51: Planta de WorldEnergy en el Condado de Los Ángeles ---------------------------------------------- 78 Ilustración 52: Proceso de pre-procesado en la planta de Fulcrum en Reno (Nevada) ------------------------- 79 Ilustración 53: Recogida de aceite usado para la producción de SAF ----------------------------------------------- 79 Ilustración 54: Residuos agrícolas para la utilización en procesos industriales ----------------------------------- 80 Ilustración 55: Producción descentralizada de hidrógeno verde ----------------------------------------------------- 82 Ilustración 56: Modelo MC500 de Nel Hydrogen ------------------------------------------------------------------------- 83 Ilustración 57: Producción de SAF entre 2021 y 2025 en el escenario H. ------------------------------------------- 86 Ilustración 58: Producción mundial y demanda para aviación de hidrógeno verde en (2021-2050). ------- 87 Ilustración 59: Cuota de producción de los diferentes procesos en SAF. ------------------------------------------- 88 Ilustración 60: Acumulativo de producción anual de SAF entre 2021 y 2050 ------------------------------------- 88 Ilustración 61: Comparativa del coste nivelado de los combustibles en el escenario H ------------------------ 89 Ilustración 62: Comparativa de producción de combustibles en los tres escenarios propuestos. ----------- 92 9 Indice de Tablas Tabla 1: Ventajas e inconvenientes de los synfuel frente a los biocombustibles ........................................ 25 Tabla 2: Procesos químicos aceptados para la producción de SAF. Fuente: [18] ....................................... 26 Tabla 3: Cantidad de biofuel por materia prima utilizado por NESTE. Fuente: [35] ................................... 39 Tabla 4: Capacidad potencial de materias primas en 2030. Fuente: [37] .................................................. 40 Tabla 5: Proceso utilizado por los principales productores de SAF ............................................................. 42 Tabla 6: Principales fabricantes de electrolizadores a nivel mundial. Fuente: [46], [47], [48]. .................. 47 Tabla 7: Ejemplos de acuerdos comerciales entre aerolíneas y potenciales productores. Fuente: [8] ....... 53 Tabla 8: Resumen de escenarios H, S y K. ................................................................................................... 63 Tabla 9: Sub-modelo de previsión de flota entre 2021 y 2050 ...................................................................68 Tabla 10: Diferencia entre aviación internacional y doméstica. Factor de corrección. .............................. 69 Tabla 11: Sub-modelo sobre el consumo de combustible previsto entre 2021 y 2050. .............................. 69 Tabla 12: Factores de conversión de emisiones de CO2. Fuente: [65] ........................................................ 69 Tabla 13: Estimación de emisiones y topes de 2005 y 2019. ...................................................................... 70 Tabla 14: Previsiones de precio de EUA y CER entre 2021 y 2050. ............................................................. 71 Tabla 15: Referencia de CORSIA para emisiones de combustibles alternativos. Fuente: [67] .................... 74 Tabla 16: Procesos y materia primas de mayor interés para la industria del SAF ...................................... 75 Tabla 17: Plantas de SAF (2021-2025) ........................................................................................................ 76 Tabla 18: Proyecto ReFuel EU. Fuente: [16] ............................................................................................... 77 Tabla 19: Costes asociados a los principales procesos de obtención de SAF .............................................. 80 Tabla 20: Producción de hidrógeno verde la UE ......................................................................................... 83 Tabla 21: Modelo de demanda de hidrógeno de la aviación...................................................................... 84 Tabla 22: Modelo de costes del hidrógeno verde ....................................................................................... 85 Tabla 23: Comparativa entre los costes globales de las diferentes opciones de comsbutibles .................. 90 Tabla 24: Modelo de previsión de producción de combustible entre 2025 y 2050 ..................................... 90 Tabla 25: Comparativa de costes entre combustibles en el escenario S..................................................... 91 Tabla 26: Comparativa entre las emisiones de los distintos escenarios frente al cap de 2005 y 2019. ..... 92 10 1. Contexto actual - Crisis climática La humanidad se encuentra hoy en un momento histórico, decisivo para el porvenir tanto de esta generación como de las venideras. La cuarta revolución industrial, iniciada a mediados de la década de 2010, se planteaba inicialmente como un proceso eminentemente digitalizador, cuyo valor añadido era el de interconectar y globalizar aún más a la sociedad, así como optimizar los procesos industriales por medio de las múltiples tecnologías digitales desarrolladas en los últimos años. No obstante, como suele ocurrir, es el curso de los acontecimientos, y no los planes preestablecidos, el que marca el devenir de la historia. En este caso ha sido una crisis sanitaria sin precedentes en los últimos cien años, provocada por la pandemia de SARS-Covid-19, la que ha forzado el curso de los acontecimientos. El Coronavirus, cuya crisis sigue siendo sanitaria antes que económica a día de hoy ha dado un impulso definitivo a la que será la segunda pata de la cuarta revolución industrial, la sostenibilidad. Ilustración 1: Las cuatro revoluciones industriales. Fuente: [1] Hace falta echar la vista atrás para comprender el origen de esta situación, y levantar la vista al frente, hacia el futuro, para comprender la trascendencia de esta. A continuación, se expone, en primer lugar, la problemática del calentamiento global y después las posiciones y medidas que se han tomado hasta el momento. Tanto por parte de las instituciones públicas, como por el propio sector aeronáutico. 1.1. Calentamiento global La industrialización que ha sobrevenido a la humanidad en los últimos tres siglos ha tenido un considerable impacto sobre el medio ambiente. Tras el Acuerdo de París de 2015 [2], expertos del Panel Intergubernamental para el Cambio Climático (IPCC por sus siglas en inglés) fueron consultados por los gobiernos acerca del impacto del calentamiento global sobre el planeta. En su informe [3], dichos expertos cifran el calentamiento global actual en 1⁰C frente a los niveles pre-industriales (1850-1900). Este incremento es la consecuencia directa y la más visible de la prolongada emisión de gases de efecto invernadero a la atmósfera, la cual conlleva además una serie de consecuencias en los ecosistemas que nos rodean, y pone en riesgo no solo la supervivencia del ser humano a largo plazo, sino también la de miles de especies animales y vegetales a nuestro alrededor. Dicho informe, que abunda en evidencias, mediciones y pruebas, 11 no hace sino poner de manifiesto una realidad que lleva décadas latente, el calentamiento global está teniendo lugar, está afectando al presente y afectará al futuro si no se le pone coto. Si bien, este informe menciona también que, pese a que los efectos del calentamiento actual serán ya irreversibles durante los próximos cientos o miles de años, si se logra ajustar el incremento de temperatura a 1,5⁰C, los efectos perniciosos serían aún asumibles, dentro de la gravedad. Sin embargo, si este incremento llega a los 2⁰C, los efectos irreversibles podrían ser devastadores para la habitabilidad del planeta. Los expertos marcan también un horizonte, una fecha clave para frenar este incremento, el año 2100. Así pues, el reto está claro, acotar el calentamiento global a 1,5⁰C en el año 2100. Y la aviación juega un papel fundamental en este objetivo. 1.2. Respuesta internacional El impacto nocivo en la atmósfera de los gases de efecto invernadero comenzó a descubrirse a mediados del siglo pasado, así como el de otras prácticas contaminantes de industrias, transporte y ciudadanos de a pie, en resumidas cuentas, de la sociedad en su conjunto. Si bien, no fue hasta finales de ese siglo que se puso el foco en la crisis climática, de la mano de iniciativas y colectivos sociales, gobiernos progresistas en los países más industrializados y acuerdos internacionales de reducción de emisiones, como el Protocolo de Kioto, firmado en 1997 [4]. Empujado todo ello, por el incremento de las evidencias científicas al respecto. Así pues, tras la firma en Kioto de este primer gran acuerdo mundial, los objetivos de reducción de emisiones se convirtieron en una parte fundamental de la vida política y de la sociedad. Lo que dio pie a una creciente demanda en el cumplimiento de estos objetivos, sucesivos acuerdos y medidas de carácter internacional, nacional y local. Eso sí, permanentemente enfrentadas a los desafíos que estos objetivos suponen para las economías e industrias ya asentadas, especialmente para las más contaminantes. Por su trascendencia para la aviación, a continuación, se exponen las principales medidas y objetivos que actualmente imperan globalmente, así como la visión de la Unión Europea, por su liderazgo mundial en este tipo de políticas, y finalmente un breve repaso a las medidas e iniciativas que específicamente aplican o aplicarán en el futuro al sector aeronáutico. 1.2.1. Global A nivel global, existen dos acuerdos principalmente, desarrollados por medio de la Convención Marco de las Naciones Unidas sobre el Cambio Climático, el Protocolo de Kioto [4] y el Acuerdo de París [2]. Ambos acuerdos están vigentes y son complementarios. Mientras que el Protocolo de Kioto, que no entró en vigor hasta 2005 con sucesivas entradas y salidas de múltiples países, establece unos objetivos concretos de reducción de emisiones, el Acuerdo de París fija el objetivo de limitar el calentamiento global muy por debajo de 2ºC y mantenerlo en 1,5ºC por todos los medios al alcance de los firmantes. Ambos acuerdos establecen medidas para reducir las emisiones y las ajustan a la capacidad económica de los países, fomentando además la colaboración y el apoyo desde los países más desarrollados hacia los queestán en vías de desarrollo. 12 1.2.2. Unión Europea La Unión Europea, siempre a la cabeza en políticas de sostenibilidad, es firmante tanto del Protocolo de Kioto como del Acuerdo de París, así como sus miembros. Muestra de este liderazgo es el reciente Pacto Verde Europeo, lanzado por la Comisión Europea [5], que orienta las políticas de la Unión, así como sus presupuestos, hacia la sostenibilidad medio ambiental. 1.2.2.1. Pacto Verde Europeo El Pacto Verde Europeo establece unos objetivos de reducción para 2030 de Gases de Efecto Invernadero de 50% frente a los niveles actuales y de 55% frente a los niveles de 1995. Para la consecución de estos objetivos, se han elaborado unos presupuestos multianuales en el periodo 2021-2027 que, unidos al mecanismo extraordinario para la recuperación post-covid Next Generation EU, han orientado el periodo 2021-2027 a una transición en Europa que será fundamentalmente ecológica y digital. En total, 1.823,3 billones de euros, una cifra sin precedentes en la Unión, de los cuales el 30% irá a programas “verdes”. Ilustración 2: Esquema de Next Generation EU El Pacto Verde Europeo tendrá unas consecuencias en la industria y la movilidad que merecen citarse a continuación. En primer lugar, porque apuntan directamente a la aviación como un elemento fundamental en la descarbonización, y en segundo porque el resto de los eslabones de la cadena, tanto en industria como en movilidad, se ven afectados, lo que colateralmente afecta también a la aviación. Algunos puntos clave que aplican al presente trabajo son los siguientes: ➢ Energía e Industria: o Rápido descenso en el coste de las energías renovables. Será fundamental aumentar la producción de energía eólica marina sobre la base de la cooperación regional entre los Estados miembros. o Despliegue de infraestructuras como las redes de hidrógeno, la captura, el almacenamiento y el uso de carbono, y el almacenamiento de energía. 13 o La industria de la UE necesita «pioneros del clima y los recursos» que desarrollen las primeras aplicaciones comerciales de tecnologías de vanguardia en sectores industriales clave de aquí a 2030. Entre las áreas prioritarias figuran el hidrógeno limpio, las pilas de combustible y otros combustibles alternativos, el almacenamiento de energía, y la captura, el almacenamiento y la utilización de carbono. ➢ Transporte o Para lograr la neutralidad climática, es necesaria una reducción del 90 % de las emisiones procedentes del transporte de aquí a 2050. o Fomentar y aumentar la capacidad del transporte ferroviario junto con el fluvial como opción preferente del transporte multimodal, especialmente en mercancías. o Deben desaparecer las subvenciones a los combustibles fósiles. La Comisión examinará cuidadosamente las exenciones fiscales actuales, en particular para los combustibles del transporte aéreo y marítimo. Asimismo, la Comisión propondrá ampliar el comercio de derechos de emisión europeo al sector marítimo y reducir los derechos asignados gratuitamente a las líneas aéreas en el Régimen de Comercio de Derechos de Emisión de la UE. Esto se coordinará con una acción a nivel mundial, especialmente en la Organización de Aviación Civil Internacional y en la Organización Marítima Internacional. o La Comisión considerará opciones legislativas para impulsar la producción y utilización de combustibles alternativos sostenibles para los diferentes modos de transporte. Así pues, se pueden obtener las siguientes conclusiones: ✓ Se apunta a la aviación como fuerte agente contaminante, promocionando en cambio el uso del ferrocarril en un transporte multimodal. ✓ Se perseguirá el uso de combustibles fósiles, apostando en cambio por el uso de combustibles alternativos y del hidrógeno para movilidad y procesos industriales. 1.2.2.2. EU-ETS De manera específica se menciona el Régimen de Comercio de Derechos de Emisión de la UE, EU-ETS por sus siglas en inglés. Este mercado de emisiones contaminantes entró en funcionamiento en la Unión Europea en 2005, como parte de la respuesta al Protocolo de Kioto. Dividido en cuatro fases, la aviación entró a formar parte de este mercado en la tercera fase (2013-2020), aunque de manera parcial. Debido a discrepancias jurídicas con otras instituciones supranacionales, de manera temporal sólo los vuelos entre países de la UE están incluidos en este sistema. Actualmente se está ajustando con la OACI el funcionamiento de este sistema para coordinarlo con la entrada en funcionamiento a nivel global de su Plan de Compensación y Reducción de Carbono para la 14 Aviación Internacional, CORSIA por sus siglas en inglés. En Julio de 2021 se produjo una actualización del sistema EU-ETS [6]. En el presente trabajo, se calculará el coste de emisiones en EU como otro factor en la cadena de valor, ajustándolo al precio que aplique en cada momento. Es preciso explicar que se utilizará una combinación de EU-ETS y CORSIA por dos motivos: 1) EU-ETS ya está establecido y en funcionamiento. Aplica además al conjunto de la Unión Europea y la mayoría de sus industrias y transporte. Por su parte CORSIA se presenta como el mercado único y global de emisiones para la aviación. 2) Europa apunta a ser la punta de lanza del hidrógeno renovable, por lo que prever su despliegue dentro de la industria y la movilidad europea, incluida EU-ETS, se antoja vital. 1.2.3. Sector aeronáutico El sector de la aviación emite más de 900 millones de toneladas de CO2 al año, lo cual unido al resto de partículas emitidas a la atmósfera, convierte a la aviación en un agente contaminante. En 2008, Air Transport Action Group (ATAG), la principal coalición de la industria aeroespacial en materia de sostenibilidad fijó el objetivo de reducir al 50% sus emisiones de CO2 comparadas con las del año 2005. Por su parte, la OACI, como regulador de la aviación a nivel mundial ha tomado una serie de medidas recientemente que refuerzan el papel de liderazgo que le corresponde dentro de la aviación mundial. La organización entendió que las medidas incrementales propuestas previamente y que ya están parcialmente en práctica solo alcanzarían una reducción anual de las emisiones de un 2%, mientras que el crecimiento de la aviación estimado anual sería del 4%, algo más era necesario para alcanzar el objetivo de reducción de emisiones en 2050. De esta manera, y tras largas negociaciones entre las partes, se aprobó de manera definitiva en octubre de 2019 su ya mencionado Plan de Compensación y Reducción de Carbono para la Aviación Internacional (CORSIA). Se divide en tres fases: 1) 2021-2023: Fase piloto 2) 2024-2026: Primera fase voluntaria 3) 2027-2035: Fase obligatoria Mientras que las primeras dos fases son voluntarias, la tercera es obligatoria para la gran mayoría de las aerolíneas y países a nivel mundial, salvo contadas excepciones. No obstante, la gran mayoría de los países industrializados se han unido ya a la fase piloto. Originalmente 2020 era el año que se iba a utilizar como referencia, pero debido a la situación extraordinaria que ha supuesto para las aerolíneas, se ha decidido utilizar 2019 como año de referencia. 15 Ilustración 3: Escenarios de las emisiones de la aviación en función de las mejoras. Fuente: [6] Además, tanto la industria como las aerolíneas, los gestores aeroportuarios, los proveedores de sistemas de navegación y más eslabones de la cadena están plenamente involucrados en la reducción de las emisiones. Algunas de sus iniciativas se comentarán en detalle más adelante en el presente trabajo. De manera general, y en base a las opciones actuales, estas podrían clasificarse de la siguiente manera: ✓ Medidas incrementales: o Aerodinámica, navegación, aeroportuarias… o Uso de combustibles alternativos ▪ Biocombustibles ▪ Combustiblessintéticos ✓ Nuevas tecnologías disruptivas o Nuevas formas de propulsión basadas en hidrógeno ▪ Uso de pilas de combustible ▪ Uso para combustión En el presente trabajo se pondrá el foco en conocer la viabilidad de estas tecnologías disruptivas relacionadas con la propulsión. No desde el punto de vista de su aplicabilidad en aeronaves futuras, sino desde otro tanto o más importante como es saber la infraestructura necesaria para abastecer a una futura flota. Así como la viabilidad económica de su utilización a gran escala. 1.3. Competencia dentro de la sostenibilidad Por último, más allá de las medidas que se van a tomar para penalizar de manera directa las emisiones contaminantes, existen otros factores que la aviación debe tener en cuenta sobre su futuro. Como menciona [7], a partir de los 800km de alcance, el avión no tiene competidor por el momento. Si bien, hay dos factores que necesariamente impulsan a la aviación a avanzar hacia su descarbonización. 16 En primer lugar, la concienciación actual de la sociedad entorno al cambio climático. Puede llegar a provocar que un porcentaje cada vez mayor de la misma escoja otro medio de transporte frente al avión, debido a sus convicciones éticas [8]. En segundo lugar, nuevas formas de transporte aparecen en el horizonte como posible competencia real para el avión. Siendo, además, algunos de ellos, más eficientes y sostenibles que la aviación actual. Ejemplos como el Hyperloop [9], que plantea como una posibilidad real alcanzar los 1000 km/h como velocidad de crucero, avanzan con paso firme y están superando uno a uno los muchos desafíos tecnológicos que plantea [6]. Si bien, aunque no es una competencia real aún, la aviación no debe considerarse más como algo intocable en aquellos segmentos en los que lo es hoy en día. 17 2. Estado del arte de la descarbonización La aviación tiene un soberano desafío por delante en cuanto a la descarbonización de su sector. A continuación, se describen las particularidades de sus emisiones y cuáles son las opciones más prometedoras para paliarlas. 2.1. Emisiones de la aviación La combustión de un motor actual de avión emite unos 3.16 kilogramos de CO2 por cada kilogramo de queroseno quemado en vuelo [10], las cuales se quedan en la atmósfera por un periodo que va desde los 50 a los 100 años. Sin embargo, el CO2 no es la única de las emisiones contaminantes de los aviones, un avión también emite NOx, vapor de agua y hollín. El NOx actúa directamente sobre el ozono de la troposfera, contribuyendo a su generación. Sus efectos aún hoy están bajo estudio, pero se cree que su impacto puede ser del orden del provocado por el CO2. Por su parte, tanto el vapor de agua como el hollín constituyen una amenaza inferior al CO2. No obstante, su verdadero peligro es la combinación de ambos cuando dan lugar a las estelas de condensación y cirros artificiales a gran altura. La cuantificación de los efectos nocivos de estos dos elementos aún se encuentra en fases muy preliminares, pero simulaciones detalladas llevadas a cabo por prestigiosos centros de investigación respaldan las predicciones de que sus efectos pueden ser tan perjudiciales como los del CO2. De esta manera, aun teniendo en cuenta el grado de incertidumbre, basándose en los estudios científicos más recientes [11], para un avión que utiliza queroseno, los efectos totales en la atmósfera podrían ser entre dos y cuatro veces los que corresponden únicamente a las emisiones de CO2. 2.2. Unidades de medida de las emisiones El calentamiento global es un problema derivado de la emisión a la atmósfera de gases de efecto invernadero. Aunque el CO2 sea el más común, existen otros aún más perniciosos que también deben tenerse en cuenta. Es por eso que una manera muy efectiva de comparar distintos niveles de emisiones procedentes de distintos gases es la utilización de la unidad tCO2eq. O lo que es lo mismo, la tonelada de CO2 equivalente [12]. El CO2eq es una unidad de medida que indica el potencial de calentamiento global (GWP por sus siglas en inglés). Para medir el impacto en la atmósfera de diferentes gases utiliza como referencia el CO2, al que en su escala da el valor de 1. En cambio, otros gases tienen valores muy superiores en esa escala por tener un impacto mucho más pernicioso en la atmósfera, pese ser sus emisiones mucho mas bajas. De esta manera el CO2eq suma la cantidad total de emisiones de cada gas multiplicada por su factor de peligrosidad, lo que permite dar una visión global del nivel de contaminación de unas emisiones. Algunos de los gases que se miden son los siguientes: a) Dióxido de carbono (CO2) b) Metano (CH4) c) Óxido nitroso (N2O) d) Hexafluoruro de azufre (SF6) e) Perfluorocarburos (PFCs) 18 f) Hidrofluorocarburos (HFCs) Numerosos estudios recientes, así como instituciones competentes en la materia, comienzan ya a utilizar esta unidad para homogeneizar el estudio de las emisiones contaminantes, [11]. No obstante, tanto EU-ETS [12] como CORSIA [13], se centran casi exclusivamente en la medición del CO2, al menos por ahora. 2.3. Posibilidades para la descarbonización En el apartado 1.2.3, se comentó que existen dos posibles caminos para la descarbonización de la aviación. El primero comprende la implantación de mejoras incrementales en la aeronave, que paso a paso mejoren la eficiencia de los aviones y acerquen al objetivo de reducción de emisiones. Entre estas medidas se encuentra la utilización de combustibles sostenibles para aviación, cuyas posibilidades se tratarán a continuación. El segundo camino, más revolucionario, comprende la utilización de nuevas tecnologías de propulsión. 2.3.1. Mejoras incrementales La Coalición Internacional por la Aviación Sostenible (ICSA por sus siglas en inglés) calcula la mejora interanual de la eficiencia de la aviación, debida a las mejoras incrementales, entre un 2% y un 2,5% [8]. Cifra que concuerda con la que ofrecen otras organizaciones del sector. Recientemente, la Asociación Internacional de Transporte Aéreo (IATA por sus siglas en inglés) ha publicado un informe en el que muestra su visión de las tecnologías de aviación desde 2020 a 2050 [6]. En el mismo, se listan las principales opciones de mejoras incrementales como sigue: a) Aviones más eficientes, con menor consumo de combustible a) Uso de combustibles sostenibles en aviación (SAF por sus siglas en ingles) b) Operaciones en vuelo más eficientes c) Mejora del espacio aéreo y la infraestructura aeroportuaria d) Medidas de carácter económico Además, hace un comentario que, pese a ser cierto, no deja de ser llamativo. El informe menciona que el principal problema del uso del SAF es económico y no técnico, debido a que aún no se produce a unos precios que sean competitivos respecto al queroseno tradicional. También deja al hidrógeno de lado como una opción de futuro, salvo por la posible introducción de Pilas de Hidrógeno como reemplazo de las APU. Cuanto menos, llama la atención que una organización con el calado de la IATA obvie en su hoja de ruta tecnológica hasta 2050 el uso del hidrógeno y el SAF. Este informe también menciona al avión eléctrico como una de las principales opciones de cambio disruptivo. Si bien, existen otras fuentes del sector [11], con las que el autor concuerda, que acotan el avión eléctrico como una posibilidad real para el corto o muy corto radio, pero no escalable a otros rangos. Además de los desafíos técnicos sobre las baterías, la producción, gestión de estas y su reciclado es un problema de sostenibilidad que no cuenta ni parece contar con solución a corto plazo. Choca con la visión de economía circular que imperará en el futuro. Por ello se ha descartado su estudio en el presente documento. 19 Ilustración 4: Esquema de la plataforma Clean Sky Es por eso por lo que el presentedocumento espera arrojar luz sobre ambos campos, y espera dar a conocer las posibilidades y la viabilidad económica de ambas tecnologías, hidrógeno y SAF, como principal camino a la neutralidad en carbono de la aviación. Sin menoscabo de otras tecnologías incrementales que pudieran complementar, como el mencionado avión eléctrico. 2.3.2. Combustibles sostenibles para aviación La opción más prometedora que se plantea para reducir de manera incremental las emisiones a la atmósfera, son los combustibles sostenibles para aviación, más conocidos como SAF, por sus siglas en inglés. La Coalición Internacional para la Aviación Sostenible (ICSA, por sus siglas en inglés), entre otras instituciones competentes, sostiene esta afirmación y cifra su potencial de reducción de emisiones en un 80% en cálculo de ciclo de vida completo [8]. De la misma manera, expone el peligro de considerar a combustibles fósiles alternativos, con poca o ninguna mejora en el balance de emisiones, como opciones de combustibles alternativos para la aviación. [7] establece una comparación de detalle entre las opciones que existen en la actualidad de combustibles alternativos de fuentes renovables y no renovables. En el presente trabajo se ha decido enfocar el estudio únicamente a aquellos combustibles aceptados como SAF basándose en las siguientes razones: 1) Se han considerado las posiciones anunciadas por las instituciones competentes nacionales y supranacionales, que mayoritariamente apuestan por un transporte libre de combustibles fósiles 2) La crisis provocada por el Coronavirus ha acelerado la transición ecológica, acelerando las tecnologías “verdes” y reduciendo sus horizontes temporales. Los saltos en los próximos años serán cualitativos en vez de cuantitativos 20 Además, ICSA separa los combustibles renovables en dos tipologías, los biocombustibles y los combustibles PtL (Power-to-liquids), según su procedencia sea biológica o totalmente sintética [8]. Esta división no es baladí, ya que pone de manifiesto uno de los inconvenientes de los biocombustibles, la posible competencia de las materias primas utilizadas con otros usos. La OACI define que para ser considerado como SAF, el combustible alternativo para aviación debe cumplir los siguientes requisitos [14]: 1) Conseguir una reducción neta de emisiones de gases de efecto invernadero haciendo el cálculo del ciclo de vida 2) Respetar las áreas de gran importancia para la biodiversidad, conservación y beneficios para las poblaciones de los ecosistemas, de acuerdo con las regulaciones nacional e internacional 3) Contribuir a desarrollo socioeconómico local y evitar entrar en competencia con el alimento y el agua De esta manera, para hacer un mapeo adecuado entorno al SAF, es necesario conocer las tipologías que existen hoy en día basadas en sus materias primas, así como las ventajas e inconvenientes de cada una. 2.3.2.1. Biocombustibles El término biocombustible se utiliza para diferenciar a los combustibles fósiles tradicionales de aquellos que cuyo origen procede de materias primas alternativas, obtenidas de la naturaleza. El primer despliegue de biocombustibles en el transporte tuvo lugar en el transporte por carretera, donde ya se ha implementado, aunque de manera minoritaria en el mercado. Sin embargo, como se ha comentado, se debe también tener en cuenta el matiz fundamental de la sostenibilidad. En el pasado reciente se ha observado que, en muchos casos, la fabricación de biocombustibles ha traído consigo consecuencias también negativas para la naturaleza en función del cultivo utilizado como materia prima. Algunos ejemplos que citar son la deforestación, la sustitución de cultivos de uso humano para la producción de biocombustibles o la competencia por el agua y por la tierra de cultivo [15]. Teniendo en cuenta esta controversia alrededor de los biocombustibles, en el presente trabajo se decido focalizar el estudio a los biocombustibles SAF basándose en dos razones: 1) Una cuestión fundamental de las bondades del SAF es su cálculo de ciclo de vida completo, que quedaría muy mermado si se consideran los daños indirectos a los ecosistemas 2) La mayoría de las instituciones competentes respaldan el uso del SAF en la aviación frente a los biocombustibles corrientes [16] Dejando claro este importante matiz, a continuación, se exponen las materias primas que ya se utilizan para producir biocombustibles SAF y aquellas que se consideran potencialmente para su uso como tal. a) Residuos municipales Los residuos sólidos que provienen de los hogares y los negocios. Algunos ejemplos son: envases de productos, muebles, ropa, botellas, restos de césped, restos de comida o periódicos [15]. Además, esta opción permite también solucionar parte del problema de 21 economía circular y de emisiones de las grandes ciudades, demandado por el Pacto Verde Europeo [5]. Si no se utilizan estos residuos para producir SAF, se utilizarían recursos de las ciudades para su recogida, transporte, tratamiento y eliminación, posiblemente en vertederos donde emitan de manera continuada CO2 a la atmosfera [14]. Ilustración 5: Ciclo de los residuos municipales. Fuente: [14] b) Residuos de celulosa El excedente de madera, agricultura y residuos forestales puede ser utilizado para producir biocombustibles. Esta opción es especialmente interesante porque evita la competencia con tierra que pueda ser cultivable. Varios países, especialmente los países nórdicos, están desarrollando la tecnología, las cadenas de suministro y la demanda, para desarrollar a nivel industrial esta opción [16]. Aquella parte de los residuos municipales que contengan celulosa también podrían usarse en estos procesos. Ilustración 6: Tipos de residuos de celulosa c) Aceite usado y grasa animal Deshechos de aceite vegetal que ya se ha utilizado para cocinar o sebo animal procedente de las industrias cárnicas. El principal interés en esta materia prima es su bajo coste y la posibilidad de reducir la huella medioambiental que supone deshacerse de ellos. Se estima que anualmente se producen en el mundo 25 millones de toneladas de aceite usado y 5 millones de toneladas de grasa animal, lo que equivale a un 10% de la producción mundial actual de combustible de aviación. 22 Ilustración 7: Aceite de cocina usado d) Azúcar y almidón El cultivo de azúcar y almidón puede ser una opción para aquellos países en los que su producción esté ya escalada a nivel industrial, como Brasil o Estados Unidos [17]. Estos dos países suman el 85% de la producción mundial de etanol, obtenido de diferentes plantas de azúcar y almidón. Ilustración 8: Recogida de caña de azúcar e) Aceite de palma y de soja En términos absolutos, las plantas de soja y de palma son los principales cultivos de aceite vegetal a nivel mundial. Se usan tanto para alimentación como para producción de biodiesel. En el caso de este último, en 2015 se produjeron 30.000 millones de litros de biodiesel a partir de estos cultivos, con Estados Unidos y Brasil como principales productores, con 4.800 y 3.900 millones de litros respectivamente. Por su parte, los estados tropicales asiáticos, que agruparon el 82% de la producción de aceite de palma en 2013, están comenzado a expandir sus intereses en la producción de biodiesel. Como ventaja frente a otros cultivos como la soja o el girasol, la palma requiere cinco años de cultivo para una producción comercial de veinte años. 23 Ilustración 9: Aceite de palma y de soja f) Camelina Planta con gran contenido de aceite rico en lípido. El principal mercado del aceite de camelina es como materia prima para la producción de combustibles renovables. Normalmente se utiliza como cultivo rotacional junto con el trigo u otros cultivos, en vez de dejar la tierra en barbecho. Su rápido crecimiento permiteincluirla en el programa de rotación de los cultivos, incluso en el mismo año que el cultivo principal. Esto permite a su vez diversificar y reducir los monocultivos, que terminan degradando el suelo. Ilustración 10: Cultivo de camelina g) Jatropha Planta que contiene semillas tóxicas para el consumo humano y animal, con alto contenido de aceite rico en lípidos. Hasta un 40% de la masa de cada semilla es contenido de aceite, el cual puede usarse para producir combustibles renovables. Una gran ventaja de esta planta es que terrenos no aptos para los cultivos de uso humano, como zonas áridas o no cultivables. Recientes estudios en Egipto y varios países asiáticos, mostraron que su industrialización, no está asegurada, tanto por problemas técnicos como de escalabilidad [14]. 24 Ilustración 11: Jatropha h) Halophytes La ventaja de estas plantas es que crecen en zonas con alto contenido en sal, por ejemplo, cerca del mar, donde otros cultivos de uso humano no lo hacen. Países del golfo pérsico lideran las investigaciones sobre el posible uso de esta planta [17]. Ilustración 12: Halophytes i) Algae Uno de los cultivos con mayor proyección, dado su alto contenido en aceite, entorno al 60%; y su rápido crecimiento, hasta 15 veces más rápido que otros cultivos de aceite. Además, su capacidad para crecer en entornos hostiles como el desierto, evita que pueda competir con el cultivo humano. Aún en fase de estudio. Ilustración 13: Algae en el agua 25 2.3.2.2. Combustibles sintéticos Los combustibles sintéticos son aquellos hidrocarburos que provienen de fuentes no biológicas. Las materias primas son muy diversas, pero tienen en común que tras su tratamiento dan lugar también a combustibles alternativos y sostenibles. Esta posibilidad presenta la gran ventaja de que, al provenir las materias primas de fuentes no biológicas, elimina la posibilidad de competir con otros cultivos humanos. Actualmente hay muchos procesos de combustibles sintéticos en fase de estudio. El más prometedor, por lo avanzado de su tecnología es el conocido como Power-to-Liquids (PtL). El proceso funciona de la siguiente manera: 1) Se utiliza energía renovable para, mediante un proceso de electrólisis, obtener hidrógeno verde 2) Se obtiene CO2 mediante un proceso de captura, también utilizando energía renovable. Este hidrógeno puede capturarse de la atmósfera, de biomasa o de procesos industriales, con mayor coste, pero menos huella de carbono, respectivamente 3) Se combinan mediante un proceso químico para dar lugar al combustible sintético En la actualidad, el proceso Fischer Tropsch (FT), validado por la ASTM [18] para producir SAF, puede utilizar este hidrógeno, conocido también como gas sintético o syngas para dar lugar a synfuel o combustible sintético. [19]. Las principales ventajas e inconvenientes del combustible sintético frente a los biocombustibles se presentan en la Tabla 1. Si bien mientras que las ventajas se tratan de certezas, los inconvenientes son únicamente posibilidades o flecos que hay que explorar o asegurar. Por ejemplo, el synfuel, por su menor contenido en aromáticos genera menores emisiones directas de partículas [20]. Adicionalmente, mezclado al 50% con Jet-A1 tradicional, reduce la formación de estelas de condensación en un 20%. Además, en su proceso de generación, las emisiones netas indirectas también son menores [8]. Por otro lado, su sinergia con el sector del hidrógeno renovable, que está experimentando un crecimiento sin precedentes, se convierte en arma de doble filo, al significar también una inusitada competencia por obtener el gas como materia prima. Por último, la competencia de las fuentes de energía renovable, como paneles solares o aerogeneradores, con zonas de tierra cultivable, o la utilización del agua para electrólisis, es parte del desarrollo del sector del hidrógeno verde y habría que ajustarlo para que este sea sostenible. En cualquier caso, estos puntos sobre la infraestructura se discuten en mayor detalle en el apéndice sobre Infraestructura de la descarbonización. Tabla 1: Ventajas e inconvenientes de los synfuel frente a los biocombustibles Ventajas Inconvenientes No compite por los cultivos Necesario certificar origen de la energía Menos emisiones directas e indirectas Posible competencia por el agua o la tierra Sinergias con sector del hidrógeno Competencia con el sector del hidrógeno Mismos canales de distribución Aún no está en escala comercial 26 2.3.2.3. ASTM Además de conocer las materias primas de los combustibles, es imprescindible conocer los procesos aprobados por la ASTM 7566 para producir SAF [18]. Es decir, aquellos que demuestran que las características de sus productos son compatibles con los requerimientos necesarios para mezclarse con el Jet-A1, validado por la norma ASTM 1655 [21]. En la actualidad hay siete procesos químicos, incluidos en siete anexos a la norma ASTM7566, cuyo mayor porcentaje de mezcla con el Jet-A1 es del 50%. Si bien, se espera que en el futuro pueda aumentar y llegar a ser incluso del 100% [23]. Recientemente se ha generado un proceso rápido de validación, con un máximo de 10% de mezcla, que ha sido utilizado por primera vez en el anexo 7. En la Tabla 2 se exponen los siete caminos, así como sus porcentajes máximos de mezcla y posibles materias primas. Tabla 2: Procesos químicos aceptados para la producción de SAF. Fuente: [18] Abreviatura Combustible % Mezcla Materias primas (FT-SPK) Fischer-Tropsch Synthetic Paraffinic Kerosene 50% Hidrógeno. Biomasa de residuos municipales, agrícolas o forestales. Madera. (HEFA-SPK) Hydroprocessed Esters and Fatty Acids Synthetic Paraffinic Kerosene 50% Aceites vegetales. Grasa animal. Aceites reciclados. (HFS-SIP) Hydroprocessed Fermented Sugars to Synthetic Isoparaffins 10% Azucares (FT-SPK/A) Fischer-Tropsch Synthetic Paraffinic Kerosene with Aromatics 50% Hidrógeno verde. Biomasa de residuos municipales, agrícolas o forestales. Madera. (ATJ-SPK) Alcohol to Jet Synthetic Paraffinic Kerosene 50% Celulosa. Azucares. (CH-SK, or CHJ) Catalytic Hydrothermolysis Synthesized Kerosene 50% Ácidos grasos. (HC-HEFA- SPK) Hydrocarbon-hydroprocessed esters and fatty acids synthesized paraffinic kerosene 10% Algae 27 Ilustración 14: Procesos aceptados y en evaluación para la producción de SAF. Fuente: [20] 2.3.3. Hidrógeno Adicionalmente a las medidas incrementales, entre las que destaca el uso de combustibles sostenibles de aviación, se presentan las medidas revolucionarias o disruptivas. La IATA plantea la electrificación de la aviación, mediante un avión con baterías, como una posibilidad de reducir la huella de carbono de manera cualitativa [6]. Sin embargo, son muchas ya las voces que plantean, tanto desde la propia industria aeronáutica, como desde las instituciones reguladoras competentes, que la electrificación no es escalable más allá de la aviación regional de corto radio, y proponen el uso del hidrógeno como la verdadera herramienta que puede permitir una descarbonización casi completa de la aviación [11] [8]. 2.3.3.1. Propulsión con hidrógeno Existen dos posibilidades para la utilización del hidrógeno en la propulsión de la aviación, su utilización directa como combustible en un motor de combustión, o su utilización en una pila de combustible que genere electricidad. En el punto 2.3.3.2 se explica con mayor detalle las implicaciones tecnológicas que tendrían para la aeronave, pero a continuación vamos a explicar cuál sería su impacto en las emisiones generadas por la misma. 28 Ilustración 15: Posibilidades de propulsión a partir de hidrógeno y su impacto en las emisiones. Fuente: [11] Como se muestra en la Ilustración 15, la reducción de las emisiones contaminantes es desigualen función del tipo de propulsión y el compuesto al que nos refiramos. Ya se ha comentado la particularidad del synfuel, que puede y debe llegar a ser neto en emisiones de carbono, mediante el proceso de captura en su generación. Si bien, en conjunto, su potencial de reducción de emisiones se sitúa entre el 30% y el 60%, según los últimos estudios al respecto. Por su parte, la turbina de hidrógeno, si bien elimina de raíz el problema de las emisiones de carbono y atenúa en gran medida el NOx, aumenta las emisiones de vapor de agua. Con todo, la reducción de potencial impacto en el clima es de hasta un 75%. Finalmente, el uso de la pila de combustible reduce a cero las emisiones de CO2 y NOx. Y al mínimo las emisiones de cirros y estelas de condensación. En conjunto, la reducción de potencial impacto en el clima se estima entre un 75% y un 90%. 2.3.3.2. Posibilidades de propulsión con hidrógeno En la actualidad, dentro del cambio disruptivo que supondría introducir el hidrógeno como combustible en la aviación, existen principalmente dos posibilidades para este cambio, la turbina de hidrógeno y la pila de hidrógeno. Turbinas de Hidrógeno Quizá la opción de utilizar hidrógeno que a priori parece más directa es cambiar el combustible fósil de los actuales motores de turbina por hidrógeno puro, ejecutando los cambios que sean necesarios en el sistema propulsivo. Como se verá en el apartado 2.3.3.3, las implicaciones de esta modificación no serían baladíes como puede parecer, si bien, si se superan, las ventajas de quemar hidrógeno supera con creces a las desventajas. 29 En primer lugar, la principal motivación son las ya mencionadas mejoras en términos de emisiones. Pero no serían las únicas, en segundo lugar, el ratio de energía por unidad de masa del hidrógeno es el más alto de cualquier combustible obtenido químicamente, su densidad de energía es 2,5 veces mayor que la del keroseno [22]. No obstante, es en su ratio de energía por unidad de volumen donde la tecnología debe dar un salto. La única opción es utilizar hidrógeno líquido, y se necesitan cuatro veces más volumen de LH2 para conseguir la misma energía que con keroseno [23]. Ilustración 16: Esquema del Tu-155 A lo largo del siglo XX ha habido muchas iniciativas en el sector aeroespacial sobre la utilización del hidrógeno. La más clara, fue su utilización en los motores cohete de varias de las misiones espaciales de las NASA, como Centaur y Apollo, lo que fomentó su utilización también en los motores cohete de muchos fabricantes a nivel mundial [24]. Tanto es así que Airbus, dentro de su recientemente anunciado programa ZEROe, ha anunciado recientemente una colaboración de su equipo encargado del desarrollo del programa con el equipo del área de propulsión de su división de Defensa y Espacio, debido a su amplia experiencia con este combustible [25]. Sin embargo, es precisamente en el sector aeronáutico donde reside el interés actual de la industria. Algunas de los principales proyectos que exploraron el hidrógeno como combustible fueron los siguiente: Suntan (USA-1956), Tupolev Tu-155 (Soviet Union- 1988), CRYOPLANE (Europe- 2000), Hy-Shot (Australia- 2001), NASA X-43 (USA- 2004), Phantom Eye (USA-2013). En la actualidad, la experiencia de estos estudios previos, junto con las colaboraciones de los grandes fabricantes de aviones con compañías expertas en el sector del hidrógeno, son las que impulsan su despliegue en la aviación en los próximos años. Pilas de hidrógeno De manera similar a las baterías, las pilas de hidrógeno son dispositivos que convierten la energía almacenada en las moléculas de hidrógeno en electricidad mediante una reacción electroquímica, dejando como subproductos agua y calor, que pueden ser reaprovechados. 30 Ilustración 17: Esquema del funcionamiento de una pila de combustible PEMFC y SOFC. Fuente: [24] Se componen de dos electrodos (ánodo y cátodo) separados por un electrolito y de manera fundamental, su funcionamiento es el siguiente: 1) En el ánodo el hidrógeno reacciona con un catalizador y crea un ion cargado positivamente y un electrón cargado negativamente. 2) El protón pasa a través del electrolito, mientras que el electrón viaja a través del circuito y crea una corriente 3) En el cátodo, el oxígeno reacciona con el ion y el electrón formando agua y calor. Sobre esta base de funcionamiento, existen diferentes tipos de pilas en base a la reacción electroquímica, por sus siglas en inglés: • Proton Exchange Membrane Fuel Cell (PEMFC) • Solid Oxide Fuel Cells (SOFC) • Alkaline Fuel Cells (AFC) • Direct Methanol Fuel Cells (DMFC) • Phosphoric Acid Fuel Cells (PAFC) • Molten Carbonate Fuel Cells (MCFC) Fundamentalmente, para uso aeroespacial, se considera la pila de combustible de tipo PEMFC y SOFC, con mayor preponderancia de las de tipo PEMFC [24]. Las otras opciones, o bien se consideran poco óptimas para aplicaciones de movilidad, o bien aún están en fases muy tempranas de desarrollo [26]. Otros Finalmente, otra opción que actualmente está encima de la mesa, es la utilización de otros combustibles en vez de hidrógeno puro, pero producidos a partir del mismo gas, que por sus características podrían utilizarse y restar complejidad a los sistemas embarcados que habría que modificar. Uno de estos combustibles es el amoniaco, sencillo de producir también a partir de fuentes renovables, de transportar embarcado y a la vez con una creciente demanda en otros sectores [27]. No obstante, el estudio de estos combustibles queda fuera del alcance de este proyecto. 31 2.3.3.3. Mejoras tecnológicas necesarias Los ciclos de desarrollo de nuevos aviones ocurren aproximadamente cada quince o veinte años. Para los aviones de corto radio, la próxima ventana de oportunidad es 2030-2035 [6]. Para Airbus, en línea con este horizonte temporal, esta ventana de oportunidad viene asociada al despliegue del hidrógeno, y de esta manera, anunció su plan para desarrollar un avión de hidrogeno para 2035 [28]. Sin embargo, estos desarrollos vienen acompañados de importantes desafíos para los ingenieros aeronáuticos en los próximos quince años. De manera resumida, los principales desafíos se exponen a continuación [24] [11]: • Pilas de combustible o Las pilas de combustible necesitarían alcanzar mayor densidad energética, hasta un valor de 1.5-2 KW/kg. Este nuevo diseño deberá alcanzar unas eficiencias de entorno al 55-60%. o En potencias superiores al MW, el sistema de refrigeración requeriría optimizar también los intercambiadores de calor. o Asociadas a un sistema de baterías que permita equilibrar el flujo de energía al motor eléctrico. • Turbinas de hidrógeno o Mejorar la optimización del quemado para reducir las emisiones de NOx, que aun siendo bajas, siguen siendo contaminantes. o Alta velocidad de llama • Tanques de hidrógeno o La masa de tanque necesita reducirse en un 50% comparado con los actuales prototipos. La mayoría de los tanques de hidrógeno líquido son actualmente metálicos, si bien los tanques de tipo V (con material compuesto) están en alto nivel de desarrollo. o El hidrógeno líquido requiere cuatro veces más volumen que el queroseno, lo que afecta a la configuración del avión (centro de gravedad), su aerodinámica y su carga de pago o Se requiere aislamiento para evitar que el combustible sublime y obligue a bajar la presión en el tanque liberándolo a la atmósfera y bajando la eficiencia o Violentas reacciones exotérmicas si el hidrógeno se mezcla con oxígeno, pudiendo dar lugar a explosiones o Aumentar la vida a fatiga, que puede reducirse debido a los cambios de presión y temperatura (hasta 20K) abruptos, que también pueden dar lugar a fragilización del material por las bajas temperaturas. • Sistema de distribución o Peligro de fragilizacióndel sistema o Intercambiadores de calor que aprovechen su baja temperatura en forma líquida y a su vez aumenten la temperatura del combustible lo suficiente para pasarlo a gas, como se inyectaría en la cámara de combustión 32 2.3.3.4. Hidrógeno verde, azul y gris Además de los beneficios que tiene la utilización del hidrógeno en emisiones directas de la aeronave, hay que tener en cuenta el origen del hidrógeno para asegurar que una vez calculado el ciclo completo, este sigue siendo sostenible o neutro en carbono. De esta manera, en función del proceso seguido para obtener el hidrógeno, este puede clasificarse de la siguiente manera [29]. • Hidrógeno gris: Producido a partir de gas natural u otros hidrocarburos ligeros como el metano, o gases licuados de petróleo mediante procesos de reformado • Hidrógeno azul: Obtenido de forma similar al hidrógeno gris, pero al que se aplican técnicas de captura, uso y almacenamiento de carbono lo que permite reducir hasta un 95% las emisiones de CO2 del proceso • Hidrógeno verde: Hidrógeno generado a partir de electricidad renovable, utilizando como materia prima el agua, mediante un proceso de electrólisis • Otros: Existen otros caminos para la obtención de hidrogeno, como el hidrógeno negro o marrón, el obtenido a partir de biomasa, pero su grado de desarrollo es aún muy temprano y su impacto ambiental no está lo suficientemente claro. Actualmente, la mayoría del hidrógeno a nivel mundial se obtiene a partir del reformado de gas natural o metano, dando lugar a emisiones de carbono a la atmósfera. Como ejemplo, el 99% del hidrógeno consumido actualmente en España es hidrogeno gris [29]. 2.3.4. Aplicabilidad de SAF e hidrógeno por segmento Una vez expuestas ambas opciones, SAF e hidrógeno, es necesario entender que implicaciones económicas tiene su uso. Mientras que el SAF tiene como una de sus principales ventajas que no conlleva ninguna modificación en la aeronave, el hidrógeno si que exige modificaciones en la estructura de costes. Así pues, el impacto económico del SAF, no proviene de su uso en la aeronave, ya que es un producto equivalente al Jet A1 cuyo mayor impacto puede ser ligeras desviaciones en el consumo. El mayor impacto proviene de su propio precio en la actualidad, cuyo análisis se llevará a cabo más adelante en el presente proyecto. Por su parte, los desafíos que acompañan a la introducción del hidrógeno en la aviación no son meramente tecnológicos, como los expuestos en el punto 2.3.3.3, sino que también existen barreras económicas que deben ser superadas. De manera simplificada, los costes que aplican y que permiten comparar económicamente una tecnología sobre otra se pueden agrupar en los siguientes factores: • Costes de energía: Combinan el coste del combustible y el consumo de la aeronave. Tanto una como otra, se espera que sean superiores en los próximos años. Si bien, las economías de escala permitirán reducir los precios del hidrógeno y el synfuel. • CAPEX: El coste de la aeronave será mayor, debido a la incrementada complejidad y tamaño de los sistemas antes expuesta 33 • Mantenimiento: A corto plazo se estima que aumenten, debido al mayor tamaño de la aeronave, los nuevos sistemas y su curva de aprendizaje, pero a la larga podrían reducirse • Otros: Es posible que la disponibilidad de la aeronave sea inferior, por reducción en el alcance y mayores tiempos de repostaje. Esto, unido a una carga de pago inferior reduciría la eficiencia. El cálculo del coste detallado de la aeronave queda fuera del alcance de este proyecto, si bien su análisis pormenorizado se antoja de gran utilidad y sería un gran complemento a los resultados del presente proyecto. Por el momento, se utilizará como referencia los datos de la bibliografía existente más actual. De esta manera, concurriendo los desafíos tecnológicos y las barreras económicas, se plantean las opciones óptimas para cada uno de los segmentos de la aviación. De esta manera, a modo de resumen, se plantean las aeronaves en el segmento ejecutivo, regional, corto radio, medio- largo radio. 2.3.4.1. Ejecutivo & Regional Además de las iniciativas con hidrógeno ya mencionadas, el reciente impulso que ha adquirido esta tecnología también a ha dado pie a proyectos de demostración que permiten pensar en su despliegue a nivel global. Los primeros pasos se están produciendo en los segmentos más pequeños. Por ejemplo, la compañía Zeroavia, logró el pasado septiembre de 2020, el primer vuelo completo con una Piper M-class de 6 plazas reconvertida por una pila de hidrógeno, ambicionando conseguir un vuelo de 250 millas en un horizonte cercano, y llevando al cielo un avión ejecutivo de 19 plazas propulsado por hidrógeno en 2023 [30]. Esta no es sino una de las múltiples iniciativas en marcha, las cuales tienen en común que el hidrógeno se irá desplegando en la aviación desde segmentos más pequeños a los más grandes con un diferente grado de implantación. En el caso de los aviones ejecutivos, el esquema sería el que se muestra en la Ilustración 18. La propulsión podría llevarse a cabo con una propulsión eléctrica distribuida generada por pilas de hidrógeno. De esta manera las emisiones de CO2 se reducirían del todo, y el impacto total en el clima se reduciría casi por completo. El mayor peso máximo al despegue sería parcialmente compensado con una reducción en la energía necesaria. Comparando las performances esperadas de velocidad y alcance con aviones de última generación de su segmento, como las Cessna SkyCourier, se observa que estas serían similares [31]. 34 Ilustración 18: Esquema y órdenes de magnitud de un avión ejecutivo propulsado con hidrógeno. Fuente: [11] El esquema se mantendría para el avión regional (Ilustración 19), si bien, comparado con el avión de referencia de su mismo segmento, el ATR-72 [32], su rendimiento sería netamente inferior en cuanto a alcance y similar en cuanto a velocidad de crucero. Si bien, el coste de operación empieza a ser diferencial, con al menos un 10% más de coste por asiento-kilometro. Este es precisamente el motivo por el que planes de desarrollo como los IPCEI son necesarios para el desarrollo e implantación de nuevas tecnologías beneficiosas, pero con grandes barreras de entrada. Ilustración 19: Esquema y órdenes de magnitud de un avión regional propulsado con hidrógeno. Fuente: [11] 35 2.3.4.2. Corto radio Ilustración 20: Esquema y órdenes de magnitud de un avión de corto radio propulsado por hidrógeno. Fuente: [11] La Ilustración 20 muestra el esquema de un avión de corto radio con un sistema híbrido de propulsión. Por un lado, una pila de combustible sería la que haría girar el fan del avión en su fase de crucero, mientras que en el despegue la propulsión quedaría de la mano un motor de turbina propulsado por hidrógeno, alojado en forma líquida en dos tanques en el centro de la aeronave. En este caso, el cambio vendría acompañado de una reducción de hasta el 80% en impacto global sobre el clima, pero también de un aumento del 20% en coste por asiento-kilómetro disponible. Además, el aumento en del peso máximo en despegue vendría acompañado de una reducción en la carga de pago. Por su parte, la propulsión por pila de combustible reduciría la velocidad de crucero hasta Mach 0.72, muy por debajo del Mach 0.8+ al que vuelan los aviones actuales. El corto radio es el objetivo principal de la descarbonización, es el segmento con más pasajeros, número de vuelos y número de aviones, por lo que, para ser competitivo, debe alcanzarse una mejora respecto a este avión propuesto. Si bien, como avión de lanzamiento de una nueva tecnología que descarbonizaría por completo el sector de la aviación, haciéndolo de nuevo viable a corto, esta opción es lo suficientemente aceptable.
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