La carrera consiste en reducir el costo de las tecnologías sostenibles de fabricación de combustible de aviación y aumentar la capacidad de producción.

Crédito de la foto: Andrey Andreyev en Unsplash

Los cielos verdes pueden emanar de la aurora: la luz de emisión de plasma de hermosos colores se muestra en el cielo de la tierra causada por partículas cargadas contenidas en el viento solar del sol que excitan las moléculas atmosféricas. También puede predecir una tormenta o un tornado inminentes, cuyo color verde es el resultado de la dispersión óptica y los efectos de transmisión de la luz que interactúa con las gotas de agua y las partículas de hielo en el cielo agitado. En este artículo, voy a compartir algunos conocimientos de vanguardia sobre el cielo azul para ayudar a hacer que nuestros cielos sean verdes a través de la visión de la aviación neta cero.

Lograr un tráfico aéreo neto cero con un plan de 10 mil millones de vuelos de pasajeros para 2050 es el objetivo ambicioso de la industria de la aviación emergente respetuosa con el medio ambiente. Hay pocas opciones de tecnología de energía verde disponibles para eliminar el 2.5% del CO global2 Emisiones de combustibles de aviación convencionales para revolucionar el vuelo. Los dos más probablemente son el hidrógeno y los combustibles sostenibles.

La batería de iones de litio no se considera un competidor serio para este papel debido a su muy baja densidad de energía gravimétrica en comparación con el hidrógeno, donde el hidrógeno en sí es tres veces más alto que el combustible de aviación convencional. La alta relación entre el peso de la batería y la potencia solo funciona con aviones de pasajeros muy pequeños que están siendo desarrollados activamente por varias empresas.

El hidrógeno tiene el potencial de impulsar aviones más grandes. De manera inconveniente, su baja densidad de energía volumétrica significa que debe comprimirse o licuarse criogénicamente para lograr la ventaja de la densidad de energía gravimétrica. Además, el hidrógeno debe almacenarse de manera segura en tanques fuertes y pesados ​​en la aeronave para alimentar una celda de combustible de hidrógeno o un motor de combustión de hidrógeno para impulsar la aeronave. El hidrógeno también requerirá una nueva infraestructura de transporte, almacenamiento y distribución que conecte las instalaciones de fabricación, los aeropuertos y los aviones.

Para almacenar la misma cantidad de energía, los tanques de almacenamiento de hidrógeno deben ser aproximadamente tres veces más grandes que los necesarios para el combustible de aviación sostenible. El espacio de almacenamiento adicional requerido para el hidrógeno significa aviones más grandes o cargas útiles más pequeñas. Los aviones más grandes tienen que transportar más combustible para compensar las pérdidas de energía debido a la fricción adicional. Las cargas útiles más pequeñas conducen a mayores costos de viaje.

La aviación con hidrógeno neto cero requiere electrólisis de agua generada por hidrógeno utilizando electricidad renovable. La electrólisis representa actualmente alrededor del uno por ciento de la producción actual de hidrógeno. Es aproximadamente cuatro veces más cara que la tecnología predominante; Reformado con vapor de metano fósil. Aunque algunas empresas, incluidas Hydro-Québec y Eni, están construyendo equipos de electrólisis, reduciendo costos y creando capacidad de producción suficiente para cumplir con todos los requisitos de H2 Se espera que los requisitos duren al menos una década o dos.

Los combustibles de aviación sostenibles incluyen biocombustibles y combustibles sintéticos hechos de CO2. Los biocombustibles se obtienen mediante el tratamiento químico de residuos agrícolas y diversos tipos de desechos. Los combustibles sintéticos se producen en un proceso de dos pasos con energía renovable en el que el dióxido de carbono se hidrogena catalíticamente a gas de síntesis, seguido de gas de síntesis a hidrocarburos. Además de sus beneficios de densidad energética, los combustibles de aviación sostenibles se pueden integrar fácilmente en los sistemas de infraestructura de combustible de aviación convencionales existentes en los aeropuertos.

Varias empresas, incluidas Neste, Gevo y Velocys, ya suministran biocombustibles a las aerolíneas. Las plantas existentes están ubicadas principalmente en Europa y EE. UU., Pero la capacidad está creciendo rápidamente y expandiéndose a otras regiones, incluida Asia. Las fuentes de biomasa varían según la ubicación. Es dudoso que se disponga de un suministro suficiente de biomasa sostenible para satisfacer la demanda mundial de combustible prevista.

La necesidad de electricidad se puede evitar por completo mediante la división química térmica solar de agua y dióxido de carbono para formar gas de síntesis utilizando un ciclo redox de óxido metálico, seguido del procesamiento del gas de síntesis en combustibles de hidrocarburos líquidos como el queroseno (Figura 1). Este ciclo termoquímico es impulsado por energía solar concentrada y fue demostrado por el proyecto SUN-to-LIQUID en la torre solar de IMDEA Energy en España, Figura 2 (izquierda). Las tecnologías de concentración solar, como las torres solares y los utensilios, están disponibles comercialmente para convertir la energía solar en calor de alta temperatura, que luego se convierte en energía química almacenada para la síntesis de combustible respetuosa con el medio ambiente. Sin embargo, la producción solar térmica de combustible de aviación está surgiendo, ya que solo unos pocos pequeños fabricantes como Synhelion están activos actualmente (Figura 2 (derecha)).

Figura 1. Escisión química térmica solar de H.2O y CO2 utilizando un ciclo redox de óxido metálico en gas de síntesis. El gas de síntesis se procesa en combustibles de transporte directos. Crédito de la foto: PREC ETH Zurich
Figura 2. (izquierda) Sistema solar de sol a líquido para la producción de queroseno a partir de H.2O y CO2;; Crédito de la foto: IMDEA Energy (derecha) Escalando la tecnología de combustible solar Synhelion. Crédito de la imagen: Synhelion

El desafío para la aviación neta cero será la necesidad de escalar la producción de combustibles de aviación sostenibles para satisfacer las necesidades anuales estimadas de 500 millones de toneladas para 2050. Si bien el hidrógeno y los combustibles sostenibles son los principales competidores, este último tiene varias ventajas sobre el hidrógeno. Varias empresas ya suministran biocombustibles para combustible de aviación, pero el suministro de biomasa sostenible puede limitar el alcance de esta opción.

La carrera consiste en reducir el costo de las tecnologías sostenibles de fabricación de combustible de aviación y aumentar la capacidad de producción. El objetivo es acabar con nuestra dependencia de combustibles fósiles más baratos y más abundantes, acelerar la transición energética a cero y hacer que nuestros cielos vuelvan a ser verdes.

Escrito por: Geoffrey Ozin

Solar Fuels Group, Universidad de Toronto, correo electrónico: g.ozin@utoronto.ca, sitio web: www.solarfuels.utoronto.ca.

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