1. El impacto de la aviación sobre el medio ambiente
El transporte aéreo es un pilar fundamental del desarrollo económico y social global, conectando el mundo desde hace más de un siglo y facilitando el comercio, el turismo y las relaciones internacionales. Las líneas aéreas transportaron a 8.6 mil millones de pasajeros en 2023, en un sector que genera 88 millones de puestos de trabajo a nivel mundial [1]. Sin embargo, este sector es también un contribuyente significativo a las emisiones de gases de efecto invernadero, lo que ha generado una creciente preocupación sobre su impacto ambiental.
La creciente demanda de pasajeros ha impulsado un aumento en las emisiones de CO2. Por otro lado, la eficiencia de las plataformas tecnológicas (motores y aeronaves) ha mejorado un 85% desde la introducción de los primeros motores a reacción en la década de 1950 y un 54% desde 1990, considerando de forma conjunta la tecnología, las operaciones y el factor de ocupación. Mediante la implementación de nuevas tecnologías en motores y desarrollos en la aerodinámica y nuevos materiales, así como mejoras operativas y de infraestructuras, un vuelo realizado hoy genera, en promedio por pasajero, un 54,3% menos de CO₂ que el mismo vuelo en 1990 [2]. Se espera que en la próxima década se continúen logrando ahorros significativos de CO₂ gracias a la renovación continua de flotas, ya que los aviones de nueva generación disponibles actualmente ofrecen ahorros inmediatos de combustible y CO₂ del orden del 20-25% en comparación con la generación anterior.
Pero esto no es suficiente. Actualmente la aviación es responsable de algo más del 2.5% de las emisiones de gases efecto invernadero (principalmente CO₂) a nivel mundial. Si bien este porcentaje puede parecer modesto comparado con otros sectores como la ganadería o la industrial textil, la tasa de crecimiento del tráfico aéreo y la dependencia continua de combustibles fósiles muestran un aumento en las emisiones de un 25% para un periodo de diez años (2010-2020) y proyectan un incremento significativo en las próximas décadas. De hecho, las emisiones de CO₂ de la aviación podrían triplicarse para 2050 si no se toman medidas drásticas [3]. La naturaleza de las emisiones de los aviones, que se liberan a gran altitud, amplifica su impacto climático a través de efectos adicionales como la formación de estelas y cirros, que tienen un efecto de calentamiento adicional al del CO₂.
En un futuro más interconectado, con una demanda de pasajeros en constante aumento y en un contexto de crisis climática, el desarrollo de aeronaves más eficientes y con menores emisiones se convierte en una necesidad imperativa. Aunque existen diversos factores que contribuyen a mitigar el efecto de la aviación sobre el medio ambiente (diseño aerodinámico, mejora del tráfico aéreo, nuevos materiales, etc.) algunos de ellos, como las mejoras en la aerodinámica, parecen haber llegado a su límite, por lo que la única manera de conseguir una reducción drástica es mediante el cambio del sistema de propulsión. Y es aquí donde el hidrógeno verde puede jugar un papel fundamental.
2. Opciones para descarbonizar la aviación del futuro
Actualmente, las principales alternativas son:
a. SAF (Sustainable Aviation Fuel)
La principal opción a corto plazo para reducir el efecto de la aviación comercial es la sustitución del queroseno de aviación por el denominado SAF (Sustainable Aviation Fuel), combustible de aviación sostenible. SAF es un término amplio que engloba todos los combustibles sostenibles de aviación que reducen las emisiones de CO₂ respecto al queroseno convencional. La principal ventaja es que su uso no precisa de cambios significativos ni en los motores ni en las infraestructuras aeroportuarias, pudiendo mezclarse con el queroseno obtenido de fuentes fósiles. La mayoría del SAF disponible hoy procede de la vía HEFA (Hydrotreated Esters and Fatty Acids, aceites o grasas vegetales y residuos), lo que limita su expansión por la escasez de materias primas sostenibles y la posible competencia con la producción de alimentos. El SAF se puede mezclar con el queroseno convencional hasta en un 50% y usarse en los motores existentes en la actualidad (ya se han operado más de 350.000 vuelos con este combustible). A medio/largo plazo, se espera que los Electrocombustibles (e-fuel) o Power-to-Liquid sean la solución. Los e-fuels son combustibles sintéticos producidos a partir de electricidad renovable, agua y CO₂ capturado del aire o de fuentes industriales. Este tipo de SAF tiene como principales ventajas que no depende de biomasa ni de residuos, solo de agua, aire y energía renovable, posee un potencial de escalabilidad casi ilimitado y emisiones netas nulas. Desafortunadamente, se trata aún de una tecnología emergente con grandes desafíos por resolver, un coste de producción muy alto y una eficiencia muy baja, entre el 8 y el 12%.
b. Propulsión eléctrica:
Se basa en el uso de baterías para mover motores eléctricos acoplados a las hélices, sin ningún tipo de emisión (ni CO2, ni NOx ni estelas), además de reducción de ruido. El principal problema radica en el peso de las baterías, por lo que puede ser una buena solución para aeronaves pequeñas (drones o movilidad personal). En la actualidad hay aviones de hasta 19 plazas volando en modo eléctrico, y países como Noruega pretenden que todos sus vuelos domésticos sean eléctricos en 2040. Hay varias empresas en el mundo que se dedican a la propulsión eléctrica, como Dovetail (con una sede en España), que está adaptando aeronaves existentes para vuelos regionales de corta duración a este tipo de propulsión (y en un futuro en hibridación con pilas de combustible). Para extender algo más la autonomía, también se puede usar una propulsión híbrida entre baterías y motores de combustión actuales (con queroseno convencional o SAF).
c. Hidrógeno:
El hidrógeno denominado verde (aquél obtenido exclusivamente con fuentes de energía renovable) se perfila como un candidato para la propulsión de las aeronaves del futuro, ya que se trata de un combustible cuyo uso (combinación con el oxígeno para producir energía) solo produce agua como subproducto, estando por tanto totalmente libre de emisiones de CO₂. El hidrógeno posee una densidad energética tres veces mayor que el queroseno por unidad de masa, pero su baja densidad volumétrica plantea desafíos de almacenamiento, que requieren altas presiones o refrigeración criogénica. Además, el hidrógeno puede reducir la emisión de NOx y prevenir la formación de estelas, contribuyendo a mitigar otros impactos climáticos de la aviación.
¿Cómo convertir el hidrógeno en empuje? De dos formas principales: i) el hidrógeno se puede transformar directamente en electricidad en un dispositivo denominado pila de combustible mediante un procedimiento electroquímico que tiene alta eficiencia (del orden del 50%) y esta electricidad ser usada por motores eléctricos para mover hélices, ii) o puede quemarse directamente en un motor de combustión como los usados actualmente (turbinas de gas en sus distintas variedades). Estas dos formas se pueden combinar también en propulsores híbridos.
El principal escollo para el uso del hidrógeno en aeronaves es su almacenamiento, debido a su baja densidad, por lo que serán necesarios depósitos mucho mayores que los actuales y cambios fundamentales en el diseño de la aeronave. En esta línea, la empresa española Goahead Engineering ha desarrollado una tecnología para fabricar depósitos conformables en material compuesto, que se pueden adaptar a diversas formas tanto en el fuselaje como en el interior del ala, aprovechando al máximo el espacio disponible.
El otro inconveniente es la ausencia de infraestructuras para la generación y distribución del hidrógeno, aunque es un tema en el que se está avanzando mucho, ya que actualmente se está impulsando la generación de hidrógeno verde en Europa y especialmente en España. Una ventaja de este tipo de combustible es que su generación no está asociada a un determinado territorio (como los yacimientos de petróleo), lo que proporciona independencia energética y reduce riesgos geopolíticos.
El fabricante Airbus ha explorado varias propuestas para implantar el hidrógeno en los próximos años, lanzando en 2020 su programa ZEROe [4]. Desde esa fecha ha estudiado diversas configuraciones, tanto con pila de combustible como con motores de combustión y arquitecturas híbridas, centrándose a partir de 2025 en el desarrollo de una aeronave con 4 motores eléctricos alimentados cada uno de ellos con una pila de combustible de 1.2 MW. Hay muchos retos por afrontar, como el almacenamiento líquido del hidrógeno o la evacuación del calor producido en la pila, así como todo el ecosistema para el suministro de hidrógeno a los aeropuertos. Airbus planea realizar pruebas del sistema de propulsión en tierra en 2027.
La predicción del uso de nuevas tecnologías de propulsión según el Air Transport Action Group [2] para las tres opciones descritas se puede ver en la figura para un escenario optimista hasta el año 2050. Nótese cómo se mantiene en primer lugar el queroseno (bien sea convencional o SAF), al ser la única opción imprescindible para distancias largas (vuelos internacionales) y el hidrógeno va tomando mayor protagonismo, vinculado a los futuros desarrollos en pilas de combustible y almacenamiento. La propulsión eléctrica pura tendría un mercado limitado, centrado en vuelos regionales, movilidad urbana y drones.
3. El hidrógeno en aeronaves pequeñas: los drones:
Existe un creciente mercado para los aviones no tripulados (Unmanned Aerial Vehicles, UAV, conocidos popularmente como drones), tanto para aplicaciones civiles (monitorización, situaciones de emergencia, entretenimiento, entrega de paquetes, tareas agrícolas, supervisión en general, etc.) como militares. El mercado de este tipo de aeronaves alcanzó unos 30 mil millones de dólares en 2024, con un crecimiento esperado anual del 14.3% en los próximos años. A pesar de este rápido crecimiento, la adopción generalizada de drones se ve limitada por un factor crítico: la autonomía energética. Los drones tradicionales alimentados por baterías están restringidos por su relativamente baja densidad energética, acotando no solo el alcance operativo, sino también incrementando los tiempos de inactividad para la recarga, lo que reduce la eficiencia global y aumenta los costes.
Para hacer frente a estos desafíos, se puede recurrir a sistemas de propulsión híbridos que combinan baterías con las pilas de combustible de hidrógeno. Las pilas actuales ofrecen densidades energéticas hasta cinco veces mayores que las baterías de iones de litio, lo que permite tiempos de vuelo considerablemente más largos. Sin embargo, por sí solas no pueden satisfacer las demandas dinámicas de potencia de los drones durante el despegue, las maniobras o los cambios bruscos de carga, debido a sus tiempos de respuesta más lentos. Esto ha impulsado el desarrollo de sistemas híbridos que integran baterías para aportar picos de alta potencia y pilas de combustible para el suministro sostenido de energía.
En este contexto, la Escuela Técnica Superior de Ingeniería de la Universidad de Sevilla, en colaboración con la empresa Zelenza, ha desarrollado un UAV híbrido que combina propulsión por hidrógeno y baterías. La aeronave dispone de multirrotores para el despegue vertical y un ala fija para el vuelo de crucero, lo que permite una mayor autonomía que los drones multirrotores convencionales. Con una envergadura de 3,5 metros y capacidad para transportar 25 kg de carga útil, el sistema híbrido ha logrado multiplicar por 2,5 la autonomía en comparación con la configuración solo con baterías, alcanzando hasta 5 horas de vuelo cuando el hidrógeno se almacena a alta presión. En la fotografía se aprecia la aeronave junto con el sistema de pila de combustible integrado en el fuselaje.
Es importante destacar la necesidad de estrategias de control automático para gestionar de manera eficiente la energía proveniente de ambas fuentes (batería y pila) en las distintas fases de vuelo. En concreto, en este proyecto se han probado con éxito técnicas de inteligencia artificial (control borroso o fuzzy) así como técnicas de control predictivo, logrando optimizar los costes de operación al mismo tiempo que se prolonga la vida útil de los equipos.
4. Algunas conclusiones y temas abiertos
La aviación es un sector tradicionalmente muy cauteloso: innovador, pero con estrictos procesos de certificación para garantizar los estándares de seguridad de nuevas aeronaves. Una vez que las tecnologías mencionadas anteriormente alcancen la madurez técnica y puedan comercializarse, aún quedarán algunos desafíos adicionales que superar antes de que los pasajeros puedan volar en ellas, incluyendo certificaciones, la confianza suficiente de las aerolíneas para cambiar la flota, el entrenamiento del personal y la percepción del público. Estas tecnologías no solo deben ser viables, sino también competitivas en términos de costos operativos y eficiencia energética comparadas con los motores de combustión tradicionales.
Se espera una transición gradual desde los SAF actuales hasta el hidrógeno en los próximos 20-30 años, empezando por los aviones más pequeños con pilas de combustible hasta los medianos con combustión en turbinas. Para vuelos de largo recorrido, el uso de SAF continuará siendo necesario, evolucionando hacia e-fuels si la tecnología alcanza un nivel de desarrollo suficiente.
La implantación del hidrógeno dependerá mucho del desarrollo paralelo de los SAF, sobre todo de la consecución de e-fuel a bajo coste y también de la evolución de la industria del hidrógeno verde: generación, distribución y almacenamiento.
A diferencia de los combustibles fósiles, el hidrógeno no depende de yacimientos específicos, sino de la disponibilidad de energía renovable, lo que proporciona independencia energética y representa una gran oportunidad para España y Andalucía, una oportunidad que no debemos dejar pasar.
Referencias
[1] Airports Council International: https://aci.aero/2023/09/27/global-passenger-traffic-expected-to-recover-by-2024-and-reach-9-4-billion-passengers/
[2] Waypoint 2050 Air Transport Group https://aviationbenefits.org/environmental-efficiency/climate-action/waypoint-2050/
[3] D.S. Lee, D.W. Fahey, A. Skowron, M.R. Allen, U. Burkhardt, Q. Chen, S.J. Doherty, S. Freeman, et al. The contribution of global aviation to anthropogenic climate forcing for 2000 to 2018, Atmospheric Environment, Volume 244, 2021.
[4] Airbus. https://www.airbus.com/en/innovation/energy-transition/hydrogen/zeroe-our-hydrogen-powered-aircraft
Imagen destacada: Prototipo Airbus para aeronave «cero emisiones»
