Combustible ecológico para aviones y aviación comercial

Desde el aceite de cocina usado hasta el queroseno parafínico sintético, el combustible de aviación sostenible es crucial para alcanzar los objetivos medioambientales mundiales, informa Nigel Pittaway

Un reciente informe del Grupo Intergubernamental de Expertos sobre el Cambio Climático (IPCC) de las Naciones Unidas sirve para destacar la importancia de los combustibles de aviación sostenibles y la necesidad urgente de reducir las emisiones globales de carbono.

El informe del IPCC, publicado en agosto de 2021, advierte que es probable que la Tierra alcance el umbral de 1,5 °C más de temperatura antes de 2035, diez años antes de lo previsto originalmente, y las conclusiones constituyen una importante lente a través de la cual ver los combustibles sostenibles para la aviación (SAF) y su papel para frenar los efectos del cambio climático.

ATAG
The Air Transport Action Group’s Waypoint 2050 report identified several pathways that aviation could take to meet the sector-wide plan to reduce net CO2 emissions by 50% in 2050 ATAG

En 2019, antes de que los viajes aéreos se vieran afectados por la pandemia del COVID-19, se estimaba que la aviación contribuía en un 2-3% a las emisiones totales de carbono del planeta. Aunque esto no parece mucho, según los expertos representa unos 900 millones de toneladas de dióxido de carbono (CO2) anuales, es decir, más o menos lo mismo que Alemania o Japón.

Según la empresa de datos y análisis GlobalData, las ventajas que ofrece el SAF sobre los combustibles convencionales para aviones, junto con los incentivos gubernamentales, harán que aumente la adopción del SAF como forma de reducir las emisiones de carbono.

Imperativo mundial
En la actualidad, la proporción aprobada de SAF con respecto al combustible convencional es del 50%, pero con la previsión de que el sector de la aviación se recupere de la pandemia y retome una trayectoria de crecimiento de al menos el 3% anual hasta 2050 o más tarde, el sector está sometido a una presión creciente para que la aumente.

Nicolas Jeuland, experto en "combustibles del futuro" del grupo aeroespacial Safran, advirtió: "El transporte aéreo experimentará un crecimiento masivo en los próximos años y esa es la cuestión principal.

"Tenemos que situar a la aviación en una trayectoria que nos lleve a cumplir con todas las limitaciones medioambientales. No se nos tratará de forma diferente".

La industria de la aviación experimenta ciclos muy largos de desarrollo tecnológico, a menudo tardando una década o más en diseñar, probar, desarrollar y certificar nuevos aviones, motores y tecnologías. Si se cumplen las predicciones climáticas del informe del IPCC, es posible que la industria ya no disponga de ese tiempo.

Jeuland explicó: "Tenemos una industria que es intrínsecamente difícil de descarbonizar y, si queremos descarbonizarla, está claro que es urgente desarrollar esta tecnología [SAF] ahora. No se trata de esperar a que una hipotética tecnología salga al mercado dentro de diez años. Dado el ciclo de vida de nuestra industria, tenemos que desarrollar esta tecnología ahora mismo".

Aunque hay nuevas tecnologías (al menos en lo que respecta a la aviación) que se están desarrollando, como los combustibles de hidrógeno o la propulsión eléctrica e híbrida-eléctrica, la sustitución de la amplia flota de aviones en servicio en todo el mundo hoy en día no se producirá rápidamente, incluso si estas nuevas tecnologías se demuestran viables en todo el espectro.

Por tanto, parece que el futuro de la aviación dependerá de una mezcla de tecnologías actuales y en desarrollo, pero SAF seguirá formando parte de esa mezcla durante muchos años.

Jeuland añadió: "La única solución para reducir masivamente la huella de CO2 es desarrollar las SAF. No es una cuestión de elección, no es una estrategia sencilla, no tenemos otra solución".

Sean Newsum, director de estrategia medioambiental de Boeing, está de acuerdo: "Consideramos que el SAF no es nuestra única estrategia, pero ciertamente es el punto de énfasis para las acciones que debemos tomar ahora para reducir las emisiones de la aviación a largo plazo", dijo. "Esto se debe a la ventaja inherente del enfoque de los combustibles sostenibles para abordar las emisiones de la flota existente, además de los futuros aviones que estamos desarrollando ahora y que serán en un futuro no muy lejano".

Definir el SAF
Hay siete vías diferentes para la producción de SAF, pero no todas son iguales y sólo cinco de esos siete procesos conducen actualmente a un combustible para aviones que puede mezclarse con Jet A/Jet A1 hasta una mezcla máxima del 50% sin ninguna modificación del motor o del fuselaje. Tres de ellos se están comercializando activamente y se denominan SAFs drop-in, porque no requieren ninguna modificación del avión o del motor.

Alaska Airlines
As part of Boeing’s ecoDemonstrator programme, a new Alaska Airlines 737-9 MAX is testing a range of enhancements aimed at reducing the impact on the environment Boeing

Para definir lo que es un SAF, a Gurhan Andac, experto en aditivos para combustible de GE Aviation, le gusta describir lo que no es un SAF: "SAF no es otra cosa que Jet A/Jet A1. Se supone que es otro combustible, algo exótico, pero en realidad es Jet A/Jet A1. Es la misma mezcla de hidrocarburos del rango del queroseno, las mismas moléculas. Sólo que procede de una materia prima diferente, de una fuente distinta", explicó.

Aunque las emisiones de los gases de escape de un motor de turbina de gas que quema SAF no son menores que las de un motor equivalente que quema Jet A/Jet A1, su impacto medioambiental se mide por la huella de carbono de todo su ciclo de vida, incluidas las cantidades secuestradas por la materia prima hasta su procesamiento.

Andac explicó: "La mezcla SAF es el componente sintético mezclado con un componente convencional de combustible de aviación y, si el componente sintético es sostenible, el producto final es SAF".

Por tanto, hay que tener en cuenta aspectos como las emisiones generadas durante el proceso de producción y durante el transporte de la biomasa a la refinería, así como las consideraciones tradicionales inherentes a la producción de Jet A/Jet A1.

Los procesos implicados
Aunque el procedimiento de refinado al que se somete el Jet A/Jet A1 es similar, los procesos para el SAF difieren según la materia prima. Un ejemplo de las vías actuales es la vía de los ésteres y ácidos grasos hidroprocesados (HEFA) del queroseno parafínico sintético (SPK), que utiliza materias primas tipificadas como residuos de aceite de cocina, grasas y aceites.

La vía del HEFA SPK es similar a la que produce biodiésel para el sector del transporte por carretera, que ha crecido a un ritmo significativo durante la última década y es la más madura, aunque con algunas limitaciones futuras en torno al suministro adecuado de materias primas. Una alternativa emergente es el proceso celulósico, que utiliza residuos municipales, forestales o agrícolas como materia prima y puede utilizar el proceso Fischer-Tropsch (FT) SPK, o uno que está desarrollando Fulcrum BioEnergy, que combina la tecnología de gasificación con un proceso FT.

Otra estrategia es la vía de combustible SPK Alcohol to Jet (AtJ), que utiliza un proceso de gasificación y luego convierte el gas en combustible para reactores haciéndolo pasar por alcohol (isobutenol o etanol) como producto intermedio, produciendo finalmente un sustituto de Jet A/Jet A1.

Las tecnologías futuras, como la vía PtL (Power to Liquid, a veces denominada E-Fuel) FT, cuya producción requiere electricidad, agua y una fuente concentrada de CO2, también pueden reducir la dependencia de las reservas adecuadas de biomasa.

Según Sean Newsum, de Boeing, la combinación de estas diferentes vías de FT es la clave del futuro. Explicó: "La combinación de estas tecnologías con los residuos agrícolas, los residuos forestales y los residuos municipales de todo el mundo tiene un enorme potencial respecto a los volúmenes de SAF que puede producir. La combinación de las vías HEFA, FT y ATJ [alcohol a chorro] podría producir colectivamente más de cinco millones de toneladas de SAF al año, lo que es suficiente para satisfacer la demanda a largo plazo de combustible para aviones hasta 2050. No se trata de si hay suficiente materia prima, sino de si se puede hacer práctica y comercialmente viable".

Una trilogía de desafíos
Nicolas Jeuland, de Safran, explica que el camino general hacia el uso de SAF tiene desafíos que pueden clasificarse bajo los amplios títulos de desafíos económicos, disponibilidad de biomasa y sostenibilidad. Jeuland dijo: "Parece que no hay limitaciones para desarrollar las vías de las SAF, pero actualmente tenemos casi cero SAF en el mercado. Es sólo una cuestión de creación de mercado, pero por el momento las vías de producción tienen un coste mínimo dos o tres veces superior al de los combustibles convencionales".

SAF
The process behind PtL (Power to Liquid), sometimes referred to as E-Fuel Airbus

Aunque sería sencillo cerrar la brecha de precios imponiendo gravámenes o impuestos, Jeuland advierte que la industria de la aviación es internacional y esta estrategia, si se aplica localmente, provocaría una distorsión del mercado: "Se trata de un problema importante que debe resolverse a nivel internacional, dependerá de la adopción voluntaria por parte de cada Estado y llevará algún tiempo", añadió.

La cuestión de la disponibilidad de la biomasa debe considerarse junto con las necesidades del transporte de superficie, que ha sido líder en el campo de la adopción de biocombustibles durante más de una década. Los nuevos avances tecnológicos, como los combustibles de hidrógeno y la propulsión eléctrica, pueden aliviar la presión sobre la disponibilidad de biomasa, pero Jeuland advierte que aún no están suficientemente desarrollados para la aviación comercial de largo alcance, por lo que la solución debe adaptarse a las necesidades individuales de cada sector del transporte.

Jeuland añadió: "Tenemos suficiente biomasa para la aviación, pero tenemos que decidir la mejor manera de descarbonizar todo el sector del transporte".

"En la aviación tenemos muchas limitaciones, pero el hecho es que no tenemos muchas soluciones. El transporte por carretera, por ejemplo, tiene otras soluciones disponibles, como la electrificación o la aplicación más fácil de combustibles de hidrógeno o biogás, etc."

El tercer problema, el de la sostenibilidad, está ligado a la disponibilidad de la biomasa, y tiene que tener en cuenta todo el ciclo de vida del carbono, incluida la competencia con la producción de alimentos, en cuanto al uso de la tierra y los recursos hídricos, etc. "Por eso debemos centrarnos en los residuos municipales o en los residuos forestales, pero, aunque no es la materia prima más cara, es la más difícil de transformar en SAE", explicó.

Desarrollar un futuro sostenible
Dado que es probable que el futuro de los SAF viables sea una combinación de combustibles con y sin adición, incluyendo combinaciones dentro de cada una de esas categorías, la necesidad de una norma internacional es fundamental. Gurhan Andac, de GE Aviation, preside también un grupo de trabajo dentro de la Sociedad Americana de Pruebas y Materiales (ASTM) Internacional, como parte de un esfuerzo de toda la industria para determinar cómo será el 100% en el futuro.

SAF Taxi
A rendering of an AirTaxi Hub: Boeing sees SAF as a key component of initiatives like this Boeing

Andac explicó: "Habrá SAFs que serán compatibles con toda la flota y, posiblemente, habrá SAFs que sólo sean compatibles con un subconjunto de esa flota por diversas razones: puede ser más respetuoso con el medio ambiente o quizás haya razones locales para que ese combustible tenga más sentido. Habrá fuerzas y factores locales que, en mi opinión, dictarán una solución multifacética. Creo que habrá una serie de opciones de SAF".

La hoja de ruta hacia el futuro será un proceso por etapas, con la progresión desde la mezcla actualmente aprobada del 50% hasta el 100% de SAF como primer paso, según destacó Andac: "Los esfuerzos iniciales consistirán en la aprobación del 100% de SAF, ya sea por una sola vía o por una mezcla de componentes, y creo que lo lograremos en los próximos dos o tres años. A continuación, estudiaremos la posibilidad de normalizar el SAF que no es de uso corriente y, al estar fuera de la norma Jet A/Jet A1, no será compatible en toda la flota".

Aunque el reciente informe del IPCC de las Naciones Unidas, mencionado al principio de este artículo, sugiere que hay una prioridad renovada en la reducción temprana de las emisiones de carbono, todavía queda mucho trabajo por hacer para conseguir una industria de transporte aéreo sostenible.

Sean Newsum, de Boeing, explicó: "Llevamos tiempo creyendo que los dos elementos clave para acelerar la producción y el uso de FAE son la inversión y los incentivos. La tecnología fundamental está ahí, las materias primas existen, sabemos cómo producir los combustibles. Lo que no tenemos son las condiciones económicas adecuadas para atraer a los inversores a invertir en la producción de combustibles, de modo que los productores y los compradores se vean incentivados a producirlos y comprarlos".

Newsum afirmó que el apoyo y los incentivos del gobierno son esenciales para que los inversores, los productores de combustible y las compañías aéreas puedan hacer funcionar la dinámica del negocio de las FAE y, por tanto, acelerar su crecimiento. Y añadió: "No hay ninguna persona o parte interesada dentro o fuera de la aviación que pueda hacer que esto ocurra por sí sola. Va a ser necesario que todos trabajen juntos, y nosotros nos comprometemos a seguir trabajando con todos en el sector".

Por lo tanto, parece seguro que SAF no es una solución provisional, sino que será clave para el futuro de una industria de la aviación sostenible incluso después de que los combustibles de hidrógeno y la propulsión eléctrica sean una realidad.

SafranyGE Aviation se alzan
Los fabricantes de motores Safran y GE Aviation están contribuyendo individualmente a la reducción de las emisiones de carbono a través del desarrollo de SAF, pero también se han asociado en el programa CFM Revolutionary Innovation for Sustainable Engines (RISE) para desarrollar tecnologías de plantas motrices que permitan alcanzar futuras eficiencias.

Safran, por ejemplo, está trabajando para utilizar el 100% de los SAF y comenzará las pruebas de vuelo de un helicóptero en el tercer trimestre de 2021, seguido de un Airbus A320 antes de finales de año.

Si bien ya se ha demostrado la utilización de SAF drop-in, se requiere la aprobación reglamentaria para aumentar la proporción más allá del límite actualmente aprobado del 50% y se está trabajando para explorar el uso de SAF no drop-in, que requerirá modificaciones en los motores y en los sistemas del fuselaje.

El experto del grupo "Combustibles del futuro" de Safran, Nicolas Jeuland, dijo: "Para finales de 2021 utilizaremos un 10% de SAF en todas nuestras actividades, especialmente en los motores nuevos. Para 2025, nuestro objetivo es superar el 35% de SAF en todas nuestras actividades. Está claro que esto costará mucho, pero hemos decidido hacerlo para apoyar el despliegue de SAF. Es un buen mensaje para promocionar nuestros motores de nueva construcción y demostrar que no dudamos de la compatibilidad de nuestra tecnología. No vemos el desarrollo de SAF como una limitación; es una oportunidad para promover una tecnología altamente eficiente que es totalmente compatible y claramente habrá oportunidades de mercado".

El experto en aditivos para combustible de GE Aviation, Gurhan Andac, describió la hoja de ruta que su empresa ha elaborado para desarrollar, evaluar y validar el uso de SAF al 100% en los motores, centrándose en los SAF no drop-in.

Andac explicó: "Tenemos un plan trazado para el 100% de SAF parafínico cuando sea una realidad y ya hemos volado con ese tipo de combustible. Por ejemplo, en 2018 volamos con el Boeing ecoDemonstrator utilizando un 100% de SPK [queroseno parafínico sintético], sin ninguna modificación en el motor. Durante la campaña de pruebas de vuelo de tres meses no se observaron problemas, pero tenemos que hacer un poco más de trabajo para evaluar y validar en todas nuestras plataformas y nuestras tecnologías nuevas y futuras."

En el marco del programa CFM RISE, lanzado en junio de 2021, GE y Safran pretenden explorar nuevas tecnologías para reducir las emisiones de carbono, incluido el desarrollo de motores de arquitectura de ventilador abierto (OFA) y el estudio de fuentes de energía alternativas. El objetivo es reducir el consumo de combustible y las emisiones de CO2 en un 20% en comparación con los motores actuales y se espera que el programa comience a probar un motor de demostración completo a mediados de la década de 2020.

Boeing: liderando la acción
La reducción de las emisiones de CO2 a lo largo del ciclo de vida de los FAE puede incrementarse mediante modificaciones en el diseño del fuselaje y del motor para hacerlos más eficientes y reducir el consumo de combustible en primera instancia.

SAF
LEAP is a high-bypass turbofan produced by CFM International, a 50-50 joint venture between GE Aviation and Safran. It features enhanced fuel consumption GE Aviation / Safran / LufthansaTechnik

Como uno de los mayores fabricantes de aviones comerciales del mundo, Boeing está invirtiendo en ambas estrategias y, en enero de 2021, la empresa anunció que se ha fijado el ambicioso objetivo de garantizar que sus aviones comerciales sean capaces y estén certificados para volar con un 100% de SAF en 2030.

El director de estrategia medioambiental de Boeing, Sean Newsum, explicó: "Hemos estado mejorando la eficiencia del combustible a un ritmo del 2% anual, desde hace varias décadas, y eso ha ayudado a contener el crecimiento de nuestra huella de emisiones de CO2, incluso cuando nuestro tráfico comercial general ha crecido a un ritmo del 4-5% anual. A medida que nos adentramos en la recuperación de la COVID-19 a escala mundial, esperamos que los viajes aéreos se recuperen a un nivel similar; queremos asegurarnos de que estamos haciendo todo lo posible para contener el crecimiento de las emisiones de CO2 a medida que se recupera el tráfico aéreo."

Boeing comenzó a trabajar con las aerolíneas para realizar vuelos de prueba de SAF (entonces llamado biocombustible) en 2008, obteniendo la aprobación reglamentaria en 2011. El primer vuelo comercial del mundo de un avión SAF (un Boeing 777 de carga perteneciente a Fedex) se realizó en 2018.

La aeronave formaba parte del programa ecoDemonstrator de Boeing que se lleva a cabo desde 2012 y, desde entonces, varias campañas de prueba han utilizado una serie de productos comerciales de la empresa. La campaña más reciente se puso en marcha en junio de 2021 y se lleva a cabo en colaboración con Alaska Airlines, utilizando uno de los nuevos aviones 737-9 MAX de la compañía para probar una serie de mejoras destinadas a reducir el impacto en el medio ambiente.

Más recientemente, el fabricante de fuselajes anunció en julio de 2021 que se ha asociado con SkyNRG para centrarse en la ampliación de la disponibilidad y el uso de los SAF. También invertirá en la planta de producción de SAF de SkyNRG Americas en los Estados Unidos, que será la primera instalación de producción dedicada en el país, suministrando a los aeropuertos y operadores de la Costa Oeste.

Newsum añadió: "Creo que tenemos que pasar a la acción. El proyecto [SkyNRG] no va a suponer un gran cambio en sí mismo. Sin embargo, creemos que invertir allí donde podamos, para atraer a otros inversores que produzcan combustibles y ayudar a enviar el mensaje de que realmente creemos que el SAF es la clave para la descarbonización de la aviación, dará lugar a una mayor franja de acción entre otras partes interesadas."