Baterías

Esta batería fabricada con materiales ultraligeros abre las puertas a los futuros aviones eléctricos

El sueño de sustituir los contaminantes motores de los aviones por sistemas eléctricos es un objetivo que poco a poco la evolución de la tecnología está permitiendo acercarse. Pero uno de los principales retos a superar es la cuestión del peso, que en un avión supone lastrar con miles de kilos el cuerpo. Es por eso que el avance de un grupo de investigadores suecos podría abrir las puertas gracias a un diseño estructural fabricado con materiales ligeros.

Este avance está siendo desarrollado por la Universidad de Tecnología de Chalmers, Suecia, que han diseñado el primer prototipo de una batería estructural hecha de materiales ultraligeros, entre ellos fibra de carbono, que funciona como electrodo, conductor, cuyo resultado puede ser un sistema perfecto para electrificar los aviones.

Con este sistema se podrán diseñar modelos de mayor autonomía y más eficientes. Para lograrlo han usado un tipo de fibra de carbono que, además de ser rígida y fuerte, tiene además una buena capacidad de almacenamiento energético. Algo que ya ha sido catalogado como uno de los mayores avances científicos del 2018 según la revista Science Daily.

La batería utiliza fibra de carbono como electrodo negativo y una lámina de aluminio recubierta de fosfato de hierro y litio como electrodo positivo. La fibra de carbono actúa como anfitrión del litio y almacena la energía, pero también conduce los electrones, eliminando la necesidad de conductores de cobre y plata y reduciendo aún más el peso.

Los dos materiales de los electrodos están separados por un tejido de fibra de vidrio en una matriz de electrolito estructural, que sirve para transportar los iones de litio entre los dos electrodos de la batería, al mismo tiempo que transfiere cargas mecánicas entre las fibras de carbono y otras partes.

Gracias a la fibra de carbono, los investigadores dicen haber solucionado la dicotomía de las baterías estructurales de contar con buenas capacidades mecánicas o eléctricas. Pero en este caso los responsables del proyecto indican que han conseguido desarrollar una batería estructural con una capacidad de almacenamiento competitiva, al mismo tiempo que logra una gran rigidez.

Según el equipo de desarrollo: «La batería estructural presentada tiene propiedades que superan con creces todo lo visto hasta ahora, en términos de almacenamiento de energía eléctrica, rigidez y resistencia, ofreciendo un rendimiento multifuncional 10 veces superior a los prototipos anteriores

Entonces si sus características son tan revolucionarias, por qué limitarlas a aplicaciones como la aviación. La respuesta puede ser en que a pesar del enorme salto tecnológico respecto a soluciones similares anteriores, este sistema tiene algunas limitaciones.

Entre ellas seguro estará el coste, del que no han hablado pero seguro será elevado. La otra razón está en que la densidad energética es todavía algo baja. Y eso que la cifra aunque pueda parecer muy pobre, realmente no lo es tanto.

Según los diseñadores, el último prototipo logra una densidad de 24 Wh/kg. Una cifra que podemos pensar es muy pequeña comparada con los 150 o más de 200 Wh/kg de las baterías de los coches eléctricos. Pero el uso de esta batería permitirá reducir de forma significativa el peso del conjunto, lo que compensará en gran parte su menor densidad.

En este caso hablamos de una batería que además añade rendimiento estructural, lo que se traduce en la menor necesidad de reforzar el cuerpo y por lo tanto un ahorro en materiales y peso.

Pero desde el equipo son conscientes de que para lograr una aplicación comercial será necesario aumentar la cifra de densidad energética. Para ello contarán con la ayuda de la Agencia Espacial Nacional Sueca, que está financiando un nuevo proyecto para aumentar aún más el rendimiento de la batería estructural reemplazando el papel de aluminio con fibra de carbono como material de carga en el electrodo positivo, proporcionando tanto una mayor rigidez como una densidad que rondará los 75 Wh/kg, con una rigidez de 75 GPa, lo que la hace tan fuerte como el aluminio, pero con un peso comparativamente mucho menor.

Los aviones eléctricos cruzarán el Atlántico en 2035

Una evolución que le permitirá ir poco a poco abriendo su arco de aplicaciones también a otros sectores, como el del coche eléctrico, las bicicletas, drones o satélites.

Un proyecto que busca reemplazar el separador de fibra de vidrio con una variante ultradelgada, proporcionando más densidad, pero también aumentando su vida útil y permitiendo acceder a potencias de carga más elevadas. Una iniciativa que esperan esté lista en 2023 momento en el que deberían comenzar las pruebas de los primeros prototipos funcionales.

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Fuente | Chalmers

Ver comentarios

    • Nada es imposible si se hace con un propósito abnegado en ayuda para la humanidad, el hombre tiene inteligencia ilimitada, la tierra los recursos correctos, un buen propósito e interés por cuidar el planeta los resultados serán asombrosos. Buena salud a ustedes.

      • El Creador del universo nos ve. Usemos juicio para no cometer errores garrafales.

  • Les deseo suerte cazando subvenciones. Y más suerte aún a quienes investigan la tecnología de hidrógeno, la única viable a día de hoy para aviones.

    • Según tú.

      El hidrógeno va a ser un fracaso, ojala y no inviertan mucho dinero público en ello.

      • Además de que no porque no, ¿puedes argumentar un poco más?

        Un dato solo: un Kg de H2 tiene 33kWh de energía, un Kg de las mejores baterías que puedes encontrar a día de hoy tiene 0,25kWh. ¿Este dato no te hace pensar en que quizá en aplicaciones donde la densidad gravimétrica sea un criterio pasa/no pasa el H2 tenga mucho más sentido que las baterías? Esos posicionamientos tan fanboy son tan absurdos como los de los petrolheads que dicen que antes van andando que en una lavadora con ruedas.

        • El H2 tiene otros problemas, como el del almacenamiento, que también pesa.

          • Incluso contando el almacenamiento sigue teniendo una densidad energética mucho mayor... con depósitos tipo 4 la cantidad de energía almacenada es muy superior a la de las mejores baterias... Es verdad que tiene desventajas frente a las baterías, pero también muchas ventajas. ¿Por qué denigrar de esta manera una tecnología que puede hacer que España se convierta en un país exportador de energía?

          • Con depósitos tipo 4 la densidad sigue siendo inalcanzable para las baterías, y por los desarrollos que hay ahora mismo no parece que a 10 años vista la situación vaya a cambiar.

          • Bienvenido a este foro Maikel, el foro del contigo o contra mi de los eloniebers =)

        • Un kg de hidrógeno cuesta fabricarlo 12 euros. Con el puedes recorrer 100 km en un coche de peso medio. Si un eléctrico puedes recorrer 100 km por 2 euros. Ojo que puede ser gratis si tienes una instalación fotovoltaica. Pues claramente el hidrógeno no tiene futuro. Además no tienes que ser esclavo de una hidrogenera.

        • Ya lo comenté en un post anterior, pero el problema del hidrógeno en aviación es que pese a su muy elevada cantidad de energía por unidad de masa, debido a su bajísima densidad (71 g/L, 14 veces menor que el agua) la cantidad de energía por unidad de volumen es muy desfavorable respecto al queroseno (10 MJ/L contra 35 MJ/L). De modo que para realizar un trayecto de la misma longitud tendrás que sacrificar un montón de espacio de carga y cabina (o sea, precios de transporte más caros para compensar).

          • Desconociendo el tema y los datos que expones, el dato energía/volumen no sería el relevante si es posible comprimir el hidrógeno, que supongo que será mas comprensible que el keroseno que es líquido a temperatura de uso.

            Pero desconozco hasta que punto se puede comprimir el hidrógeno.

            Al comprimir el hidrógeno habrá que meterlo en un depósito que resista esa presión lo que puede incrementar el peso del avión. Esto sí le restaría eficacia.

            De todos modos entiendo que los ingenieros aeronáuticos estarán estudiando todos estos factores intentando buscar una solución. Si hay actualmente o se diseñan materiales ligeros que soporten bien la presión a la que haya que almacenar el hidrógeno ni se ocuparía mas volumen ni se añadiría mas peso respecto a los actuales.

            Y el argumento de que aumentaría los precios es relativo. Pueden ser aviones que lleven menos pasajeros porque se sacrifica mas espacio para almacenar el hidrógeno necesario pero si los costes de explotación (combustible, mantenimiento,...) son menores se puede mantener el precio o incluso bajar.

            Y el precio del combustible es fundamentalmente los impuestos sobre combustibles así que es tan sencillo como no tasar el hidrógeno para que sea mucho mas barato.

            Pero el precio del vuelo está asociado de nuevo a muchas cosas que no son solo los gastos operativos, incluso en las compañías low-cost.

            Tienes las primas por pasajero que aterriza en tu aeropuerto pagados por las administraciones locales. El ayuntamiento o provincia paga a la compañía aérea una cantidad por cada pasajero que aterriza en su aeropuerto, dinero que va a compensar con creces con el gasto que el visitante va a hacer en hoteles, restaurantes, tiendas locales, el empleo que va a generar e incluso los ingresos por tasas o impuestos locales donde los haya.

            Y en cualquier caso, sea mas barato o no, si se quiere ir a vuelos no contaminantes no habrá otra solución. ¿Qué a lo mejor hay que pagar mas por los vuelos y no están al alcance de todos? Quizás.

            Bueno, la contabilidad es un arte y las cuentas se pueden echar de muchas maneras. Yo diría que no hay nada cerrado. A ver que solución nos ofrecen los ingenieros y si convence a los que tienen que tomar las decisiones.

          • Bueno, yo mismo soy ingeniero aeronáutico, pero al final esto no es más que mi opinión. Hay empresas, Airbus mismamente, que están investigando el tema así que alguna posibilidad le verán, pero las compañías aéreas históricamente han preferido no meterse en este berenjenal y sus planes incluso antes de la pandemia eran pagar créditos de carbono e invertir en la investigación sobre los combustibles sintéticos. Piensa que al final la aviación sólo representa el 3% de las emisiones globales.

            > Pero desconozco hasta que punto se puede comprimir el hidrógeno.

            Los valores que menciono son para el hidrógeno líquido, ya no se puede comprimir más.

            > Si hay actualmente o se diseñan materiales ligeros que soporten bien la presión a la que haya que almacenar el hidrógeno ni se ocuparía mas volumen ni se añadiría mas peso respecto a los actuales.

            El hidrógeno líquido ya hace décadas que se usa en cohetería, que aún tiene unas exigencias de masa más restrictivas aún que la aviación. El problema no es la presión, sino que se tiene que mantener a -253 ºC, con toda la masa de aislante térmico que eso supone, y que aún así tiene pérdidas continuas por evaporación. Lo del volumen no hay nada que hacer porque la densidad energética es la que es, o te resignas a un tercio del alcance que es posible con queroseno o pones depósitos 3,5 veces más grandes, y entonces o bien los sacas de la bodega y la cabina o redimensionas todo el avión a su alrededor, haciéndolo más grande y por tanto más pesado (o sea, con menos alcance). Por todos estos motivos hasta los fabricantes de cohetes están pasándose del hidrógeno líquido al metano líquido, que tiene una combustión menos eficiente y es criogénico igual pero con muchos menos problemas.

            > Pueden ser aviones que lleven menos pasajeros porque se sacrifica mas espacio para almacenar el hidrógeno necesario pero si los costes de explotación (combustible, mantenimiento,…) son menores se puede mantener el precio o incluso bajar.

            El hidrógeno líquido sería más caro seguro. Entre la cantidad de energía necesaria para refrigerarlo a estas temperaturas y lo difícil de manipular que es... no quiero ni imaginarme los mantenimientos.

          • Me autocorrijo, el hidrógeno sí que se puede comprimir a densidades más altas, combinando la criogenización con presiones muy elevadas:

            https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/9/90/Storage_Density_of_Hydrogen.jpg

            La verdad es que no tenía ni idea. Sólo estaba familiarizado con los tanques de cohetes como el Ariane 5, que al funcionar a 2,5 bar sí que deben mantenerse a -253 ºC. Pues resulta que en su momento BMW estudió un sistema de almacenamiento a 350 bar y -230 ºC que aumentaba la densidad del hidrógeno a 80 g/L.

            https://stfc.ukri.org/stfc/cache/file/F45B669C-73BF-495B-B843DCDF50E8B5A5.pdf

            Lo que pasa es que volvemos a toparnos con el archienemigo del mundo aeroespacial: El peso.

            Mientras que la etapa principal del Ariane 5 almacena 390 m^3 de hidrógeno líquido (unas 27,6 toneladas), su peso total en vacío es de 12,3 t. No he encontrado la masa del tanque de hidrógeno en concreto, pero descontando los 2.040 kg del motor Vulcain me da unas 10,3 t, lo que incluye toda la estructura (tanque de hidrógeno y oxígeno, el separador entre ambas partes, tuberías, fuselaje, etc.)

            http://www.esa.int/esapub/achievements/Sc72s6.pdf
            https://fr.wikipedia.org/wiki/Vulcain_(moteur-fus%C3%A9e)

            En cambio, según la presentación de BMW su sistema de almacenamiento pesa unos 145 kg, incluidos tan sólo 7,8 kg de hidrógeno criocomprimido.

            Es decir, que el aumento de densidad del hidrógeno gracias a la criocompresión no compensa para nada el de la masa estructural de los tanques necesario para contenerlo en ese estado. En automoción no importa demasiado, pero en aviación es fatal.

          • Mr H, se agradece mucho tu explicación, sobre todo aquí, donde se polemiza mucho , a la vez que se ignoran los argumentos.

  • Yo no se si el problema de los aviones eléctricos es el peso de las baterias. Todos sabemos lo pesado que es cualquier tanque lleno de liquido, pues un A380 puede levantar al aire un tanque de 296.000 kilos de liquido lo que es una verdadera monstruosidad. Claro, imagino que el problema de meter una bateria en el avión de 296.000 kilos es el coste y como la cargas, porque el tema del peso al aterrizar se podria solucionar reforzando muchisimo la estructura del aparato. Quizá la clave está en conseguir densidades energéticas muchisimo mayores que las actuales.

    • Hombre, la densidad energética de una batería es de 200Wh/kg es de 12.000Wh/kg.

      El resto puede solucionarse con ingeniería, pero las 60 veces menor densidad de las baterías implican como poco ~60 veces menos alcance a mismo peso de despegue.

      Con esta ayuda de baterías estructurales de 75Wh/kg puedes aumentar la autonomía un 25%. Sigue sin ser práctico para grandes aviones.

      A medio plazo solo veremos avionetas eléctricas y aviones pequeños lentos y de gran envergadura alar de corto alcance, tipo vuelos entre islas de 200-500km.

      En ciencia ficción podemos soñar con algún tipo de supercondensador superdenso o un reactor de fusión pequeño que quepa en un avión, o una batería de antimateria-materia. Soñar es gratis.

      • Te falta tener en cuenta que uno eléctrico no necesita tanta energía porque sería bastante más eficiente. Las turbinas que rendimiento energético tienen? Un 30%? Los motores eléctricos estan al 90%...

        • No te confundas, una turbina no es ni medio comparable a un motor de piston, su eficiencia es perfectamente comparable a la de un motor eléctrico.

          • Seguro? Me cuesta creerlo con la de calor y ruido que sueltan... en que porcentage estan las nuevas Rolls-Royce Trent?

    • Haz las cuentas bien. La cifra que dices suena muy gorda, pero la realidad es que no da ni para empezar.

      La cuenta es bien sencilla: Para igualar la energía de un kg de keroseno, necesitas un montón de kilos de batería. Y, si encima tienes que reforzar la estructura, pues suma y sigue.

      Sólo te ahorras peso en los motores, pero no compensas el peso de las baterías ni borracho.

  • No veo cómo resuelven el problema del reciclaje. Además poca eficiencia, y muy caras, por la fibra de carbono . . . . .por si acaso ya meten células solares o pintura solar en los dibujitos, sabiendo que es la única manera de ahorrar baterías.
    Salu2 :-)

    • ya lo has dicho tu, es que me sonaba mogollón la imagen, claro viene de la misma fuente.... pero es curioso que con el primero no enlazan la noticia y en esta si.

      Digamos de la misma noticia, dos y la última mas relacionada con la fuente.

  • Pues si ponemos un avión no muy grande que pese 50 toneladas vacío podemos suponer que por lo menos un 50% es aluminio estructural. Eso nos da 25 toneladas. A 24 KWh/T, nos da 600kWh.

    Ese avión debería llevar unos 30.000 litros de combustible, que con la eficiencia del motor al 35% nos podrían dar.... muchos más kWh que esa batería. Acepto collejas si hay algún experto por aquí.

    A mi me parece muy interesante esta idea. Supongo que el primer paso será conseguir aviones híbridos que puedan realizar los primeros 5min y los últimos 5 min del vuelo. Eso ahorraría mucha contaminación acústica y medioambiental en las cercanías de los aeropuertos. Bueno, acústica no estoy seguro.

      • El tema es muy interesante.
        Entonces, si el avión lleva tanto combustible y lleva unas 200 personas, consume por viaje unos 150K de queroseno por pasajero?
        Como puede ser eso rentable, con, por ejemplo, vuelos low cost?

        • Haz la cuenta bien.

          30.000 entre 200 igual a 150 litros, no 150 K por pasajero.

    • Primera colleja: una turbina de aviación es mucho más eficiente que un motor de pistón. Así que ya puedes subir ese 35% a más del doble.

      • Yo tenia entendido por lo que he indagado que un turbofán moderno tiene un rendimiento de un 60% y tu hablas de cerca de 80%, ¿Donde podría encontrar esos datos?

  • Si las densidades de 150 o 160 Wh/kg de las baterias que mueven los EV,s ya nos parecen poco. Como van a mover una avión una bateria con una densidad de 75Wh/kg., por muy ligera que sea?

  • Ya lo dijimos hace poco en el foro.
    Con las baterías estructurales y con la mejora de la capacidad de estas, los aviones en el futuro, serán eléctricos.

    No creo que pasen más de cuatro años, para ver aviones de corto y medio alcance volando con tecnología eléctrica.

    Es decir, la batería será la estructura y moverá motores eléctricos.

    Ni hidrogeno ni ningún combustible raro.
    Serán aviones eléctricos 100%.

  • Yo, como ignorante que soy me pregunto, ? Por que no baterías estructúrales, así se ahorrarían peso de una estructura inútil. Creo que nos queda mucho por desarrollar, están saliendo muchas novedades en el campo de la electrificación y estoy seguro que muchas cuajarán.

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