Notas
 
Instituto Mexicano del Transporte
Publicación bimestral de divulgación externa

NOTAS núm. 50, enero-febrero 2000, artículo 3
Posibles cambios técnicos en aviación para el ahorro de energía y la reducción de emisiones contaminantes
 

El documento cuyo resumen se presenta, ofrece una visión de las alternativas tecnológicas que se tienen para el futuro desarrollo de aeronaves y motores y de su incidencia en la intensidad de uso de combustibles y en la reducción de contaminantes. A corto y mediano plazo, las mejoras propuestas para estos propósitos se darán por el mero objetivo de reducir los costos por consumo de combustible, pero en el largo plazo, ya se considera que un aumento en el precio de los combustibles o un cargo adicional al mismo, con intenciones ecológicas, podría ser un incentivo y un medio de financiamiento para desarrollar nuevas tecnologías. Desde luego, estos conceptos aún se encuentran en el nivel de estudios de prospección y no afectan la operación del transporte aéreo en el futuro inmediato.

Entre los diversos estudios de prospectiva que apoya la Organización para la Cooperación y Desarrollo Económico (OCDE), se encuentran los temas de protección al medio ambiente y de ahorro de energía, como sujetos de evaluación para posibles acciones futuras a tomarse conjuntamente por los países interesados. Las aeronaves no han causado gran preocupación por sus efectos como fuente de gases contaminantes, sin embargo, se ha determinado que los óxidos de nitrógeno NOx) emitidos por sus motores podrían actuar como precursores de este tipo de contaminación, lo cual, junto con el rápido crecimiento de la aviación a nivel mundial, ha llamado la atención de las organizaciones internacionales. Uno de los estudios en proceso ha producido el documento que a continuación se sintetiza y que trata de las mejoras tecnológicas que podrían darse en el futuro, con el aliciente de reducir el uso de combustible de aviación y las emisiones de contaminantes producidas por las aeronaves.

Se estima que durante la presente década la intensidad de uso del combustible.1 en servicios aéreos regulares de pasajeros caerá en 3 % por año en promedio y 2.5 % anualmente del año 2000 al 2010 (Balashov y Smith, 1992). Sin embargo, con el crecimiento anual del tráfico esperado de entre 5 y 5.5 %, el consumo de combustible total podría ser de alrededor del 65 % mayor en 2010 que en 1990.

En una revisión de los cambios tecnológicos potenciales en las aeronaves (Green, 1995), que aportarían eficiencia energética y de reducción de emisiones de gases de efectos invernadero (GHG) .2, se encontró que la intensidad de uso de energía en viajes aéreos al año 2015 podría reducirse entre 1 y 2 % por año, que implica una disminución del 21 al 37 % de esta intensidad en 2010 con relación a 1990.

Un informe de la Unidad de Apoyo Tecnológico para la Energía (Energy Technology Support Unit, ETSU, 1994) del Reino Unido señala que, históricamente, las mejoras en la eficiencia del uso del combustible han tomado dos formas: por una parte, se han dado avances graduales de la ingeniería en la tecnología aeronáutica en general, con reducciones de intensidad de energía de 1.9 % por año; por otra parte, han habido progresos por la introducción de nuevos tipos de motores y de aeronaves, que podrían ofrecer, en conjunto, reducciones de 15 a 20 % en el uso de combustible. El último de estos cambios ocurrió en los años setenta, con la introducción del motor turbofan de alta relación de derivación y de las aeronaves de fuselaje ancho de alta capacidad como el modelo Boeing 747. Se anticipa otro cambio al final de esta década, con otra generación de motores como el GE90 de General Electric utilizado en el avión Boeing 777.

Los progresos graduales futuros en el diseño de aeronaves, posiblemente incluirán nuevos materiales, mejores procesos de manufactura, novedosas técnicas de pegado de partes estructurales y mejoras en equipo de aviónica.3. Para los motores, posiblemente se contará también con nuevos materiales y procesos de manufactura, mejores sistemas de administración de consumo de combustible, mayores presiones de inyección, mejores diseños de cámaras de combustión, reducción de la fricción y más altas relaciones de presión. Se asume que todas estas mejoras serán introducidas como resultado de las fuerzas del mercado, sin la intervención de los gobiernos y sin ningún incremento en los costos de las aeronaves. Tales mejoras serán entonces logradas sin la imposición de algún impuesto al combustible de aviación. En la Tabla 1 se muestra la valoración efectuada en el informe de referencia (ETSU, 1994) de los motores hipotéticos que se tendrían en el futuro en el rango de 300 a 350 kilo-Newtons de empuje.

TABLA 1.- FUTUROS MOTORES DE AVIACION HIPOTETICOS

 

Tipo de motor

Turbofan 3a. Generación

Turbofan Avanzado *

Propfan

Turbofan Avanzado *

Se supone disponible

1995

2010

2000

2015

Eficiencia en 2015 **

13.3

9.9-10.7

11.0-12.5

9.0-10.5

Costo de capital (millones de libras esterlinas de 1990)

1995-2000

6.7

-

-

-

2000-2005

5.5-6.0

-

8.0-9.0

-

2005-2010

5.0-5.5

-

7.0-8.0

-

2010-2015

5.0-5.5

6.0-7.0

6.5-7.0

-

2015-2020

4.5-5.0

5.5-6.0

6.0-6.5

8.0-9.0

* Con inter enfriamiento y recuperación de calor.
** Eficiencia dada en miligramos de combustible por Newton de empuje en crucero.

Más allá del motor GE90, las mejoras en la intensidad de uso de combustible podrían venir de una gama de nuevos conceptos de motor y de planeador. El motor "propfan", que esencialmente es una turbina de gas con una hélice con palas curvadas, especialmente diseñadas para una operación a alta velocidad, es una opción que ha sido desarrollada por General Electric y Pratt and Whitney (Jane´s, 1991). Por lo pronto, se anticipan ahorros de energía del 10 al 20 % y, para mayores ahorros, se necesitarían desarrollar nuevas tecnologías. Un ejemplo podría ser el uso de cambiadores de calor avanzados para proveer enfriamiento a la entrada de aire y recuperación de calor del escape del motor. Estas tecnologías podrían, en teoría, dar ahorros de energía del 20 al 25 % (Grieb, Simon, 1990). Los conceptos de diseño de planeador, como los sistemas de "flujo laminar", para reducir la resistencia del aire a su paso por las superficies de la aeronave, pueden también disminuir el uso de energía en aproximadamente 10 % (ETSU, 1994). En el largo plazo, por ejemplo hacia el año 2040, serían posibles reducciones de 40 a 60 % en la intensidad de uso de energía, en relación con la tendencia básica del 1.9 % al año, como resultado de un impuesto al combustible de aviación, especialmente si el ingreso fuera usado para financiar más investigación en la nueva tecnología.

La Tabla 2 ofrece información sobre una opción que reduce la resistencia aerodinámica de la aeronave conocida como "tecnología de flujo laminar activo". En tanto hay muchos medios por los que se podría reducir la resistencia de la aeronave, éste fue el único cuya efectividad de costo fue valorada (ETSU, 1994) con base en estimaciones revisadas con fabricantes de equipo de vuelo y otros especialistas del Reino Unido. Esta tecnología implica conducir aire a través de finos agujeros en las superficies de las aeronaves y expelerlo vía el motor, para ajustar el flujo de aire sobre las mismas superficies, lo que reduce o elimina la turbulencia.

TABLA 2.- AHORROS DE COSTOS Y ENERGIA
POR EL FLUJO LAMINAR ACTIVO

 

SERVICIO

SOLO ALAS

ALAS, BARQUILLAS Y PLANO DE COLA

 

Ahorro de energía

Costo *

Ahorro de energía

Costo *

Doméstico

3 %

0.7-1.1

4 %

1.3-2.0

Internacional, corto y medio alcance

7 %

1.9-2.9

9 %

3.4-5.1

Internacional, largo alcance

10 %

2.1-3.1

13 %

3.6-5.5

* Costos en millones de libras esterlinas.

 

El análisis de la ETSU (Tabla 3) es consistente con el de Balashov y Smith, pero indica que algunas de sus predicciones sobre mejoras para la intensidad de uso de energía no se lograrían sin incrementos en el precio del combustible u otro estímulo para desarrollar la nueva tecnología. El desarrollo del motor "propfan" se inició al principio de los años ochenta, pero se suspendió después de que el precio del petróleo disminuyó en 1985/1986. Similarmente, los sistemas de flujo laminar ya han sido probados, pero parece que no serían comercializados sin una fuerte presión financiera.

TABLA 3.- EMISIONES DE MOTORES DE AERONAVES DE
DIFERENTES TECNOLOGIAS (ETSU, 1994)

 

TECNOLOGIA

NOX

CO

VOC *

CO2

Turbofan actual

0.3-0.5

0.3-0.4

0.05-0.1

67.8

Propfan avanzado

0.2

0.3-0.4

0.05-0.1

67.8

Metano

0.05

d

d

50.2

Hidrógeno

0.2

0

0

0

* VOC: Compuestos Orgánicos Volátiles.
d: despreciable.
Nota: Las emisiones están dadas en gramos/MJoule de combustible

Es casi imposible predecir con precisión qué ahorros resultarían de un nivel dado de cargos adicionales al precio del combustible para inhibir los aumentos en su consumo. En tanto, es ciertamente posible relacionar costo contra ahorro de energía. De este modo, las mejoras en los motores, que darían ahorros de energía de 20 a 25 % para aeronaves en el año 2010, podrían costar entre uno y dos millones de libras esterlinas (de 1.5 a 3 millones de dólares E.U.) más que un motor convencional, esto es, de 4 a 12 millones de dólares E.U. en costo adicional para una aeronave de cuatro motores. En el extremo inferior de este rango, el costo de los motores probablemente se recuperaría por los ahorros de combustible en alrededor de cinco años de vuelo; en el extremo superior, el costo podría tomar ocho años para su recuperación. En el primer caso, las aerolíneas muy bien podrían comprar los nuevos motores sin incentivos adicionales y un cargo sobre el combustible tendría un efecto menor, mientras que en el segundo caso, probablemente requerirían incentivos para comprarlos. Un cargo al combustible de 100 dólares E.U. por tonelada de carbón .4 resultaría en alrededor de un 25 % de ahorro de energía (Se supone que en 2010, una aeronave de largo alcance, tomada como base de la estimación, vuele 1.9 millones de kilómetros por año, use 14 litros de combustible por kilómetro, el costo del combustible es de 20 centavos de dólar E.U. por litro y un litro de combustible contiene 710 gramos de carbón).

A la incertidumbre acerca del costo de la nueva tecnología, con relación a la eficiencia de uso de energía, se añadirían las bases sobre las cuales las aerolíneas hicieran sus suposiciones, incluyendo el período de recuperación de la inversión, así como otras características de la nueva tecnología que influyan en su selección.

Reducción de las emisiones de óxidos de nitrógeno (NOX).

Los fabricantes de motores de aeronaves han estado trabajando sobre los cambios que se deben efectuar para reducir las emisiones de NOX, principalmente por la reglamentación existente para restringir estas emisiones durante el despegue y aterrizaje cerca de los aeropuertos. También hay preocupación por la posible reducción de la capa de ozono en la estratósfera, debida a las emisiones de NOX de las aeronaves en grandes altitudes de vuelo y de alta velocidad. Existe, en general, un conflicto entre los propósitos de reducir las emisiones de dióxido de carbono (CO2) y los de reducir las emisiones de NOX, porque las condiciones del motor que minimizan la formación de NOX son también aquellas que tienden a incrementar el consumo de combustible y, por lo tanto, la emisión de CO2. Al modificar las condiciones de combustión es posible lograr, en principio, reducciones substanciales de emisiones, tanto de CO2 como de NOX, sin comprometer la eficiencia ni la seguridad, en la operación de los motores. Los objetivos para la reducción de las emisiones de NOX están en la región del 75 al 80 %. Se esperaba que el motor GE90 produjera reducciones del 30 al 50 % usando el concepto de combustión por etapas (ETSU, 1994), pero esto no se ha logrado.

Combustibles de aviación alternos.

El hidrógeno y el metano han sido propuestos como combustibles alternos para aeronaves (Grieb, Simon, 1990). Se ha supuesto por la ETSU (1994) que un motor de hidrógeno líquido, que se desarrolle satisfactoriamente, tendría una ventaja relativa en intensidad de energía de 10 a 20 % con respecto al combustible actual para turborreactores, mientras que la ventaja del metano líquido sería de 5 a 10 % (ETSU, 1994). Ya que el hidrógeno líquido se produce a partir de energía renovable, su uso no resulta en emisiones de CO2, sino en altas emisiones de vapor de agua con efectos inciertos de irradiación. En tanto las emisiones de NOX de alto nivel pueden reducirse mucho por el uso de metano y las emisiones de vapor de agua serían mucho menores, pero el beneficio en la reducción de emisiones de CO2 sería menor que con el uso de hidrógeno.

No se dispone de estimaciones de costo confiables para aeronaves con combustible hidrógeno o metano. Sin embargo, no sería posible usar estos combustibles en las aeronaves existentes que fueron diseñadas y construidas para almacenar y consumir el combustible usado actualmente. La ETSU (1994) supuso que no hay efectos de largo plazo en los costos de los motores usando los nuevos combustibles. Por la necesidad de rediseñar y certificar las aeronaves, también se supuso que estos combustibles no serían introducidos antes del año 2010. La ETSU encontró que, con el precio del petróleo a aproximadamente el doble del actual o con un impuesto ecológico equivalente, el hidrógeno sí tiene un potencial teórico para hacer una contribución substancial como combustible de aeronaves, para el año 2025.

Referencias.

BALASHOV, B., Smith, A., 1992, "ICAO Analysis Trends in Fuel Consumption by World´s Airlines", ICAO Journal, August, 1992.

ETSU (Energy Technology Support Unit), 1994, "Appraisal of UK Energy Research, Development, Demonstration and Dissemination", Volume 7, Transport, HMSO, London.

GREEN, D.L., 1995, "Commercial Air Transport Energy Use and Emmisions: Is Technology Enough?". Presented at the 1995 Conference on Sustainable Transportation-Energy Strategies, July 31 to August 3, 1995, Asilomar CA. Prepared by Oak Ridge National Laboratory for the US Department of Energy under contract DE-AC05-840R21400, ORNL, Tennessy.

GRIEB, H., Simon B., 1990, "Pollutant Emissions of Exixting and Future Engines for Commercial Aircraft. In Air Traffic and the Enviroment - Background, Tendencies and Potencial Global Atmospheric Effects". Editor U. Schumann, Springer Verlag, Berlin.

JANE´S, 1991, "All the World´s Aircraft 1991-92", Editor M. Lambert, Jane´s Information Group, London.

 

 


* Síntesis y traducción del documento: MICHAELIS, Laurie, "Policies and Measures for Common Action.- Appendix D, Possible Technical Changes In Response to Fuel Charges (DRAFT)", dentro del marco de los trabajos de "Special Issues in Carbon/Energy Taxation: Carbon Charges on Aviation Fuels", Annex I Expert Group on the UN Framework Convention on Climate Change, supported by the Organisation for Economic Co-operation and Development (OECD) and the International Energy Agency, 1996.

1.- Intensidad de uso del combustible es el combustible consumido por tonelada-kilómetro transportada (N. del T.).

2.-: Greenhouse Gas.

3.- Se refiere a equipo electrónico para comunicaciones y navegación aérea (N. del T.).

4.- Tonelada de carbón emitido se refiere a la base de imposición del cargo ecológico al combustible (N. del T.).

 


Francisco Heredia Iturbe , Investigador del IMT

 

 
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