Grandes pasos hacia tecnologías de propulsión híbrida de alto rendimiento en aeronaves de próxima generación
El proyecto financiado con fondos europeos HASTECS, que reunió a expertos en ingeniería eléctrica, química y térmica, evaluó y optimizó arquitecturas para propulsión híbrida, una tecnología en evolución que podría producir reducir en gran medida las emisiones de CO2 de las aeronaves del futuro. Al igual que en los automóviles híbridos, la tecnología complementa los motores de combustión interna tradicionales que queman combustible con motores eléctricos que usan energía de fuentes auxiliares como baterías o pilas de combustible. A pesar de su potencial prometedor, los sistemas eléctricos requieren avances en electrónica de potencia para manejar las cargas cada vez mayores y necesitan disipar el calor creado por las pérdidas en la cadena de energía eléctrica. Además, el peso y el consumo de combustible añadidos por los componentes eléctricos adicionales deben compensarse con sistemas de muy alto rendimiento energético. «Centrándonos en aeronaves regionales diseñadas para volar con hasta 70 pasajeros en rutas cortas, desarrollamos modelos y diseñamos herramientas para optimizar la propulsión híbrida. Nuestras actividades abarcaron todo el espectro de la cadena de energía eléctrica híbrida: máquinas eléctricas, refrigeración, electrónica de potencia y gestión térmica», señala Xavier Roboam, director de investigación en el laboratorio LAPLACE de la Universidad de Toulouse (Francia) y coordinador de HASTECS.
Motores eléctricos de alto rendimiento
Los investigadores de LAPLACE desvelaron motores eléctricos con potencias específicas elevadas que superaban los 11 kW/kg (incluido el dispositivo de refrigeración). La alta eficiencia eléctrica comunicada (superior al 97 %) se atribuye al motor síncrono de imanes permanentes de alto rendimiento equipado con una matriz Halbach. Los bobinados especiales y las láminas magnéticas ultrafinas que limitan las pérdidas de alta frecuencia también fueron cruciales para obtener una eficiencia tan excelente. La eficiencia de conversión electromecánica debe ir de la mano de unos sistemas de refrigeración igualmente potentes, para lo cual los investigadores del Prime Institute usaron una mezcla de glicol y agua como refrigerante para el rotor y el estátor, y añadieron tuberías de refrigeración dentro de las ranuras del estátor a fin de conseguir potencias específicas aún mayores. «Obtener potencias específicas de más de 10 kW/kg en motores de aeronaves es un verdadero avance y desmerece el rendimiento de los vehículos eléctricos. El motor de los vehículos eléctricos Tesla, junto con su sistema de refrigeración, posee una potencia específica de menos de 4 kW/kg», explica Roboam.
Optimización de la electrónica de potencia, la refrigeración y la distribución de alto voltaje
Los investigadores de LAPLACE también realizaron una labor impresionante en el control y la conversión de la energía eléctrica. El uso combinado de un bus de alta tensión (2 kV) con una estructura mecánica optimizada, los mejores componentes electrónicos, transistores bipolares de puerta aislada de séptima generación y estrategias de modulación optimizadas para diversos convertidores multinivel demostró ser especialmente eficaz para el diseño de sistemas electrónicos de potencia compactos y eficientes. El Prime Institute, junto con los investigadores del laboratorio LAPLACE, también propusieron un sistema de refrigeración en dos fases de alto rendimiento. «En el sistema electrónico de potencia, 1 kg del dispositivo de refrigeración puede eliminar 4,5 kW de pérdidas de calor, lo que permite que la potencia específica del sistema de conversión de potencia supere los 30 kW/kg, valor muy superior a los ambiciosos objetivos establecidos por la industria aeronáutica», destaca Roboam. «En el esfuerzo por aumentar la capacidad de las fuentes de energía eléctrica mediante la investigación de niveles de voltaje sin precedentes, uno de los desafíos son las descargas parciales», explica Roboam. Este fenómeno, provocado por la fatiga de los materiales aislantes expuestos a niveles de alta tensión, degrada el equipo y también puede causar pérdidas de potencia. Para contrarrestar este efecto, los investigadores de LAPLACE propusieron el uso de materiales aislantes más resistentes (tolerantes a descargas parciales) compatibles con buses de tensión con una tensión de entre 1,5 y 2 kV. La optimización del sistema de propulsión ha completado los estudios realizados por HASTECS y ha puesto de relieve interacciones inesperadas. HASTECS ha sido un verdadero éxito tecnológico y científico, que ha demostrado diseños de componentes de potencia a bordo con potencias específicas elevadas. «Nuestro trabajo revolucionario allana el camino a los primeros sistemas de propulsión prácticos de unas futuras aeronaves híbridas eléctricas más respetuosas con el medio ambiente», concluye Roboam.
Palabras clave
HASTECS, refrigeración, potencia específica, propulsión híbrida, electrónica de potencia, motor eléctrico, descargas parciales, laboratorio LAPLACE, Universidad de Toulouse, distribución de alto voltaje
