Investigando para acelerar el empuje eléctrico de aeronaves en tierra
Ceit-IK4 e Indra participan como consorcio en el proyecto E-TSIN (Modular, scalable, multi-funtional, high power density power controller for electrical taxi). Actualmente en desarrollo, comenzó en 2016 y tiene previsto su finalización en el primer trimestre de 2020. Al igual que el programa de investigación de la Unión Europea (UE) en el que se encuadra, Clean Sky 2 (CS2), su meta final radica en desarrollar tecnología innovadora y de vanguardia con el objetivo de reducir las emisiones de CO2, el gasto de combustible y los niveles de ruido producido por aeronaves.
Fundado bajo el paraguas del programa marco H2020 de la UE, el programa CS2 lleva años contribuyendo al fortalecimiento de la colaboración, la competitividad y el liderazgo mundial de la industria aeronáutica europea.
En este contexto, el proyecto E-TSIN, desarrollado por Ceit-IK4 e Indra, tiene como Topic Manager, tal y como se denomina al cliente industrial para el que se desarrolla la tecnología, a la multinacional Safran y, en particular, a su división de trenes de aterrizaje (Safran Landing Systems, SLS).
Como uno de los principales fabricantes de sistemas de aterrizaje del mundo (tren, ruedas y frenos), SLS está desarrollando un nuevo concepto de operación y tracción en tierra para aeronaves, denominado eTAXI (electric TAXI operation). El término aeronáutico TAXI hace referencia a todo movimiento autopropulsado de cualquier aeronave en tierra. Ya sea desde el impulso inicial de arranque desde la puerta de embarque, el recorrido hacia la fase de despegue en pista, así como el retorno a la puerta desde la fase de aterrizaje, la aeronave normalmente emplea sus propios propulsores para realizar todos estos procesos, con el gasto de combustible, emisión de gases y generación de ruido que ello conlleva.
Como uno de los principales fabricantes de sistemas de aterrizaje del mundo (tren, ruedas y frenos), SLS está desarrollando un nuevo concepto de operación y tracción en tierra para aeronaves, denominado eTAXI (electric TAXI operation).
Con el fin de minimizar el consumo de combustible, las emisiones de gases contaminantes y el ruido acústico ambiental en tierra, SLS está a punto de llevar al mercado la primera generación del sistema eTAXI. Este sistema permite electrificar el movimiento de la aeronave en pista, cual vehículo eléctrico se tratara, antes o después de las fases de despegue o aterrizaje, sin necesidad de utilizar sus motores de propulsión o de requerir tractores o remolques del aeropuerto.
A partir del generador eléctrico auxiliar de la aeronave (Auxiliary Power Unit, APU), después de rectificar su señal AC de salida, y respaldado o no por un sistema de almacenamiento eléctrico como unas baterías, un convertidor de potencia DCAC bidireccional permite alimentar y controlar un motor eléctrico que, alojado en las ruedas del tren de aterrizaje, transforma la energía eléctrica en mecánica para impulsar así la aeronave sin necesidad de encender los motores principales. Su bidireccionalidad permite, asimismo, recargar un posible sistema de baterías durante la fase de frenado de la aeronave. Esta energía de frenado, ahora disipada en los frenos, puede ser parcialmente reutilizada en subsiguientes operaciones de arrastre. Se consigue adicionalmente alargar la vida útil de los frenos de la aeronave.
De acuerdo con estudios realizados por SLS, esta simple idea tiene el mayor de los sentidos en aeropuertos muy transitados donde las operaciones de movimiento en tierra puedan llevar hasta 10 y 15 minutos, por lo menos. Además, esta solución maximiza los beneficios retornados para aerolíneas que realicen numerosos viajes en el mismo día. La utilización de esta tecnología permitirá a las aerolíneas ahorrar cientos de miles de dólares por aeronave y año, a la vez que se reduce el impacto ambiental de las operaciones en tierra.
Según SLS, el sistema eTAXI implicará un ahorro de hasta el 4% en el presupuesto total de combustible, alcanzando hasta 500.000 dólares para algunas aerolíneas. Adicionalmente, el sistema permitirá mejorar el flujo de tráfico en la fase de aproximación y en las puertas, ya que la aeronave es completamente autónoma sin necesidad de ser atendida en ningún momento por los servicios en tierra (remolque o maniobra de push-back).
En cuanto a reducción de gases contaminantes, SLS estima que el sistema eTAXI reducirá hasta un 73% la emisión de CO y hasta un 51% la emisión de NOx en relación a las operaciones en tierra, lo que equivaldría a las emisiones de NOx producidas por 932 coches o al beneficio, en cuanto a reducción de CO2, de plantar 948 árboles. Asimismo, el ruido acústico se verá drásticamente reducido, mejorando la seguridad y salud del personal de servicio y la polución ambiental del aeropuerto.
Así, en este contexto, el proyecto E-TSIN se encuadra dentro de la estrategia global de desarrollo futuro del sistema eTAXI, en el que se pretenden explorar nuevas tendencias y tecnologías aplicadas a la electrónica de potencia encargada de alimentar el motor eléctrico que acciona la aeronave.
E-TSIN tendrá como resultado un convertidor de potencia bidireccional inversor DCAC trifásico de alta densidad de potencia diseñado bajo las exigentes normativas y restricciones de peso y volumen demandados por el sector aeronáutico. El proyecto se estructura en base a dos niveles de industrialización demandados, que toman como referencia la escala TRL (Technology Readiness Level), la cual cuantifica el nivel de madurez tecnológica de un sistema o equipo. Así, un primer diseño TRL3 permitirá verificar funcionalmente el concepto y diseño propuesto para el inversor DCAC.
Finalmente, el proyecto concluirá a la entrega de un convertidor de potencia de nivel TRL6, el cual demostrará su validez tecnológica en un entorno, denominado, relevante, en cuanto a condiciones similares a las que se enfrentará en la realidad.
Indra actúa como coordinador del proyecto al mismo tiempo que interviene en diversas actividades técnicas, permitiendo, a partir de su elevado know-how aeronáutico evolucionar el diseño hasta el grado de madurez e industrialización requeridas por los exigentes estándares de calidad necesarios en equipos aeronáuticos embarcados.
El papel del centro Ceit-IK4 se está enfocando principalmente en el diseño y validación del inversor de potencia DCAC TRL3 encargado de controlar los motores eléctricos del sistema eTAXI, para el cual se ha abordado un diseño tanto escalar como modular en potencia, tratando siempre de maximizar la densidad de potencia del equipo. Esta última característica resulta crucial, puesto que el sistema eTAXI será un equipo que permanecerá desactivado durante el vuelo. Así, su impacto en peso y volumen debe ser el mínimo imprescindible para que el resultado final en cuanto ahorro de combustible y emisión de gases obtenga un balance positivo. El proyecto pretende alcanzar unas cifras de densidad de potencia en torno a los 4 kW/kg y 2 kW/l.
Para alcanzar tales cifras, el diseño del convertidor DCAC ha sido implementado mediante la utilización de dispositivos de potencia (IGBTs, MOSFETs…) fabricados a partir de materiales semiconductores de nueva generación, como es el Carburo de Silicio (SiC). Dicho material, frente al tradicional Silicio, presenta grandes ventajas que permiten minimizar el peso y volumen de los convertidores de potencia de nueva generación. Los dispositivos de conmutación basados en SiC presentan menores pérdidas de energía durante el proceso de activación y desactivación de los mismos. Dichos mecanismos son los intrínsecos a un convertidor de este tipo que permiten el control de las características eléctricas a la salida del mismo para hacer operar el motor de la forma requerida por el sistema (para mover la aeronave a la velocidad deseada). A menores pérdidas de potencia en este proceso, menor será el calor a disipar desde el convertidor hacia el exterior, con lo que se podrá minimizar el peso y el volumen del sistema de refrigeración empleado. Abundando en esta conclusión, los dispositivos SiC son capaces de soportar temperaturas superiores a las alcanzables por los de Silicio.
En paralelo con el principal objetivo de reducción de peso y volumen, otro flanco de innovación del proyecto en el que se ha enfocado Ceit-IK4, radica en proporcionar al convertidor DCAC de una estructura modular y escalable. En resumen, se pretende que el diseño desarrollado permita ser reutilizado en aeronaves de diferente escala de potencia, o lo que es equivalente, de diferente tamaño, peso, etc… La potencia a entregar por el convertidor estará relacionada con la velocidad de movimiento de la aeronave en pista a través del par mecánico a desarrollar por el motor para conseguir mover la aeronave, par que es necesario ejercer para vencer la carga mecánica acoplada, que no deja de ser la aeronave en su conjunto.
La modularidad proporcionada al diseño permite, además, incrementar la tolerancia a fallos del convertidor. En el supuesto de dos módulos de potencia trabajando en paralelo, si uno de los dos fallara, el otro podría mantener el sistema en funcionamiento, no a máxima potencia, pero se evitaría una parada de la aeronave en pista, por ejemplo. El principal objeto de innovación en este campo introducido por Ceit-IK4 estriba en desarrollar un software de control que equilibre, de forma segura, la corriente eléctrica entregada por cada módulo, haciendo que el conjunto de módulos controle en paralelo el motor como si uno solo lo hiciera. Para ello, se han aplicado técnicas de control empleadas en sistemas de potencia conectados a una red eléctrica distribuida o Smart Grid.
No cabe duda que, al igual que el sector automovilístico, el sector aeronáutico se encamina indiscutiblemente hacia un futuro cada vez más eléctrico, siguiendo el concepto More Electric Aircraft (MEA). Un creciente número de nuevos sistemas eléctricos permitirán importantes mejoras técnicas y económicas en comparación con los sistemas mecánicos, hidráulicos, neumáticos o de propulsión convencionales. Para ello, numerosas investigaciones tratan de resolver los principales desafíos involucrados, como son la mejora de fiabilidad y robustez de los sistemas eléctricos, así como su certificación. Así, cabe destacar el nivel de desarrollo objetivo del convertidor de potencia a implementar bajo el proyecto E-TSIN, nivel que contribuirá a acortar de manera importante el camino hacia una aeronave cada vez más eléctrica y eficiente, a la par que respetuosa con el medio ambiente.
