NREL prueba en Colorado la sustentabilidad de los SAF (Sustainable Aviation Fuel)

NREL prueba en Colorado la sustentabilidad de los SAF (Sustainable Aviation Fuel)

Fecha publicada: 30 Enero, 2024

La gasolina pasó a ser sin plomo en la década de 1970. El contenido de azufre del gasóleo se ha ido reduciendo a lo largo de las décadas. El etanol se mezcla con la gasolina desde hace años. La cronología histórica de los combustibles líquidos para el transporte está teñida de cambios tras cambios en la química de los combustibles.

Sin embargo, no puede decirse lo mismo del combustible para reactores. Sus propiedades han cambiado poco desde que se empezó a utilizar en la década de 1950, gracias a un largo historial de seguridad, rendimiento y facilidad de uso.

Pero se avecinan cambios para el combustible de los reactores, y la industria de la aviación los está invitando activamente. Aumentan las inversiones públicas y privadas para acelerar la producción y el uso de combustible de aviación sostenible (SAF), un combustible renovable de alta densidad energética que se considera esencial para descarbonizar los vuelos.

Al igual que ocurrió en el pasado con la gasolina y el gasóleo, la adopción del SAF implica demostrar que el combustible es tan seguro y fiable como el antiguo, además de ser totalmente compatible con los motores a reacción existentes. Para una industria que ha construido su flota en torno a un combustible que no ha cambiado en 70 años, eso podría significar una curva de aprendizaje muy pronunciada.

“La idea de diseñar un nuevo combustible para reactores es un concepto completamente nuevo para el sector de la aviación”, afirma Robert McCormick, investigador del Laboratorio Nacional de Energías Renovables (NREL) del Departamento de Energía de EE.UU. (DOE). “Esencialmente, han diseñado los motores en torno a este combustible: Jet A, que ha sido el combustible estándar de los reactores de petróleo durante años”.

Afortunadamente, el sector de la aviación no tiene que encontrar por sí solo un sustituto para el Jet A. En un proyecto financiado por el DOE, un equipo de investigación interdisciplinar está recopilando meticulosos datos sobre la química del combustible para dotar a la industria de una simulación de combustión SAF ultradetallada. Con ayuda de superordenadores, el “motor a reacción virtual” puede predecir el comportamiento del SAF durante el vuelo y proporcionar información sobre cómo ajustarlo para maximizar su seguridad y rendimiento. Las simulaciones se validarán con datos obtenidos en celdas de pruebas de combustión de General Electric y el Instituto de Tecnología de Georgia.

Si tiene éxito, la plataforma de investigación de SAF, construida utilizando un conjunto de herramientas de modelado personalizadas llamadas Pele en colaboración con el Centro de Ciencia Computacional del NREL, puede ayudar a la industria a evitar costosas sorpresas cuando solicite la aprobación de nuevos SAF a ASTM International. Y, lo que es más importante, podría revelar fronteras nunca vistas en la química de los combustibles de aviación, que podrían ayudar a los aviones a volar más lejos, funcionar de forma más limpia y rendir mejor que nunca.

Las pruebas de motores a reacción “consumen mucho combustible”, las simulaciones, nada
Para comprender el valor del programa de combustión de combustible para reactores del NREL, hay que reconocer el riesgo al que se enfrentan las empresas cuando perfeccionan la compleja química de convertir biomasa, residuos y otros recursos renovables en combustible líquido. Para obtener la aprobación de una nueva fórmula de SAF por parte de ASTM International -que establece las normas mundiales de combustible para reactores-, las empresas deben demostrar que cumple una serie de criterios de seguridad, rendimiento y operatividad para probar que es funcionalmente idéntico al combustible para reactores de petróleo.

Las normas ASTM garantizan que el combustible para reactores -independientemente de cómo se fabrique- pueda utilizarse en los aviones existentes, ya sea en Denver, Dublín o Dubai. Pero demostrar que cumple esas normas exige miles de litros de SAF para las numerosas pruebas de cualificación, incluida la combustión en una cámara de combustión de un motor a reacción a escala de laboratorio (e incluso en un motor a reacción a escala real).

Según McCormick, fabricar ese volumen de combustible es una tarea ardua para una industria incipiente. Muchas empresas sólo trabajan ahora con mililitros de líquido en el laboratorio mientras ponen a punto complejos procesos químicos.

“Esto añade otro riesgo a todo lo demás: que se amplíe la escala y el combustible no cumpla los requisitos de propiedad”, afirma McCormick.

Por este motivo, los investigadores del NREL dedicados a la ciencia computacional y a los combustibles  decidieron formar un equipo. Los investigadores Marc Day y Shashank Yellapantula llevaban varios años desarrollando herramientas de modelización capaces de realizar simulaciones predictivas de las cámaras de combustión de los motores de aviación. Estas herramientas, denominadas colectivamente Pele, se basan en más de 50 años de inversiones del DOE en investigación matemática aplicada para proporcionar una herramienta única, muy precisa y eficaz para modelizar flujos reactivos complejos. Las recientes mejoras, apoyadas por el Proyecto de Computación Exascale del DOE, permiten que los códigos Pele funcionen eficientemente en los superordenadores del DOE, que son los más grandes y rápidos del mundo. Con el objetivo de reducir el riesgo de la calificación SAF, Day y Yellapantula utilizaron este marco para construir una simulación de combustión basada en una cámara de combustión de un motor a reacción de la NASA, un diseño de código abierto.

4 Steps to ASTM Approval—New SAFs must go through a rigorous evaluation process by ASTM International before they can be used in aircraft, even if these fuels are fully compatible with existing engines (i.e., a "drop-in" fuel). Illustration by Joelynn Schroeder, NREL

4 Steps to ASTM Approval—New SAFs must go through a rigorous evaluation process by ASTM International before they can be used in aircraft, even if these fuels are fully compatible with existing engines (i.e., a “drop-in” fuel). Illustration by Joelynn Schroeder, NREL

“Las pruebas de motores consumen mucho combustible y son caras”, afirma Yellapantula. “Las simulaciones a corto plazo pueden proporcionar información que podría ayudar directamente a los investigadores a afinar los procesos de refinado de SAF para obtener mejores combustibles”.

Si el NREL pudiera simular las pruebas de combustión de SAF, teorizaron Day y Yellapantula, las empresas podrían determinar si los nuevos combustibles cumplen los requisitos antes de invertir millones de dólares en producir grandes volúmenes para las pruebas de motores ASTM. Las simulaciones podrían indicar cambios útiles en la química del combustible que las empresas podrían realizar en experimentos de laboratorio a pequeña escala antes de construir costosas plantas piloto para producir estos nuevos combustibles.

El equipo ha simulado recientemente la combustión en un cilindro avanzado de gasóleo de alta presión, lo que ha aportado nuevos conocimientos sobre el modo en que el gasóleo se enciende, se quema y produce contaminantes atmosféricos. Con más detalles sobre los datos de las propiedades del combustible SAF, podían reajustar esa misma herramienta para los motores de los aviones.

Para validar el modelo, Day y Yellapantula necesitarían datos de mayor calidad sobre las propiedades del combustible, datos que los investigadores de combustibles y combustión del NREL están en condiciones de proporcionar.

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