La preocupación por el calentamiento global está empujando a la aviación a introducir tecnologías innovadoras para vuelos más ecológicos, ya que las partes interesadas de la aviación se comprometieron con objetivos ambiciosos de reducir las emisiones netas globales de carbono de la aviación en un 50% para 2050 en comparación con 2005. La propulsión híbrida-eléctrica es una de las soluciones propuestas para lograrlo. objetivo ambicioso. La introducción de esta solución abre nuevas oportunidades y también genera nuevos desafíos, como la necesidad de sistemas de gestión térmica (TMS) dedicados para enfriar las máquinas eléctricas. La Unión Europea ha cofinanciado el proyecto ORCHESTRA(Optimised electric network aRCHitEctures and SysTems for more-electric Aircraft) para diseñar nuevas tecnologías que permitan un aumento del 10% en la eficiencia y una reducción del 25% en el peso del sistema de energía eléctrica (EPS) en comparación con el estado del sistema. Dentro del proyecto ORCHESTRA, Skylife desarrolló un convertidor modular bidireccional Dual Active Bridge (DAB) para gestionar la transferencia de energía entre el bus de corriente continua de kilovoltaje (kVDC) (1-3kV) y el bus de corriente continua de alto voltaje (HVDC) ( 540V). 

Consorcio: University of Nottingham (coordinador), Leonardo, Safran Electrical & Power, Safran, C.I.R.A, Fraunhofer, Aeromechs, AIT (Austrian Institute of Technology), BSIM, Skylife Engineering, VR Aviation Safety Partnership

Introducción

La demanda de energía a bordo de las aeronaves aumenta continuamente, debido tanto a la introducción de nuevos sistemas a bordo que requieren energía adicional como a la creciente preocupación relacionada con el impacto de la aviación en el calentamiento global, lo que empuja hacia la electrificación de las aeronaves. En particular, el Panel Intergubernamental sobre Cambio Climático ha fijado el objetivo de reducir al menos un 50% las emisiones de dióxido de carbono (CO2) para 2050. Sin embargo, se espera que las emisiones globales de CO2 producidas por el sector de la movilidad aumenten un 80% para finales de 2050.

Según la OACI, alrededor del 20% del aumento previsto debería corresponder a la aviación. Así, para cumplir los objetivos globales de reducción de emisiones de la movilidad, el Consejo Asesor para la Investigación Aeronáutica en Europa (ACARE) ha definido el Flightpath 2050, según el cual se espera una reducción del 75% en las emisiones de CO2 y del 90% en las emisiones de Óxidos de Nitrógeno (NO).

Estos ambiciosos objetivos pueden lograrse mediante la introducción de nuevas configuraciones de aeronaves y/o tecnologías disruptivas, como la propulsión híbrida/eléctrica para aeronaves, cambiando el paradigma del mercado de la aviación actual, que todavía se basa en el uso de motores a reacción introducidos en la década de 1950.

La introducción de sistemas propulsivos híbridos/eléctricos abre nuevas potencialidades, pero también nuevos desafíos que afrontar. Uno de los principales desafíos a resolver es la forma de disipar el calor producido por los componentes de las centrales eléctricas híbridas/eléctricas: estos sistemas no pueden utilizar técnicas convencionales aplicadas en los aviones actuales y deben cumplir estrictas restricciones térmicas. Por lo tanto, se necesitan estudios detallados del TMS para liberar las potencialidades del sistema de propulsión híbrido/eléctrico.

La Unión Europea (UE) ha cofinanciado el proyecto ORCHESTRAcon el objetivo de diseñar nuevas tecnologías que permitan aumentar un 10% la eficiencia y reducir un 25% el peso del sistema de energía eléctrica (EPS) en comparación con lo último en tecnología.

En este artículo se presenta el diseño de un novedoso convertidor modular bidireccional para gestionar la transferencia de energía entre el bus kVDC (1-3kV) y el bus HVDC (540V) de la arquitectura multi-Mega Watt (MW) del futuro. Se propone un avión mucho más eléctrico (M2EA). La topología seleccionada para este equipo es una DAB. Luego, se muestra el diseño de un TMS optimizado para el control térmico del DAB, incluyendo el estudio de viabilidad de SMA para mejorar el rendimiento fuera de diseño.

Convertidor bidireccional 1-3kV/540 para topología multimegavatio

El convertidor de potencia diseñado por Skylife para este proyecto tiene una característica principal a considerar: la entrada de alto voltaje, ya sea 1 kV o 3 kV. Generalmente, para ese nivel de voltaje, las soluciones más típicas incluyen módulos IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) como semiconductores, por su capacidad de soportar alto voltaje y alta capacidad de corriente. Sin embargo, en este caso, el tamaño y el peso del convertidor también son críticos, y esa es la razón que motivó el aumento de la frecuencia de conmutación, haciendo imperativo el uso de dispositivos más rápidos como los SiC MosFET (Silicon Carbide Metal-Oxide Semiconductor Field-Effect Transistors), con buena resistencia a la tensión y capacidad de corriente.

La topología elegida para el convertidor DC/DC fue el convertidor Dual-Active Bridge. Esta elección se basó en las principales características de esta topología: flujo de potencia bidireccional, alta eficiencia, regulación de voltaje, aislamiento galvánico, armónicos reducidos y modularidad. Esta última característica fue la que permitió utilizar el convertidor en diferentes configuraciones modulares para trabajar a una tensión de entrada de 1 kV o 3 kV. Cuando la tensión de entrada es de 1 kV, los convertidores tienen su entrada conectada en paralelo en lo que se llama IPOP (Input Parallel, Output Parallel). Cuando la tensión de entrada es de 3 kV su entrada se conecta en serie, en lo que se denomina ISOP (Input Series, Output Parallel). Ambas conexiones están representadas en la siguiente imagen.

Diseño eléctrico

El diseño de los convertidores se realizó para alcanzar las características siguientes.

• Nominal Power: 70kW
• Nominal Voltage kVDC: 1kV
• Nominal Voltage HVDC: 540V
• Topology: Dual-active bridge

Referencia: Diego Giuseppe Romano, Salvatore Ameduri, Antonio Carozza, Bernardino Galasso, Gianluca Marinaro, Edson Lima Junior Manuel Lagares, Carmen Bejarano Espada, María Dolores Jiménez Sánchez (2024),  Development of a bi-directional modular converter and its thermal management system for a future much more electric aircraft, International Conference on More Electric Aircraf, France

Este proyecto ha recibido financiación de Horizonte 2020 en el marco del programa de investigación e innovación Horizonte 2020 de la Unión Europea bajo el acuerdo de subvención número 101006771.

Skylife Engineering participa en el diseño y desarrollo de un nuevo sistema de recarga ultrarrápida para vehículos eléctricos, que dispondrá de estaciones modulares basadas en criterios de sostenibilidad para reducir el impacto sobre el medio ambiente.

El proyecto ZEUS, subvencionado por el CDTI y financiado por la Unión Europea a través de fondos NextGenerationEU con un importe de unos 3 millones de euros,  se lleva a cabo a través del consorcio liderado por WallBox Chargers S. L., junto con Skylife Engineering S. L., Bold Valuable Technology Spain S. L. y Tekniatest Solutions S. A.

El nuevo sistema de recarga eléctrica modular y ultrarrápido en el que trabaja ZEUS alcanza potencias de carga de hasta 350 kW buscando, además, ser más sostenible. En este sentido, contará con un sistema de baterías integradas que serán alimentadas por fuentes de energía renovable. Con estas estaciones de carga (VE) se conseguirá amortiguar un pico de potencia en la demanda eléctrica, una ventaja diferenciadora, al tener en cuenta la previsión de expansión del parque de vehículos eléctricos a corto plazo y la limitada estructura de red eléctrica estatal.

La actividad de Skylife Engineering, con sede en el Parque Científico y Tecnológico Cartuja, en Sevilla, se basa en la innovación para la implementación de alta tecnología con impacto positivo. La compañía está especializada en ingeniería aeroespacial, donde dispone de una destacada trayectoria de más de 10 años. Asimismo, desarrolla innovación tecnológica con soluciones aplicadas a otros sectores, como el de la energía, la salud o la educación.

La empresa andaluza, nacida con una clara conexión con la Universidad de Sevilla, cuenta entre sus clientes con grandes multinacionales presentes en todo el mundo, para las cuales desarrolla tanto software como hardware. Su equipo humano, formado en su mayoría por profesionales de la Ingeniería con diversas especialidades, mantiene un firme compromiso con valores como la sostenibilidad.

Durante el último siglo, la producción de la energía ha sido abastecida, de manera predominante, por plantas energéticas basadas en los combustibles fósiles. Sin embargo, desde hace algunos años los efectos nocivos sobre el medio ambiente de esta fuente de producción de energía han provocado el despertar de una conciencia colectiva sobre la necesidad de buscar fuentes alternativas para la generación de energía. En este proceso, son las fuentes de energía renovables como la solar o la eólica las que están liderando el cambio. Sin embargo, la dependencia de las condiciones climáticas de estas fuentes de energía dificulta alcanzar un sistema 100% renovable y aplicable en cualquier punto del planeta. Es en este punto es donde nace la necesidad de buscar una fuente de energía diferente y alternativa que funcione como sistema central que complemente y complete la producción energética de fuentes renovables. La energía de fusión nuclear emerge en este contexto como una solución prometedora que permita lograr una sociedad sostenible, sin el consumo de combustibles fósiles, emisión de gases de efecto invernadero o residuos radioactivos altamente contaminantes.

¿Qué es la energía de fusión?

La energía de fusión busca aprovechar la energía emitida durante la fusión de núcleos atómicos ligeros. Cuando dos partículas de esas características se fusionan, el núcleo resultante es un poco más ligero que los originales. La diferencia, sin embargo, no desaparece, sino que se convierte en energía. Lo verdaderamente asombroso es que esa mínima perdida de masa se traduce en una ingente cantidad de energía. Este es el motivo por el que son tantas las empresas privadas y entidades públicas lanzadas a la conquista de la energía de la fusión.

Para entender un poco más la teoría de esta fuente de energía nos tenemos que remitir a la física. Los estados de la materia son tres: sólido, líquido y gaseoso. Pero si seguimos sometiendo a un gas a temperaturas extremadamente elevadas, se convierte en plasma. En dicho estado, los electrones se separan de los átomos. Cuando un átomo carece de electrones orbitando alrededor del núcleo, se dice que está ionizado y se denomina ion. Así pues, el plasma está compuesto de iones y electrones libres. En este estado, los científicos pueden estimular los iones para que colisionen entre sí, se fusionen y liberen energía. Aquí es donde entra en juego la creación y el funcionamiento del Tokamak.

¿Qué es y cómo funciona el Tokamak?

Las investigaciones en temas de fusión nuclear avanzan rápidamente hacia la creación de una solución comercial e industrial que permita explotar las ingentes cantidades de energía producidas por esta nueva y limpia fuente de energía. Uno de los dispositivos más avanzados es el conocido como Tokamak, donde fuerte campos magnéticos crean y confinan un plasma en un recipiente en forma de donut donde la reacción de fusión se alcanza.

¿Cuál es el papel de las fuentes de alimentación en todo esto?

Las fuentes de alimentación son uno de los elementos más importantes y críticos de la creación de un Tokamak. Mantener estables los plasmas a fin de extraer energía es difícil. Son caóticos, están a una temperatura elevadísima y tienden a sufrir turbulencias y otras inestabilidades. Comprender, modelizar y controlar el plasma es sumamente complejo, pero los investigadores han logrado grandes avances gracias al uso de dispositivos de confinamiento magnético para manipular los plasmas. Los campos magnéticos están inducidos por bobinas, que necesitan ser alimentadas por formas de corriente específicas controladas por sus fuentes de alimentación.

Debido a las altas corrientes requeridas en los tokamaks, los sistemas de alimentación son una parte exigente del diseño. La mayoría de los tokamaks relevantes utilizan sistemas basados en tiristores y conectados a la red o a volantes de inercia, aunque las nuevas tendencias nos dirigen hacia fuentes de alimentación modulares y flexibles basados en supercondensadores y transistores bipolares de puerta aislada (IGBT).

Skylife, creadores de las fuentes de alimentación del Tokamak SMART de la Universidad de Sevilla

Un nuevo dispositivo Tokamak con objetivo de investigación de energía fusión, denominado SMART (SMall Aspect Ratio Tokamak, tokamak de pequeña relación de aspecto), está siendo diseñado en la Universidad de Sevilla. 

Skylife Engineering, en su apuesta por la sostenibilidad y los proyectos complejos e innovadores, participa en este proyecto con su línea de Electrónica de Potencia como responsable del diseño y la fabricación de las bobinas de campo magnético, del sistema de microondas y del sistema de fuentes de alimentación del SMART Tokamak liderado por la Universidad de Sevilla.

El sistema de bobinas está formado por 3 subsistemas, diseñados para generar y controlar el flujo de plasma en el interior de la cámara de vacío. En total se dispondrá de más de 3000 kg de cobre de alta conductividad.

El sistema de microondas de 6kW de operación a 2,45 GHz actúa como un impulsor en el proceso de la generación del plasma en el interior de la cámara de vacío.

El sistema de fuentes de alimentación consiste en 5 equipos para generar un pulso magnético en el sistema de bobinas que formarán y controlarán el flujo de plasma en la cámara de vacío. Los pulsos eléctricos serán generados por bancos de supercondensadores, con la posibilidad de ser cargados con corriente eléctrica doméstica.

El objetivo es la instalación de un tokamak esférico compacto, único en España, que sea referente mundial en el desarrollo de la fusión por confinamiento magnético.