Proyecto THESA
Tecnologías de propulsión Hidrógeno-Eléctrica Sostenible para Aeronaves de próxima generación (THESA)
Convocatoria CDTI –
Programa Misiones de Ciencia e Innovación - 2024
Título del Proyecto:
Tecnologías de propulsión Hidrógeno-Eléctrica Sostenible para Aeronaves de próxima generación (THESA)
Presupuesto del Proyecto:
5.078.419,00 €
Aportación CDTI:
3.072.246,00 €
Fecha de ejecución del Proyecto:
09/2024 a 12/2025
Proyecto THESA
La Estrategia del Ministerio de Transportes, Movilidad y Agenda Urbana destaca la importancia del uso del hidrógeno en la aviación para descarbonizar el sector y combatir el cambio climático. En España, el transporte aéreo es crucial para el desarrollo económico, social y territorial, facilitando el comercio, el turismo y conectando personas y regiones. En 2024, la industria de la aviación en España representa casi un 1,3% del total del PIB español y el 9,3% del PIB industrial.
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Sin embargo, existe un riesgo constatado del incremento del impacto de las actividades de la aviación sobre el cambio climático, el ruido y la calidad del aire, generando la necesidad de desarrollar nuevos planes para afrontar los impactos medioambientales de la aviación. Actualmente, el sector de la aviación es responsable del 2% de las emisiones globales CO2 a la atmósfera, y del 3,6% de emisiones gases de efecto invernadero (GEI) en la Unión Europea y se espera que continúen creciendo. Asimismo, la Unión Europea, a través del Pacto Verde, busca transformar el sector hacia una aviación que posicione a Europa como referente en desarrollo sostenible, marcando 2050 como horizonte temporal para reducir el 75 % de las emisiones de CO2 y el 90 % de las emisiones de óxidos de nitrógeno del sector.
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En este contexto, THESA se enfrenta al desafío de avanzar en el progreso tecnológico hacia una aviación sostenible que permitan el objetivo de cero emisiones netas para el 2050. Para lograrlo, será necesario investigar y desarrollar tecnología de aeronaves, enfocándose en el desarrollo de aeronaves y motores más eficientes, impulsados por combustible de aviación sostenible, hidrógeno o baterías, junto con la electrificación de aeronaves.
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A tal fin, el proyecto THESA se posiciona dentro de la prioridad 7- “Sostenibilidad y eficiencia del transporte aéreo”, buscando desarrollar mejores tecnologías y conocimiento dirigidas a conseguir soluciones para eliminar las emisiones de GEI en el sector de la aviación y los efectos adversos del uso de combustibles fósiles contaminantes en tráfico aéreo, consiguiendo una aviación de emisiones netas cero. Con ese propósito, THESA investigará nuevas tecnologías que permitan desarrollar un sistema de propulsión 100% eléctrico basado en una planta de potencia integrada que combine el uso de H2 con un sistema de baterías para proporcionar la energía requerida en función de la demanda energética que se necesita en las distintas fases del vuelo. La planta de potencia se basará en un motor eléctrico alimentado con una pila de hidrógeno, pero en los momentos de alta demanda energética (arranque y aterrizaje), se proporcionará una cantidad de energía eléctrica adicional con un sistema de baterías.
THESA tiene como objetivo general investigar y desarrollar tecnologías disruptivas para crear una planta de potencia integrada “H2-electrica”, que permita en el futuro llevar al mercado aviones cero emisiones, mejorando la “eficiencia”, la “relación potencia-peso” y la “gestión térmica” de sus componentes. A tal fin, se propone una nueva unidad de propulsión 100% eléctrica de al menos 500kW, alimentada por un sistema de almacenamiento de energía integrado y constituido por una pila de combustible de H2 (de más de 200Kw) y un sistema de baterías capaz de completar y aportar la potencia requerida para vuelo. El sistema integra intercambiadores avanzados de calor para reutilizar la energía térmica y aumentar la eficiencia global de avión más planta propulsora. Este concepto tiene el potencial de convertirse en el sistema de propulsión eléctrico de cero emisiones más eficiente capaz de eliminar completamente las emisiones del tráfico aéreo de corto y medio radio para aviación regional.
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Para conseguir el objetivo general, se plantean los siguientes objetivos generales:
1
Diseñar la planta de potencia de hidrógeno-eléctrica para un sistema de propulsión 100% eléctrico que no genere emisiones contaminantes.
Avanzar hacia el diseño de aeroestructuras que permitan integrar el sistema de propulsión THESA.
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3
Investigar, definir y diseñar un sistema integrado de pilas de combustible de H2 con sus subsistemas que genere la energía eléctrica necesaria para maximizar la eficiencia y autonomía en operaciones de transporte ligero.
4
Obtener un sistema de baterías de alta intensidad de descarga (C-rate) para aportar picos de potencia y redundancia, con carcasa de alta resistencia y bajo peso, compatibles con los requisitos de aviación, para el sistema propulsivo.
Desarrollar tecnologías de diseño y simulación para crear intercambiadores de calor que cumplan con los requisitos de seguridad, peso y compacidad requeridos en la nueva aeronave.
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6
Integrar y validar el conjunto de tecnologías de la nueva planta de potencia.
Para conseguir el objetivo general, se plantean los siguientes objetivos específicos-técnicos:
01
Definir el diseño conceptual de la planta de potencia considerando el dimensionamiento y características de motor, electrónica, pila de H2 y batería.
Tecnologías propulsivas mejoradas basadas en hidrógeno que permita definir aeroestructuras más sostenibles y eficientes.
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Sistemas de propulsión eléctricos que fomentan la eliminación total de las emisiones contaminantes y la reducción del ruido.
02
Definir la integración estructural optima en la aeronave.​
Investigar metodologías digitalización y tecnologías de fabricación avanzadas.
Mejoras estructurales que permitan aligerar el peso de las aeronaves y maximicen la integración con los nuevos elementos propulsores.
03
Desarrollar un sistema de almacenamiento y generación de energía en vuelo capaz de aportar hasta 500kw basado en pila de H2 y batería.
​Integración optima de stacks de pila de hidrogeno tipo PEM de más de 200 kW con baterías de alta energía que combinados alcancen picos de al menos 500kw adaptados a los requisitos eléctricos del motor.​
Obtener un diseño de depósito H2 Reducir el peso de la toma de aire (O2) requerida para la reacción electroquímica en un 15%.
Obtener un modelo de simulación Software In the Loop (SIL) del sistema propulsivo y energético.
Incremento de la sostenibilidad y eficiencia de los sistemas de propulsión que permita eliminar el uso de combustibles fósiles, avanzando hacia el paradigma de la descarbonización.
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Para tal fin, desarrollo de nuevos conceptos de integración optimizada de distintas tecnologías de almacenamiento y generación de energía (baterías, hidrogeno y pilas de combustible) con motores eléctricos y sistemas de propulsión aeronáuticas (incluyendo control) como hélices.
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Mejoras en la eficiencia del uso de fuentes de energía renovables.
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Reducción de emisiones de gases de efecto invernadero gracias a la tecnología propulsora eléctrica cero emisiones.
04
Diseñar un pack de baterías de alta densidad energética (+250wh/kg), especifico de alta potencia y grado de descarga (C rate) que permita complementar la potencia de la pila de hidrogeno en despegue y ascenso, con capacidad para aportar la energía suplementaria en esas fases (30-50kwh).
Desarrollo de herramientas de simulación térmica y termo-mecánica específicas para el comportamiento del LH2 en condiciones extremas.
05
Diseñar un sistema de refrigeración para controlar la disipación de la carga térmica de cada uno de los componentes de la planta de potencia.
​Investigar materiales que cumplan con los requisitos mecánicos y sean compatibles con los fluidos refrigerantes.​
Optimizar la matriz interna de los intercambiadores de calor.
Tecnologías para la optimización de la gestión del calor generado por la planta de potencia en aeronaves.
06
Desarrollar los demostradores de las tecnología.
Mayor comprensión sobre los sistemas de propulsión que permita desarrollar soluciones que proporcionen una reducción considerable o total de las emisiones de gases de efecto invernadero en el sector de la aviación.
