Reduciendo la huella de carbono del combustible para aviones

Las emisiones provenientes de la quema de combustible para aviones representan una gran parte del impacto ambiental de las aerolíneas comerciales. Las compañías aéreas están buscando reducir este impacto mediante el uso de combustibles alternativos.

Cuando los ejecutivos de aerolíneas piensan en cómo hacer que el viaje aéreo sea más sostenible, la mayor solución apunta al combustible necesario para mantener los aviones en el aire. “Para vuelos de corto alcance, hay cierto avance alentador hacia aviones de cero emisiones, como los que funcionan con electricidad”, dice Pavlenko. “Pero para todo lo demás, se reduce a qué combustible puedes utilizar.”

El objetivo del uso de combustibles de aviación sostenibles (SAF, por sus siglas en inglés) es reducir la cantidad de gases de efecto invernadero emitidos durante el ciclo de vida de los combustibles, desde su producción hasta su combustión, en comparación con los combustibles de aviación basados en petróleo actuales. La magnitud de esa reducción depende del proceso utilizado para fabricar el combustible y la fuente de carbono.

Y aunque algunos SAF presumen de reducciones significativas de emisiones, pocos se producen a gran escala.

Para fabricar querosenos parafínicos sintéticos de Fischer-Tropsch, los químicos industriales oxidan la fuente de carbono para obtener gas de síntesis, una mezcla de monóxido de carbono e hidrógeno, y luego pasan este gas sobre un catalizador de hierro, cobalto o rutenio para producir hidrocarburos. Luego mezclan los productos con combustibles de aviación derivados de fósiles antes de que puedan ser quemados en un motor a reacción.

En el esquema de reacción de Fischer-Tropsch, “n” indica el número de átomos de carbono en los hidrocarburos resultantes. Para los combustibles de aviación sostenibles, ese número suele estar entre 10 y 20.

Generalmente, los aviones comerciales utilizan combustibles querosénicos llamados Jet A y Jet A-1. Son mezclas de parafinas, naftenos, aromáticos y olefinas y en su mayoría se derivan del petróleo. Algunas empresas, como Airbus, están explorando el hidrógeno como combustible, ya que su combustión produce vapor de agua. Pero el desarrollo de motores que queman hidrógeno está en etapas iniciales, por lo que tales aviones aún están lejos en el futuro.

La mayoría de las empresas están buscando en su lugar combustibles “drop-in”, o combustibles que pueden funcionar con los motores a reacción existentes. Estos combustibles necesitan tener propiedades similares al combustible para aviones, incluyendo la energía liberada al quemarse, su rendimiento a bajas temperaturas y su fluidez. Estas especificaciones aseguran que los combustibles se comporten de la misma manera que el combustible de aviación derivado de fósiles en el motor del avión, dice Pavlenko.

Una forma en que los fabricantes de combustible logran que los SAF coincidan con estas especificaciones es mezclándolos con combustible convencional para aviones, dice. La cantidad que se mezcla varía bastante, sin embargo. La mayoría de los SAF necesitan ser mezclados al 50:50 con Jet A-1. Y aunque existe interés en SAF que no necesiten ser mezclados, ninguno ha sido aprobado comercialmente, según Pavlenko.

Existen tres métodos principales para producir SAF:

1. A partir de ésteres y ácidos grasos hidroprocesados (HEFA)
2. Queroseno parafínico sintético de Fischer-Tropsch (FT-SPK)
3. Queroseno parafínico sintético a partir de alcohol (ATJ-SPK)

Los tres pueden utilizarse a niveles similares de mezcla, alrededor del 50%.

Para fabricar combustibles HEFA, los científicos industriales eliminan el oxígeno de las moléculas en aceites vegetales no utilizados, o grasas, aceites y residuos grasos. Luego tratan las mezclas con hidrógeno para obtener hidrocarburos combustibles del largo adecuado para el combustible de aviación, generalmente entre 10 y 20 átomos de carbono, según el ICCT. Comparados con Jet A y Jet A-1, estos combustibles son la tecnología de SAF más competitiva en términos de costo, dice Pavlenko.

Para fabricar Fischer-Tropsch-SPK, los científicos oxidan una amplia variedad de residuos vegetales y humanos para hacer gas de síntesis, una mezcla de H₂ y monóxido de carbono. La adición de un catalizador, generalmente hierro, cobalto o rutenio, a este gas desencadena la síntesis de Fischer-Tropsch, que produce hidrocarburos.

Las fuentes para el alcohol a jet-SPK son cultivos como la caña de azúcar y el maíz, residuos vegetales y agrícolas, y en algunos casos gases industriales. Generalmente, los científicos convierten estas materias primas en etanol o alcohol isobutílico y luego mejoran los alcoholes a queroseno de cadena larga eliminando agua, tratándolos con hidrógeno y combinando hidrocarburos de cadena corta para formar otros más largos.

Dependiendo de la fuente de carbono, los combustibles de aviación sostenibles pueden producir una amplia gama de gases de efecto invernadero a lo largo de su ciclo de vida. Los científicos comparan la huella de carbono de estos combustibles analizando la intensidad de carbono a lo largo de su ciclo de vida, medida en gramos de equivalente de dióxido de carbono (g CO₂e) liberados por megajulio de energía quemada.

Estos tres combustibles alternativos no tienen el mismo impacto ambiental. El ICCT recientemente publicó un informe mostrando la cantidad de gases de efecto invernadero emitidos durante los ciclos de vida de varios combustibles alternativos, incluyendo el cultivo o recolección de las fuentes de carbono, la síntesis de los combustibles y su combustión en un motor.

El ICCT encontró que los combustibles de alcohol a jet-SPK tienden a tener emisiones más altas que los combustibles HEFA o Fischer-Tropsch-SPK, ya que la producción de alcoholes a partir de cultivos basados en almidón consume mucha energía y emite cantidades sustanciales de gases de efecto invernadero. En general, los biocombustibles hechos de residuos y subproductos tienden a tener menores emisiones de gases de efecto invernadero que los basados en cultivos, según Pavlenko del ICCT.

La industria de los SAF está cambiando más hacia estos combustibles basados en residuos, según Aaron Robinson, gerente senior de estrategia ambiental y sostenibilidad de United Airlines. Hace diez años, las empresas de combustibles alternativos se enfocaban en cultivar cultivos para biocombustibles. “Dos de nuestros primeros tres vuelos con SAF fueron impulsados por materiales cultivados”, dice. “Esa era la forma en que pensábamos que la industria iba a evolucionar.”

Pero los análisis del ciclo de vida han mostrado cuán costosa puede ser esta ruta desde el punto de vista ambiental. Cuando la fuente de combustible es un cultivo alimenticio, el proceso contribuye a la deforestación porque se necesita más tierra para cultivar los cultivos adicionales, dice Pavlenko.

Actualmente, ninguna empresa produce Fischer-Tropsch-SPKs, por lo que el combustible actualmente en producción con las emisiones más bajas de GEI a lo largo de su ciclo de vida es HEFA, dependiendo de las materias primas. “Algunos SAF en realidad no ofrecen muchas, si acaso, reducciones de gases de efecto invernadero, como el biocombustible derivado del aceite de palma, mientras que otros pueden tener reducciones de gases de efecto invernadero que se acercan al 100%”, dice Pavlenko. Los aceites usados y las grasas animales de desecho tienen emisiones menores a lo largo de su ciclo de vida y son más populares que el aceite de palma, dice.

La empresa más cercana a la producción comercial de Fischer-Tropsch-SPKs es Fulcrum BioEnergy en Pleasanton, California. Esta empresa utiliza residuos sólidos municipales, también conocidos como basura, para fabricar combustible para aviones. Fulcrum planea comenzar a producir biocombustible en el último trimestre de este año en su planta ubicada al este de Reno, Nevada, dice el vicepresidente Barraza. La empresa planea construir otras ocho plantas con una producción total de alrededor de 1.5 mil millones de litros por año, suficiente para satisfacer las necesidades de United y otros socios, que incluyen a Cathay Pacific Airways y Japan Airlines, dice Barraza.

El uso de residuos sólidos municipales como materia prima para el combustible de aviación podría proporcionar ahorros significativos en las emisiones de gases de efecto invernadero. Generalmente, la descomposición de los residuos sólidos municipales en vertederos produce metano, que tiene más de 28 veces el impacto en el cambio climático del CO₂ a lo largo de 100 años. “Al desviar [los residuos sólidos municipales] de los vertederos, estamos evitando que se genere todo ese metano”, dice Barraza.

El análisis del ciclo de vida de los gases de efecto invernadero para el combustible de residuos sólidos municipales muestra que esta ruta puede reducir las emisiones de gases de efecto invernadero en más del 85% en comparación con los combustibles fósiles. Pero la clave es que la empresa debe eliminar primero los desechos plásticos de la basura.

“El plástico que está en un vertedero es en realidad una forma de almacenamiento de carbono”, dice Pavlenko del ICCT. “Pero si lo conviertes en combustible y lo quemas, ese carbono que habría estado seguro en el suelo durante mucho tiempo, ahora está en la atmósfera”, dice. Barraza dice que la materia prima de desecho que utiliza la empresa es principalmente material orgánico o biogénico. “Tenemos la capacidad de eliminar una cantidad considerable de plásticos y metales de alto valor del RSU crudo como parte de nuestro proceso de preparación de materias primas”, dice.

Alimentar aviones con residuos es ciertamente el sueño para un vuelo sostenible, y uno viable, dice Robinson de United. “Podrías alimentar todos los aviones de United usando solo el 20% de los residuos de vertederos de EE.UU.”

Pero la realidad es que, en comparación con las cantidades totales de combustible para aviones, las aerolíneas no están utilizando mucho SAF actualmente. “Es menos del 0.1% a nivel global”, dice Pavlenko. Por ejemplo, United ha utilizado alrededor de 3.8 millones de litros de SAF por año en los últimos años, en comparación con más de 15 mil millones de litros por año de combustible para aviones convencional, dice Robinson. Para aumentar la cantidad de SAF a los que tiene acceso, United ha cerrado acuerdos con Fulcrum y World Energy, dice. Delta y JetBlue tienen acuerdos para comprar SAF de la empresa finlandesa Neste. Estos acuerdos dan a las aerolíneas certidumbre tanto en precio como en fuente para combustibles futuros y proporcionan a las empresas de combustible un mercado futuro para sus productos.

Fulcrum’s Barraza declines to provide details about the timeline for delivering the fuel the firm has promised to United. The big question, Robinson says, is how much the fuel is going to cost and if United can get it soon enough to make a difference in lowering emissions.