La basura, un nuevo combustible limpio para los aviones

Las aeronaves se encuentran en un punto de inflexión en la carrera por reducir las emisiones para mitigar el cambio climático. Aunque el sector aeronáutico solo representa una pequeña parte de las emisiones de gases de efecto invernadero (GEI) relacionadas con el transporte en los Estados Unidos (un 9%), es difícil de descarbonizar.

Con la demanda de combustible para aviones establecida en el doble de los niveles prepandémicos para 2050 y las aerolíneas incrementando sus compromisos para reducir las emisiones, las innovaciones en combustibles, motores y tecnologías emergentes son críticas para cerrar la brecha a cero neto.

Esa tarea acaba de recibir una explosión de energía con la publicación de un nuevo artículo sobre combustible de aviación sostenible (SAF) con carbono negativo por científicos del Laboratorio Nacional de Energía Renovable (NREL), la Universidad de Dayton, la Universidad de Yale y el Laboratorio Nacional Oak Ridge.

Publicado en Proceedings of the National Academy of Sciences, el artículo describe un proceso de biorrefinación que utiliza la energía sin explotar de los desechos de alimentos y otros desechos húmedos para producir SAF compatible con los motores a reacción existentes y capaces de soportar vuelos de carbono neto cero. En la práctica, eso significa que las emisiones de GEI creadas por la quema de combustible para aviones se reducen a cero mediante las emisiones del ciclo de vida eliminadas o desviadas de la atmósfera cuando se produce el combustible.

Las grandes compañías de aviación, incluida Southwest Airlines, ya están colaborando con NREL y otras organizaciones en el proyecto de demostración de vuelo de residuos húmedos del Departamento de Energía de EEUU. A partir de 2019, Southwest comenzó a trabajar con NREL como parte de su mayor compromiso de incorporar SAF comercialmente viable en su operación, cuando esté disponible.

Con esta publicación, trasladar tales esfuerzos de la demostración a la realidad comercial está más cerca que nunca.

"Si nuestra vía de refinación se amplía, las aerolíneas como Southwest podrían tardar tan solo uno o dos años en obtener las aprobaciones regulatorias de combustible que necesitan para comenzar a usar SAF de desechos húmedos en vuelos comerciales", dijo el científico de NREL Derek Vardon, autor del artículo. "Eso significa que los vuelos con cero emisiones netas de carbono están en el horizonte antes de lo que algunos podrían haber pensado".

Con un toque de carbono negativo

Las impresionantes reducciones de emisiones del SAF investigado, una caída del 165% en las emisiones netas de carbono en comparación con el combustible fósil, se pueden lograr al enfocarse en la enorme huella de gases de efecto invernadero del desperdicio de alimentos.

Cada año, millones de toneladas de desperdicios de alimentos se transportan a vertederos en todo el país. Una vez allí, se pudre y produce metano, un gas de efecto invernadero 20 veces más potente que el dióxido de carbono.

Por tanto, eliminar el desperdicio de alimentos como fuente de metano puede ser una forma muy eficaz de reducir las emisiones de los vertederos.

También puede ser eficaz para producir combustible. Investigaciones anteriores mostraron cómo interrumpir la generación de metano con fermentadores que transforman la energía del carbono de los desechos de alimentos y otros "desechos húmedos" orgánicos en ácidos grasos volátiles (AGV), que pueden convertirse en combustible para aviones. Pero esos estudios, si bien demostraron que el SAF de los desechos húmedos es posible, no documentaron cómo dicho combustible podría cumplir con los requisitos de propiedad de combustible de ASTM International.

“El cumplimiento de las normas de ASTM es obligatorio para el uso y despliegue de nuevos SAF por parte de la industria”, dijo Vardon. "Nuestro documento muestra que podemos hacer SAF que cumpla con esos estándares, con un análisis que revela cómo refinar los VFA para que las aerolíneas puedan utilizar grandes cantidades de VFA-SAF sin sacrificar el rendimiento".

Usando un catalizador para agregar más carbono a las moléculas de VFA, Vardon y los otros científicos mostraron cómo construir largas cadenas de hidrocarburos de parafina ricos en energía que son esencialmente químicamente idénticos a los del combustible para aviones convencional, excepto que tienen una fracción de la huella de carbono.

"La vía NREL SAF del desperdicio de alimentos es un candidato muy prometedor para la evaluación Fast Track de ASTM International D4054", dijo Josh Heyne, profesor asociado de ingeniería mecánica y aeroespacial de la Universidad de Dayton, coautor del artículo y experto líder en pruebas SAF ASTM. "Las muestras de combustible que probamos tienen composiciones muy prometedoras, y la capacidad de NREL para adaptar estas composiciones es muy favorable para su aprobación".

El cielo es el límite para reducir las emisiones de GEI

El uso de mayores cantidades de SAF en los motores a reacción requiere más tiempo para ser aprobado, pero hacerlo también puede permitir reducciones mucho mayores en las emisiones netas. Para proporcionar una vía para obtener la aprobación de ASTM para mezclas más altas, el documento describe un paso adicional para producir moléculas más complejas llamadas isoparafinas, que pueden tener estructuras químicas ramificadas únicas.

Con más pruebas, el SAF elaborado a partir de una combinación de isoparafinas renovables y parafinas de cadena lineal podría mezclarse con combustible para aviones convencional en concentraciones más altas, hasta un 70%.

“Dado que la mezcla SAF tendría una huella de carbono un 165% menor que la del jet fósil, esa mezcla es lo suficientemente alta como para descarbonizar el vuelo”, explicó Vardon.

El resultado es un proceso de refinación de combustible que ofrece a las aerolíneas una ventaja rápida en la reducción de emisiones a corto plazo con volúmenes más pequeños de SAF, al tiempo que proporciona un plan a largo plazo para mezclas de SAF más altas que permiten reducciones de emisiones más profundas.

"El desarrollo de nuevas tecnologías de producción de SAF para convertir materias primas que se expanden más allá de las grasas, los aceites y la grasa es fundamental para el crecimiento futuro de nuestra industria", dijo Bryan Sherbacow, director comercial de World Energy, una compañía global de biocombustibles que opera el primer SAF del mundo. "Esta demostración de NREL para producir SAF a partir de desechos húmedos demuestra el potencial técnico para la flexibilidad de la materia prima que la industria necesita para lograr la descarbonización del combustible a escala".

Lograr la flexibilidad de la materia prima a escala no es poca cosa. Exige un equipo multidisciplinario de científicos, analistas y expertos de la industria líderes, todos trabajando hacia adentro desde su esquina del rompecabezas en apoyo de un esquema convincente para el vuelo comercial con SAF. Mientras que algunos refinan la química del catalizador para mejorar los VFA, otros prueban las propiedades del combustible en el laboratorio. Otros analizan la economía de incrementar la producción industrial.

Pero quizás los jugadores más críticos en la mesa sean las propias aerolíneas comerciales. Varias aerolíneas grandes de EEUU ya se han comprometido a utilizar SAF en sus aviones y están intensificando sus esfuerzos para encontrar nuevas rutas hacia SAF con bajas emisiones de carbono para ayudar a cumplir sus objetivos medioambientales.

De hecho, el equipo de análisis de NREL ha demostrado que los desechos húmedos de EEUU, incluidos los desechos de alimentos, tienen suficiente contenido de energía para cubrir aproximadamente el 20% del consumo de combustible para aviones de EEUU. Dado que el combustible es una fuente primaria de emisiones de GEI en la industria de la aviación, los SAF negativos en carbono de los desechos húmedos de bajo costo pueden ser lo que se necesita para que despegue un impulso más amplio de la descarbonización.