¿Cuánta electricidad necesitarán los aviones eléctricos y cuánto costará?

¿Cuánta electricidad se requerirá para la aviación eléctrica y cuánto costará?

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En los últimos años, he estado evaluando la descarbonización de la aviación, en gran parte porque es un objetivo difícil de gran mérito económico y, hasta cierto punto, porque hay muchas tonterías exageradas en el espacio. Decenas de miles de millones de dólares de capital de riesgo y dinero de inversores minoristas se han canalizado a través de SPAC hacia aviones de despegue vertical eléctrico (EVTOL) y aterrizaje y esquemas de movilidad aérea urbana (UAM) que afirman ser una aviación electrizante, como un ejemplo obvio.

Eso no va a suceder hasta dentro de un par de décadas, y en ninguna parte de la escala imaginada incluso por las más conservadoras de las nuevas empresas en el espacio. Lo que va a suceder es una electrificación lenta, incluidos los sistemas de propulsión híbridos, del extremo inferior del mercado de despegue y aterrizaje convencional de ala fija (CTOL/ECTOL). Lo que va a pasar es el regreso de la movilidad aérea regional (RAM) que activa los miles de aeropuertos más pequeños mal utilizados con aeronaves eléctricas, cada vez más autónomas y con control de tráfico aéreo digital, algo que planteo en mi proyección de maduración hasta 2040 para las tecnologías y aprobaciones regulatorias. Compañías como XWing, cuyo líder de producto Kevin Antcliff, anteriormente de la NASA, con quien he hablado varias veces, están tomando la delantera en la autonomía, como ejemplo.

Maduración de los componentes regionales de movilidad aérea hasta 2040 por Michael Barnard, estratega jefe, TFIE Strategy Inc.

Formo parte del Consejo Asesor de ELECTRON Aviation, que está construyendo un avión de un solo piloto para 4 pasajeros con un alcance suficiente para ir del Reino Unido a los Países Bajos como un taxi aéreo, o transportar 500 kg de carga entre aeropuertos. Heart Aerospace, cuyo fundador y director ejecutivo, Anders Forslund, con quien hablé hace un año, actualmente está construyendo un avión de pasajeros híbrido para 30 pasajeros, al darse cuenta de que su modelo totalmente eléctrico para 19 pasajeros no alcanzaría el punto óptimo de negocios adecuado. Eviation acaba de volar su avión Alice completamente eléctrico para 9 pasajeros, y los pedidos han superado los $ 2 mil millones. Otro negocio furtivo con el que estoy trabajando es la construcción de otro pequeño ECTOL para un mercado específico que tiene miles de aviones más pequeños en funcionamiento hoy.

Hay miles de aviones turbohélice de 50 a 96 pasajeros que vuelan en rutas regulares que están obsoletos en este momento. La edad promedio de los De Havilland Dash 8 que operan en todo el mundo es de 24,8 años, y con un promedio de horas de funcionamiento de poco menos de 1600 por año, eso se enfrenta al muy costoso requisito de inspección de la estructura del avión de 40 000 horas. La pequeña flota actual de Air Canada tiene solo un promedio de 10 años, pero también ha retirado muchos Dash 8. Esos aviones no son baratos. Solo las hélices pueden costar más de $ 100,000, como descubrí en conversaciones con otra empresa emergente que me pidió que me uniera a su junta. Rechacé esa, ya que tengo muchas solicitudes en las que no veo una alineación sólida de descarbonización, las condiciones para el éxito de la empresa, ningún camino para que yo entregue valor o la capacidad de influir en ellos de manera efectiva.

Proyección de la demanda de combustible de aviación por tipo hasta 2100 por Michael Barnard, estratega jefe, TFIE Strategy Inc.

En otras palabras, el extremo inferior del mercado de la aviación es lo suficientemente grande para los grandes modelos comerciales y será el primero en electrificarse, como proyecté en mis curvas de demanda de aviación hasta 2100.

Pero esto plantea las preguntas, que me fueron formuladas de diferentes maneras por dos colaboradores diferentes: ¿cuánta electricidad se requerirá para la aviación eléctrica y cuánto costará?

Primero, John Hilgers de ClearSkies se acercó. Su modelo de negocio es interesante. Es un profesional de entrega de tecnología aeroportuaria a largo plazo, y en los últimos años ha ampliado sus ofertas de tecnología para incluir granjas solares. Bajo el Programa Voluntario de Bajas Emisiones de Aeropuertos (VALE) de la FAA de los EE. UU., los aeropuertos pueden obtener una cantidad significativa de fondos para construir energía solar en los bordes que deben ser planos de sus franjas o en edificios o sobre estacionamientos, aprovechando el área de tierra y proporcionando electricidad limpia para complementar sus negocios principales. Más de 100 aeropuertos en los EE. UU. tienen energía solar ahora, y los aeropuertos en todo el mundo también tienen parques solares, con el aeropuerto internacional de Edmonton con 120 MW y Groningen en los Países Bajos con 20 MW, como ejemplos de dos aeropuertos a los que tengo conexión.

Hace un tiempo me preguntó si sabía que había hecho alguna proyección de la demanda de energía de la aviación en comparación con las oportunidades de granjas solares en los aeropuertos. Queda en mi lista construir un modelo de esto, extendiendo mi modelo de proyección para considerar cuánta electricidad podría generarse localmente para la aviación, cuánta tendría que fluir hacia el aeropuerto desde la red y cuál sería el saldo a lo largo del tiempo. El régimen regulatorio bajo el que operan los aeropuertos les permite vender electricidad a los operadores de aeronaves sin convertirse en una empresa de servicios públicos, al menos en los EE. UU., lo cual es una ventaja un tanto sorprendente.

Las complejidades de la cadena de suministro del abastecimiento de combustible para la aviación se simplifican notablemente cuando se trata de electrones que fluyen hacia los aviones en lugar del Jet A-1. En este momento, los transportistas que operan desde múltiples aeropuertos tienen contratos con los principales proveedores de combustible de aviación como BP y Gazprom (afortunadamente, no muchos fuera de Rusia, descubrí después de investigar sus entregas recientemente), proporcionan volúmenes probables según sus horarios, luego los actualizan más cerca del vuelo, luego los actualizan el día anterior y, finalmente, el propio piloto hace el cálculo final de la cantidad específica a repostar y realiza una aprobación y transferencia explícitas de la persona que reposta. Ese proceso ha sido notablemente lento para automatizar, con el viaje algo presentado en este podcast de Allplane, y acelerado por COVID-19, por supuesto, entre otras cosas eliminando el plomo de combustible que visita al capitán en la cabina con un portapapeles. Las tecnologías y los enfoques discutidos en el podcast eran de vanguardia alrededor del año 2000, lo cual sé, ya que ejecuté el desarrollo para nuevas empresas basado en ellos en ese momento, que fue hace millones de años en Internet.

Pero la electricidad no requiere una cadena de suministro global y contratos globales. Solo requiere suficientes electrones locales, algo que se puede generar en regiones amplias pero locales y transmitir y distribuir a los aeropuertos para agregar a las baterías de los aviones. El aeropuerto puede comprar acuerdos de compra de energía (PPA) o PPA virtuales por sus propios motivos, pero lo relevante es cuánta energía puede llegar a los aviones en un período de tiempo razonablemente rápido. En este momento, la entrega de energía a través de cargadores se está ampliando rápidamente, y los sistemas de carga de carga terrestre y agua están superando rápidamente los límites, por lo que la aviación no tendrá problemas en escalas más pequeñas inicialmente o escalas más grandes más adelante.

Tomemos el ejemplo del avión de 9 pasajeros Eviation Alice, ya que está a medio camino entre el ELECTRON y el Heart ES-19 inicial. Tiene una batería de 900 kWh, el valor de 9-15 coches, y volará 250 millas náuticas (460 km) con algo de sobra para desvío y reserva. Es probable que los vuelos en esta clase tengan un promedio de 210 millas náuticas, y con un desvío y una reserva de quizás 200 millas náuticas, es probable que la batería permanezca entre el 40 % y el 90 % la mayor parte del tiempo, lo cual es bueno para la vida útil de la batería. Supongamos que se llena del 30 % al 90 % en el aeropuerto, o 540 kWh.

Para un avión, eso no es un problema para el aeropuerto promedio. LAX usa alrededor de 155 000 MWh al año solo para fines aeroportuarios, o alrededor de 425 MW por día. Eso significa que alimentar una Alice una vez agregaría alrededor del 0,1% de su consumo diario. El aeropuerto más pequeño de Helsinki utiliza alrededor de 54.000 MWh al año, lo que significa que Alice absorbería alrededor del 0,4% de la electricidad de un día promedio. Tenga en cuenta que los aeropuertos suelen utilizar calderas de gas natural para la calefacción, a veces también con unidades de cogeneración de electricidad, por lo que esta no es toda la energía consumida en las operaciones del aeropuerto, solo la electricidad. Los aeropuertos electrificarán completamente todo lo suficientemente pronto, por lo que aumentarán los MWh disponibles.

Distancia entre Helsinki y Estocolmo

Helsinki es coincidentemente un buen ejemplo, ya que Estocolmo está casi exactamente a las 210 millas náuticas de distancia que sugerí. Solo Finnair opera tres vuelos en la ruta al día la mayoría de los días de la semana y algunos vuelos adicionales algunos días, mientras que otras aerolíneas brindan más opciones. Tenga en cuenta que Alice no puede reemplazar al Airbus 320 que vuela esta ruta con potencialmente 170 pasajeros, pero redondeemos un poco los vuelos para llenar los vacíos para los viajeros de negocios a quizás 20 vuelos de Alice por día con algunos aviones.

Eso aumentaría los requisitos de electricidad hasta alrededor de 10,8 MWh por día en cada aeropuerto, o alrededor del 2,5% del consumo diario del aeropuerto.

Agregar aviación eléctrica no va a ser una carga para el suministro de electricidad de un aeropuerto inicialmente, y estamos muy lejos de desplazar al Airbus A321 con totalmente eléctrico, quizás 40 años. Va a ser un porcentaje mayor para los aeropuertos más pequeños, y Helsinki no es pequeña con 21,8 millones de pasajeros al año, pero la escala no es un problema particular.

También pone en perspectiva la energía solar en los aeropuertos. Por ejemplo, el aeropuerto de Edmonton (YEG) tuvo 8,2 millones de pasajeros anuales en 2019, lo que lo convierte en aproximadamente un tercio de la escala de Helsinki, y tiene una granja solar de 120 MW que generará en el rango de 210 GWh por año según la calculadora PVWatts de NREL, eclipsando los propios requisitos del aeropuerto. Eso varía ampliamente a lo largo del año, por supuesto, con julio viendo alrededor de 0,9 GWh por día y diciembre con alrededor de 0,25 GWh por día.

La gran mayoría de los vuelos programados desde el aeropuerto, 10-16 a cada destino todos los días, son a Calgary (300 km), Vancouver (800 km) y Toronto (2700 km), todos los cuales he volado varias veces. Los subcampeones son un número mucho menor por día a lugares cálidos, como era de esperar, seguidos de vuelos ocasionales a otros lugares.

Usemos el Airbus A321 con 200 asientos como comparación, ya que los jets modernos son notablemente eficientes. Quema unos 4.400 litros de combustible cada 1.000 km, todo lo demás en igualdad de condiciones. Los motores a reacción modernos funcionan con una eficiencia del 55 %, lo cual es asombroso, por cierto, pero solo lo hacen a 30 000 pies de altitud a una velocidad de crucero óptima. Suponiendo que el rodaje, el despegue y el aterrizaje tengan un costo de eficiencia, supondremos una eficiencia del 50 % en la conversión de combustible para aviones en energía útil.

Jet A tiene alrededor de 34,69 MJ/litro. Al igual que los autos eléctricos, los aviones eléctricos son más eficientes, con proyecciones conservadoras en el extremo inferior del 85%.

Electricidad requerida para vuelos comunes desde el aeropuerto de Edmonton en MWh asumiendo Airbus A321

Con un promedio de 14 vuelos a cada destino por día, el promedio de MWh requerido para la gran mayoría de los vuelos es de aproximadamente 440, o 0,44 GWh. Los observadores atentos notarán que en los días soleados de junio, es probable que todos los vuelos que salgan del aeropuerto funcionen fácilmente con paneles solares con electricidad neta fluyendo a la red, mientras que en diciembre, tendrá que agregar unos cientos MWh de la red. Como normalmente consume alrededor de 50 MWh por día, las conexiones tendrían que aumentarse, pero eso es cierto independientemente, ya que tiene que entregar la electricidad de su granja solar a la red de alguna manera.

En el año, eso es quizás 160 GWh, que los mismos observadores perspicaces notarán que es menos de los 210 GWh que proporcionarán los paneles solares del aeropuerto. Agregue los probables 18 GWh o más de los requisitos de electricidad del aeropuerto para el año y al aeropuerto todavía le quedan 32 GWh. Puede hacer funcionar toda la flota de vehículos de servicio terrestre con eso, y proporcionar toda la calefacción del aeropuerto también, reemplazando los 4,2 MW de plantas de cogeneración de gas natural que hacen el trabajo hoy.

A lo largo del año, la granja solar de Edmonton probablemente sea suficiente para alimentar todos los vuelos desde Edmonton, todo el aeropuerto, las flotas terrestres dentro del aeropuerto y para ser un centro regional de reabastecimiento de combustible para camiones y flotas de automóviles. No es que lo sea durante décadas, ya que en mi proyección es solo alrededor de 2070 que los rangos en grandes aviones de pasajeros llegarán a distancias transcontinentales, y los biocombustibles SAF estarán haciendo el trabajo pesado en el extremo superior durante décadas después de eso, a medida que los fuselajes envejezcan.

Eso es insuficiente, por cierto, para impulsar la aviación con hidrógeno verde de la misma granja solar. Los paneles solares, la electrólisis del hidrógeno, la eliminación de vapor, la compresión, el almacenamiento, la licuefacción, el avión, la evaporación y los motores tendrían una eficiencia mucho menor, probablemente una cuarta parte del uso directo de la electricidad, por lo que los paneles son suficientes para toda la aviación. Edmonton actualmente solo alimentaría quizás una cuarta parte, incluso si la aviación de hidrógeno fuera una cosa.

Pero luego está la siguiente pregunta, que me hizo recientemente un fundador sigiloso de otra empresa: ¿cuánto costará la electricidad como combustible de aviación? Eso es mucho más difícil de responder, ya que los precios minoristas y comerciales de la electricidad difieren mucho de los precios mayoristas debido a una variedad de factores políticos. Es una pregunta interesante en cuanto a cómo se desarrollará.

Por ejemplo, Alemania tiene una de las tarifas de electricidad al por mayor más bajas de Europa, pero es famosa entre las tarifas comerciales e industriales más altas, $ 300 / MWh y más recientemente. Esto fue hecho intencionalmente por ellos como una política para impulsar la eficiencia en el uso de energía en toda su economía, y cuando hice los cálculos, ascendió a casi exactamente los mismos costos adicionales que se aplicaron a la gasolina y el diésel (aunque no Jet A-1). Claramente, a medida que las redes se descarbonizan, promover la eficiencia de la electricidad a través de precios altos se vuelve contraproducente. Eso sugiere alrededor de $ 160 para llenar el Alice en Alemania.

EE. UU., también famoso, prácticamente no tiene impuestos más allá de los básicos sobre sus combustibles fósiles y, al menos en el área de la aviación, no les agrega precios de carbono o impuestos que impulsan la eficiencia. Sus cargos promedio de electricidad en el sector del transporte fueron de $ 102.00 por MWh en 2021, por lo que costaría alrededor de $ 55 llenar el Alice.

En Canadá, las tarifas industriales por MWh varían ampliamente, desde alrededor de $ 45-60 / MWh para electricidad hidroeléctrica heredada con muy bajas emisiones de carbono en Quebec y BC, a $ 150 / MWh para electricidad muy alta en carbono generada con más combustibles fósiles en Alberta y Saskatchewan. Eso es un rango de $ 24 a $ 81 para llenar el tanque de Alice.

Asumiendo los 540 KWh para el Alice, y cambiando a litros de Jet A en su lugar, necesitaríamos alrededor de 140 litros para volar la misma distancia si fuera un avión de combustión interna, en igualdad de condiciones, y usando un alto factor de eficiencia del 40%. Con el precio promedio actual de Jet A por litro de $0.80, eso daría un precio de alrededor de $112. Como puede verse, los 150 dólares de Alemania harían que la aviación eléctrica fuera poco probable, los 55 dólares de EE. UU. harían que fuera una obviedad, mientras que las tarifas de Canadá varían de buenas a muy buenas para los aviones eléctricos. Coincidentemente, la California verde tiene una de las tarifas de electricidad más altas de los EE. UU., obviamente un fracaso de la política, y sus $156,30 por MWh se convertirían en $84 para llenar el Alice, todavía es un trato.

Luego tienes el interesante mundo de los aeropuertos. Podrán vender la electricidad ellos mismos directamente a los operadores de aviones sin tener que establecerse como una empresa de servicios públicos, al menos en los EE. UU., según Hilgers. Y querrán obtener ganancias del servicio. Es posible que reciban exenciones fiscales de la electricidad, pero si no, obtendrán incentivos de varios tipos para construir sus propias grandes plantas solares y al menos algo de almacenamiento.

¿Cómo fijará el aeropuerto el precio de la electricidad que él mismo fabrica? Buena pregunta.

Lo que se puede decir es que muchos de los impulsores de las variaciones de precios de la electricidad desaparecerán a medida que pasemos a muchas energías renovables, ampliamente conectadas con HVDC, con una buena cantidad de almacenamiento en la red. Entonces, los impulsores de la eficiencia serán puramente económicos, no ambientales y, como tales, es probable que haya menos complementos en lugares como Alemania. En segundo lugar, a medida que nos deshagamos de los costos de combustible, la escasez, las variaciones y las guerras de precios se volverán algo mucho menos común. En tercer lugar, a medida que interconectamos más y más redes con HVDC, los mercados y la competencia harán lo suyo para reducir los costos y los precios. Y si sabiamente construimos lotes de almacenamiento hidroeléctrico bombeado con una vida útil de más de 125 años, la amortización de los costos de capital eventualmente llegará a cero, por lo que solo los costos operativos serán relevantes.

Mi opinión es que el mundo tenderá hacia una situación global bastante plana de precios minoristas de $40-$50/MWH en dólares de 2020 para 2100, pero habrá muchos picos de precios geográficos y temporales hasta entonces. Los jinetes de la hoja de cálculo que averiguan dónde repostar, cuánto, si parar y qué rutas favorecer económicamente no desaparecerán, estarán haciendo modelos aún más complejos.

Pero echemos un vistazo a la historia del precio del combustible de aviación. La razón por la que Europa recién está comenzando a fijar el precio del carbono en el combustible para aviones, y por la que otras jurisdicciones apenas lo gravan, es porque la aviación se considera un bien de desarrollo económico. Como resultado, restringieron artificialmente el precio del combustible de aviación para acelerar su adopción como políticas nacionales y jurisdiccionales. Ciertamente podemos discutir si esa fue una gran idea dado el papel descomunal que juega la aviación en el calentamiento global, pero ese es un precedente que vale la pena considerar.

¿Qué pasaría si se permitiera a los aeropuertos, como cuestión de política, excluir la electricidad utilizada para alimentar aviones eléctricos de varios impuestos y sumadores? Dadas las principales ventajas climáticas y de eficiencia de la electrificación para todos los segmentos industriales y de grandes consumidores, ¿qué pasaría si eso fuera cierto para todas las tarifas eléctricas industriales y comerciales grandes como una cuestión de política, ya que las tarifas de los combustibles quemables suben y suben, ya sea debido al carbono? precios o simplemente biocombustibles SAF más caros? ¿Cuánto incentivaría eso el cambio a la aviación eléctrica? Pienso mucho y creo que las políticas de aviación nacionales e internacionales deberían apoyarlo.

Nota final: una versión original de este artículo utilizó datos del sitio web público de Shell de 24 millones de litros de combustible proporcionados en el aeropuerto anualmente, pero aunque Shell es el principal proveedor, hay otros dos proveedores de combustible. Dos comentaristas cuestionaron los órdenes de magnitud de los requisitos de energía, así que saqué la pieza y volví a hacer los cálculos completamente desde un ángulo diferente y llegué dentro del mismo orden de magnitud.

es miembro de los consejos asesores de la startup de aviación eléctrica FLIMAX, estratega jefe de TFIE Strategy y cofundador de distnc technologies. Presenta el podcast Redefining Energy - Tech (https://shorturl.at/tuEF5), parte del galardonado equipo Redefining Energy. Pasa su tiempo proyectando escenarios para la descarbonización de 40 a 80 años en el futuro y ayudando a ejecutivos, juntas e inversores a elegir sabiamente hoy. Ya sea reabastecimiento de combustible para la aviación, almacenamiento en la red, vehículo a la red o demanda de hidrógeno, su trabajo se basa en los fundamentos de la física, la economía y la naturaleza humana, y está informado por los requisitos de descarbonización y las innovaciones de múltiples dominios. Sus posiciones de liderazgo en América del Norte, Asia y América Latina mejoraron su punto de vista global. Publica regularmente en múltiples medios sobre innovación, negocios, tecnología y política. Está disponible para la Junta, asesor de estrategia y compromisos para hablar.

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