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Las baterías de litio en la aviación y la seguridad

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Batery B787Guadalajara, SP, 3 de marzo de 2013.- Las baterías de Iones de Litio comenzaron a comercializarse a principios de los años 90 popularizándose su empleo sobretodo en equipos portátiles, teléfonos móviles, ordenadores, agendas, lectores de música, cámaras fotográficas, etc… Éstas son quizás las aplicaciones más conocidas, pero también se emplean en el sector aeroespacial, militar, automoción, etc… Como todos los inventos, tiene claras ventajas respecto al tipo de baterías que se venían utilizando y también algunos inconvenientes.

Entre las ventajas cabe destacar:

  • – Su elevada densidad de energía, es decir, acumulan más energía por unidad de peso y volumen que sus competidoras (aproximadamente el doble que las de Ni-Cad), característica importante sobretodo en Aviación y Aeronáutica. El Litio es el metal más ligero, pesa aproximadamente la mitad que el agua.
  • – Gran capacidad de descarga, característica importantísima en algunas aplicaciones donde se requiere que suministre una importante cantidad de la energía almacenada en muy poco tiempo.
  • – No están afectadas por el efecto (o mejor defecto) "memoria" como algunas de sus competidoras.
  • – Muy rápida tasa de carga y muy baja tasa de auto-descarga cuando no se está utilizando.

Y otras ventajas que dependiendo de la aplicación especifica se ponderan más o menos.

Entre los inconvenientes hay uno que destaca sobre todo para aplicaciones en Aviación.

Un incendio en tierra firme es peligroso, más peligroso aún en el mar y en el aire no quiero ni contar.

Las baterías de Iones de Litio cuando se sobrecalientan , tienen cierta predisposición a desarrollar un fenómeno que en inglés se denomina "Thermal Runaway" y salen ardiendo o explotan.

Los incidentes que han ocurrido en algunos Boeing 787 "Dreamliner" no han sido ni más ni menos que producidos por este fenómeno aunque no se conozca la causa.

¿Por qué se han producido este fenómeno? Esto es lo que tienen que descubrir las partes investigadoras para poder corregir estos sucesos y que se puedan volver a utilizar de una manera segura. El problema puede ser debido, a la batería, al equipo de carga, al usuario si está utilizando la batería en condiciones más allá de sus especificaciones ó a cualquier otra causa que tendrán que determinar los organismos encargados del caso.

Una serie de incidentes en un periodo muy corto de tiempo, como los sufridos por la compañía nipona ANA (All Nippon Airways) por un olor extraño y humo en la cabina forzando un aterrizaje de emergencia y otro de la compañía japonesa JAL (Japan Air Lines) que sufrió un pequeño incendio en el aeropuerto de Boston por un problema similar con las baterías, llevó a la FAA (Federal Aviation Administration) a suspender temporalmente todos los vuelos de los Boeing 787 (unos 50) hasta que se descubra la causa y una vez subsanado el problema puedan volar de una forma segura.

A la FAA se ha sumado después otras agencias inhabilitando temporalmente a este modelo de aeronaves para volar hasta que se demuestre que lo pueden hacer con todas las garantías.

No hace falta comentar los intereses que están en juego con esta decisión, depreciación de la cotización en bolsa de Boeing, compensaciones millonarias a las compañías afectadas, retrasos de entregas de nuevos "Dreamliners", cierto desprestigio para el fabricante etc. etc.

Entre las partes que actualmente investigan este problema trabajando contrarreloj están, la FAA, NTSB (National Transportation Safety Board), Boeing y sus suministradores, las compañías japonesas victimas de los incidentes y todo el que puede aportar algo de luz en todo este asunto.

Quiero mencionar que no ha sido el Boeing 787 el primer avión que ha utilizado baterías de Iones de Litio como he leído en algunos artículos. El Airbus A380 actualmente en servicio también las utiliza sin ningún incidente hasta la fecha, si es cierto que Airbus se lo está pensando para el A350 que estaba previsto que utilizara también baterías de este tipo.

Mike Sinnet BoeingAhora simplemente copiando las palabras de la declaración del Vicepresidente de Ingeniería y Jefe del Proyecto del Programa 787, Mike Sinnett, voy a tratar de describir la arquitectura del sistema eléctrico del Boeing 787 para ayudarnos a entender un poco mejor el problema.

El 787 difiere un poco del resto de los aviones comerciales, incluso de los fabricados por Boeing, en lo que concierne a la generación, distribución de energía eléctrica y uso de las baterías, electrificando determinadas funciones que en otros aviones se hacen por otros medios.

Todas las aeronaves necesitan electricidad, siendo suministrada bien por una fuente externa en el aeropuerto, por los motores del avión cuando están en marcha, por el APU (Auxiliary Power Unit), por las baterías en determinadas circunstancias que ya veremos o por los aerogeneradores desplegados en caso de un gran fallo.

En primer lugar para la generación de electricidad el 787 dispone de dos generadores por motor de 250 KVA a 235 VAC (Boeing los llama Variable-Frequency Start Generators, porque también los utiliza para poner en marcha los motores).

En el APU hay otos dos generadores adicionales de 225 KVA a 235 VAC. Que también se utilizan como motores para poner en marcha la APU.

Comparación

Estos 6 generadores tienen ya una capacidad total de, 250 x 2 = 500 KVA x 2 Motores = 1.000 KVA, más los dos del APU, 225 x 2 = 450 KVA. Total = 1.450 KVA.

Con tal capacidad de generación de energía eléctrica podría alimentar una población de más de 300 viviendas, aunque no es normal que estén todos los generadores activados a la vez, el fabricante asegura que en realidad puede volar de forma segura con solo 1 generador funcionado.

Además dispone como último recurso del RAT (Ram Air Turbine) que suministra tanto energía eléctrica como hidráulica como para poder volar de una forma segura y llevarlo a buen puerto si fallan los dos motores del 787 y el APU. Recuerden el vuelo 236 de Air Transat, un A330-200 aterrizando en las Azores después de planear 65 millas náuticas (120 Km.) sin gota de combustible utilizando el RAT como única fuente de energía además de las baterías.

La energía eléctrica generada tanto por los 6 generadores de los 2 motores como por los 2 generadores de la APU se lleva a lo que se conoce como E/E Bay (Electrical / Equipment Bay) donde se acondiciona y distribuye a través de 17 subestaciones . Los E/E Bay en el 787 están situados uno en el centro de la aeronave (Aft E/E Bay) y el otro E/E Bay en el frente (Forward E/E Bay) , ahorrándose con esta distribución y otras estrategias unos 20 millas de cable respecto a un 767.

El 787 necesita generar más energía eléctrica que otras aeronaves porque funciones que en otros aviones las realizan con energía hidráulica o neumática, en este caso se hace con energía eléctrica.

En otras aeronaves las bombas hidráulicas van acopladas directamente a los motores (Engine Gearbox), en el 787 las mueven motores eléctricos.

En otras aeronaves se toma aire a presión de las turbinas (Bleed Air System) para el confort de cabina (aire acondicionado), para activar servomecanismos, proteger superficies del hielo etc. En el 787 todas estas actividades se hacen con electricidad incluso para frenar en el aterrizaje o para el movimiento de las superficies aerodinámicas que controlan la aeronave existe la capacidad de ejercitar ese control con electricidad en caso de fallo hidraulico.

Por consiguiente, la energía eléctrica producida se utiliza para satisfacer las distintas necesidades energéticas de la aeronave como henos visto anteriormente más otras muchas, pero también parte se almacena en baterías.

Información del plan en caso de incendio de batería a bordo

El 787 tiene 2 baterías de Iones de Litio de un tamaño un poco mayor que las de un automóvil. La principal (Main battery) ubicada en la parte delantera (Forward Electrical Equipment Bay) y la del APU (APU Battery) ubicada en la parte trasera (Aft Electrical Equipment Bay).

¿Para qué se utilizan estas baterías?

Normalmente estas baterías se utilizan por periodos de tiempo muy cortos cuando la aeronave no esta conectada a ninguna fuente externa de energía y tanto los 2 motores del 787 como la APU están parados.

La batería principal se utiliza para lo que se denomina en el argot aeronáutico un "cold dark start", es decir, está todo apagado, no tenemos ninguna fuente de energía salvo las baterías y hay que comenzar a poner en marcha la aeronave o para frenar cuando hay que parar el avión sin otra fuente de energía disponible. En el primer caso, se entra en el 787 y presiona el "Battery Switch". Unos pocos minutos después, parte de la aviónica activada permite poner en marcha la APU mediante su propia batería. A partir de ponerse en marcha la APU, sus generadores suministran toda la energía eléctrica que la aeronave necesita en tierra o bien se alimenta de una fuente externa.

Si se pierden todos los generadores en vuelo, la batería principal alimentaria el equipo necesario hasta que comience a funcionar el aerogenerador RAT, (Ram Air Turbine) y alimente el back-up bus.

En cualquier caso, aún con la batería principal inutilizada durante el vuelo, el fabricante asegura que el 787 podría volar y aterrizar de una forma segura.

La batería de la APU se utiliza para poner en marcha la APU si no hay otra fuente de energía disponible.

En su charla Mike Sinnett comentó que el 787 se puede despachar para que emprenda el vuelo, con la batería de la APU inoperativa.

Como puede apreciarse en el diagrama, las baterías del 787, de un peso aproximado de 28 Kg. están fabricadas con 8 celdas (cells) de 4 V cada una conectadas en serie, suministrando 32 VDC.

Despiece batería de litioTambién se puede apreciar que en el interior lleva un sensor de corriente así como un sistema de monitoreo y desconexión (contactor). Pero curiosamente, no veo ningún sensor/protector de temperatura (eso no quiere decir que no lo tenga), siendo aparentemente la temperatura lo que lleva a ese peligroso comportamiento de "Thermal Runaway" provocando el incendio o la explosión.

Hay fabricantes de baterías de Iones de Litio para aplicaciones no tan importantes como la que nos ocupa, que cada batería contiene, protección de, sobre-temperatura, sobre-presión, sobre-carga, sobre-descarga, sobre-corriente, desconectando automáticamente sus terminales si detecta alguno de estos parámetros fuera de rango.

Prefiero pensar que las baterías empleadas en el 787 tiene todas estas protecciones y más, aunque no estén mostradas en este diagrama suministrado por Boeing.

De momento no hay más remedio que esperar y aplaudir la decisión de la FAA de bloquear temporalmente las operaciones de los 787 Dreamliner en tanto en cuanto no se averigüe la causa o causas de esos incidentes y se corrijan. A pesar de los millones de dólares que va a costar esta decisión, el coste hubiera sido mucho mayor en el supuesto que un 787 hubiera tenido un accidente grave con pérdida de vidas por culpa de un incendio provocado por alguna de estas baterías. Este tipo de actuación decidida por parte de los organismos encargados de velar por la SEGURIDAD son los que dan confianza a los usuarios y evitan sufrimientos innecesarios de todo tipo.

J.M.M.C.

Enlaces relacionados:

NTSB, Chairman Deborah A.P. Hersman briefs the media on the JAL Boeing 787

Boeing, Mike Sinnett, 787 VP and Chief Project Engineer, overview of the electrical & battery systems in the 787

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