Inovação aeroespacial pode ser impulsionada com o uso do hidrogênio
O hidrogênio como combustível está desafiando todo o setor a redefinir o projeto de aeronaves (crédito: iStock)
Por Thierry Olbrechts, diretor da Simcenter Aerospace Industries Solutions da Siemens Digital Industries Software
São Paulo, 05 de julho de 2023 – A aviação é responsável por quase 5% das emissões de efeito estufa em todo o mundo (mais de 1 Gt em emissões diretas de CO2 em 2019, de acordo com a AIE – Agência Internacional de Energia). Com isso, as operações sustentáveis se tornaram uma prioridade para o setor, além dos benefícios mais tradicionais de eficiência das aeronaves. Desta forma, muitas empresas do setor de aviação começaram a buscar um caminho para que as aeronaves atinjam zero emissão. Algumas consideram a eletrificação (uso de bateria) como uma opção conforme visto na indústria automotiva, mas a baixa densidade de energia em relação ao peso total do meio de armazenamento é um problema em voos longos. As outras empresas aeroespaciais estão investindo em hidrogênio para a próxima geração de aeronaves. A densidade da energia do combustível de hidrogênio é quase o triplo do querosene, que é usado hoje nas aeronaves. Além disso, o hidrogênio é o elemento mais abundante no universo.
A adaptação de todo o setor para o uso de um novo meio de energia envolve desafios e exige fluxos de trabalho com gêmeos digitais no projeto, na análise, otimização e operação de viagens aéreas baseadas em hidrogênio. Uma abordagem que utiliza dados com o gêmeo digital ajudará os projetistas a criar aeronaves totalmente únicas e cada vez mais complexas usando modelagem de simulação, conjuntos de dados abrangentes e validação no mundo real. Mas as mudanças no setor também vão exigir a criação de sistemas eficientes para a fabricação, o transporte e o armazenamento de hidrogênio como fonte de combustível. A construção da indústria aeroespacial sustentável do futuro exige que as empresas usem o hidrogênio e a digitalização hoje.
Modelos de simulação integrados
Talvez o maior desafio para os engenheiros que desenvolvem uma aeronave a hidrogênio é que esta área é totalmente nova para os profissionais do setor. Embora o hidrogênio ainda possa ser usado como combustível gasoso, a natureza do próprio hidrogênio exige recursos e estruturas especiais nos motores de turbina a gás devido à queima muito mais rápida e mais quente do que o querosene. O uso de células de combustível é igualmente complicado, utilizando apenas um subconjunto diferente da física. Há também o desafio do armazenamento do combustível. Embora a densidade da energia do hidrogênio seja três vezes maior do que a densidade do querosene, a densidade de energia volumétrica exige um espaço quatro vezes maior para obter os mesmos resultados.
Não será viável contar apenas com protótipos físicos para avaliar possíveis projetos, considerando a complexidade, o custo, o tempo e os recursos limitados da construção de aeronaves sustentáveis. Em vez disso, as equipes de engenharia devem usar o gêmeo digital abrangente nas simulações multifísicas para analisar no mundo virtual o comportamento de sistemas de geração de energia, motores e aeronaves inteiras. Esse amplo desafio também exige a convergência das várias áreas que participam do projeto e a coordenação do trabalho usando uma abordagem de sistema de sistemas. Por exemplo, um grupo da engenharia pode querer reduzir as estruturas internas para melhorar o peso, mas pode ter que coordenar com a equipe de sistemas elétricos para garantir que os cabos passem pelas aberturas ou com um fornecedor para adicionar conectores durante a instalação.
Dados de toda a empresa
A construção de uma aeronave sustentável não significa apenas criar uma aeronave viável movida a hidrogênio. O hidrogênio e os materiais usados para construir a aeronave têm um impacto ambiental, se considerarmos desde as práticas de mineração e extração até a energia usada na fabricação. Esses dados estão espalhados por vários negócios e suas cadeias de valor. O impacto do hidrogênio como combustível é um ótimo exemplo, considerando a sua importância no futuro. O gás hidrogênio pode ser obtido de muitas fontes diferentes, algumas verdes, outras nem tanto. A identificação da proveniência do combustível tem grandes consequências na sustentabilidade da aeronave ao longo de sua vida útil. A coleta e validação dessas informações exigem um ecossistema industrial conectado para comunicar as necessidades entre os grupos envolvidos.
O mesmo se aplica à fabricação de componentes e unidades da aeronave. Um motor do fornecedor A pode ter um impacto maior de emissão de carbono na instalação do que o motor do fornecedor B, mas oferece uma vida útil mais longa. A decisão sobre qual motor utilizar deve levar em conta o número máximo possível de dados e fontes para equilibrar a sustentabilidade com lucratividade, qualidade e tempo de fabricação. A coleta, análise e otimização desses dados com o gêmeo digital fornecem um processo de desenvolvimento simplificado para o que pode ser o próximo grande passo na inovação aeroespacial.
Validação das hipóteses
Embora o objetivo de implementar os modelos de simulação de alta fidelidade com gêmeo digital seja eliminar a necessidade de protótipos de alto custo e cheios de recursos, o gêmeo digital para aeronaves movidas a hidrogênio precisará de validação rigorosa e contínua para garantir que as decisões tomadas sejam as melhores possíveis. Desde o projeto inicial do conceito, os engenheiros precisam de acesso a dados relevantes e verificados, que podem ser dados comuns, como as propriedades dos materiais estruturais, ou sofisticados, como o estado criogênico ideal para armazenar hidrogênio a bordo. E ao longo do desenvolvimento, o teste e a operação desses dados devem evoluir para representar com precisão o mundo real no mundo digital.
Essa riqueza de dados também deve ajudar na tomada de decisões com impacto global na sustentabilidade da aeronave. Indicadores holísticos de sustentabilidade, obtidos a partir de dados do mundo real e resultados de simulação, podem orientar os engenheiros no projeto ideal da aeronave. Um exemplo é entender o impacto de um maior volume de armazenamento de combustível em um projeto de aeronave de asa mista. O aumento de volume pode fornecer uma relação melhorada entre material e volume, mas isso poderia prejudicar o perfil externo da aeronave, alterando as condições de arrasto da superfície e afetando a eficiência total do combustível. A mudança também pode exigir um contrato de fornecimento atualizado para o material adicional ou especificações alteradas da câmara de combustível. Com dados relevantes prontamente disponíveis a partir de modelos de simulação no gêmeo digital, a otimização do projeto será mais eficaz.
Cooperação de todo o setor aeroespacial
A mudança para uma fonte de energia completamente nova também envolve outros desafios de infraestrutura e logística. Eles não são problemas exclusivos, apenas não foram resolvidos ainda. Atualmente, a capacidade global de produção de hidrogênio verde não é suficiente para atender à demanda de um setor aeroespacial em expansão. Além disso, o combustível disponível é difícil de armazenar devido ao seu grande volume e às suas propriedades corrosivas sob pressão. Muito trabalho está sendo realizado para resolver esses dois aspectos, e o investimento das empresas aeroespaciais é um benefício para o desenvolvimento. A demanda por combustível que gaste menos energia vai acelerar um mercado em expansão e fornecer um caminho para que a indústria pesada e os setores automotivo, de manufatura industrial e energia adotem o hidrogênio como combustível substituto.
No entanto, os fabricantes, fornecedores e outros parceiros do setor terão que desenvolver padrões para o armazenamento e fornecimento do combustível. O armazenamento criogênico pode resolver muitos problemas de corrosão que ocorrem quando o hidrogênio é mantido sob pressão, mas, como o nome indica, requer temperaturas extremamente baixas. Existem outras tecnologias que não empregam hidrogênio em sua forma pura, como o uso de amônia como transportador de átomos de hidrogênio para o armazenamento de energia de longo prazo. Felizmente, para o setor, o número relativamente baixo de aeroportos em comparação com o número de postos de abastecimento de automóveis indica que o armazenamento pode ser localizado com mais facilidade. Encontrar a implementação certa levará tempo e exigirá a cooperação de todo o setor e dos órgãos governamentais.
O futuro da aeronave sustentável
O desenvolvimento de aeronaves sustentáveis movidas a hidrogênio exigirá uma transformação massiva de tudo, desde as próprias aeronaves até a infraestrutura e as cadeias de suprimentos. Essa escala de mudança pode parecer assustadora, mas o uso de um gêmeo digital continuamente validado ajudará os engenheiros a unir as várias áreas envolvidas. O gêmeo digital abrangente permite que os desenvolvedores analisem todos os aspectos dos dados do projeto para otimizar suas aeronaves e garantir a sustentabilidade em todo o ciclo de vida do produto. A tecnologia digital pode ajudar as empresas aeroespaciais a enfrentar melhor os desafios relacionados ao uso do hidrogênio e começar uma nova era de voos sustentáveis movidos a hidrogênio.
Sobre o autor
Thierry Olbrechts é o diretor da Simcenter Aerospace Industries Solutions da Siemens Digital Industries Software. Em 1996, ele ingressou na Siemens Digital Industries Software. Desde 2000, Thierry é responsável pelas estratégias de desenvolvimento e lançamento no mercado de negócios de teste e simulação da Siemens para os segmentos dos setores de aviação, espaço e defesa.
A Siemens Digital Industries Software ajuda empresas de todos os portes em sua transformação digital usando software, hardware e serviços da plataforma Siemens Xcelerator. O software e o gêmeo digital abrangente da Siemens permitem que as empresas otimizem seus processos de projeto, engenharia e manufatura para transformar as ideias de hoje em produtos sustentáveis do futuro. De chips a sistemas inteiros, de produtos a processos, para todos os setores, Siemens Digital Industries Software – Accelerating transformation.
DIVULGAÇÃO: LLYC
Olá Colegas. Já abordei este problema em outros comentários. Alguns pontos. 1. o fato do elemento hidrogênio ser o mais abundante no universo tem pouco impacto na questão da sustentabilidade ou do uso do gás hidrogẽnio. 99,999999..% do hidrogênio está nas estrelas sendo queimado em reações nucleares ou espalhado pelo espaço formando nebulosas. O que importa é a disponibilidade de hidrogênio na Terra. A maior parte do hidrogênio esta preso nas moléculas de água e uma parte muito pequena em moléculas orgânicas, tipo metano e sistemas biológicos, mas é uma fração bem pequena. Para obter o gás hidrogênio (H2) para… Read more »
1- Se gasta muita energia nesse processo de separação do H, porém a tecnologia pode evoluir, e deixar mais fácil, é mais fácil também de se criar uma planta de geração de H do que se iniciar uma mina de minérios que irão dentro de uma bateria, os impactos ambientais são horríveis. 2- Apesar de ser pesado, as baterias também são, e tem um lado pior, ao longo da viagem as baterias não perdem peso, ao contrário de um sistema de H, analisando os seus 2 pontos, fica evidente a superioridade ambiental e pratica do uso de H na aviação.… Read more »
Caro Carlos. A energia para separar transformar água em gás H2 e O2 é exatamente a energia que se obtém da queima do H2 com O2 para formar água. A diferença é que a eletrólise é um processo eletroquímica mais eficiente que uma máquina térmica (como uma turbina). Então somente uma parte da energia usada na eletrólise para produzir H2 é recuperada na propulsão de um avião, por exemplo. Submarinos, por outro lado, usam células combustível para produzir eletricidade a partir do H2, que é um processo muito eficiente. O problema é que uma céiula combustível é muito pesada. As… Read more »
Seus pontos são muito válidos porém, creio ser uma questão de pensar o hidrogênio não como uma fonte de energia em si mesma mas um meio de armazenamento dessa mesma energia. Usinas eólicas, solares e hidroelétricas geram energia renovável mas, além de inconstantes, não tem como armazenar excedentes gerados em momentos favoráveis nem disponibilizar essa energia para quem não esteja fisicamente conectado a elas. Como, por óbvio, veículos, especialmente aviões e navios não tem como funcionar plugados a qualquer tipo de rede, o hidrogênio verde para os aviões e a amônia verde para os navios, entram como uma forma de… Read more »
Seus pontos são muito válidos porém, creio ser uma questão de pensar o hidrogênio não como uma fonte de energia em si mesma mas um meio de armazenamento dessa mesma energia. ISSO que o Camargoer não vê, não é uma questão de SE o H é uma fonte de energia boa ou não, na aviação ele nada mais é que uma forma de armazenar a energia, na aviação é melhor H em um carro é melhor bateria.
acredito que dirigíveis serão uma ótima solução para a logística e para as guerras, tem a proposta da SPACEX que visa entregar até 100t de carga em qualquer lugar do mundo em poucas horas usando foguetes.
Olá. Temos uma empresa de dirigíveis aqui em São Carlos, AirShip. O problema é que o gás hélio é caro e está se tornando raro. Os EUA praticamente controlam o mercado mundial de hélio. Meus colegas já discutem o futuro de tecnologias com a de ressonâncias nuclear magnética, que demanda hélio líquido para resfriar os supercondutores empregados. Por isso, hoje se usa tanto a tomografia em lugar a ressonância. Uma carga de hélio custa entre R$ 50 e R$ 100 mil. e alguns equipamentos demandam duas cargas de hélio líquido por ano.
que absurdo de preço, da até vontade de se tornar importador de hélio
Pois é. O hélio líquido é muito caro e a importação depende de autorização do governo dos EUA que o considera um produto de valor estratégico. É bem complicado.
O problema da eletrolise é antigo… Se gasta mais energia do que se gera ! Existem solucoes empregando energia eolica, solar… Mas a producao de hidrogenio em larga escala requer muita infraestrutura !
Os chineses ja estao fabricando e comercializando baterias de ions de sodio !
Bom pelo que tenho visto a o H tá sendo a melhor alternativa, e o que mais agrada, sobre as baterias, os carros elétricos são um engodo, um embuste que vai poluir nosso planeta, assim como as placas solares e os redemoinhos de energia elétrica. o mundo seria melhor com energia nuclear e sequestro de carbono.
Olá Crispim. Entendo que a melhor alternativa e uma combinação dos sistemas. Já fui um grande defensor da energia nuclear, mas o acidente de Fukushima me obrigou a repensar isso. Se por um lado, Chernobyl e Three MIles foram problemas operacionais, Fukushima foi um desastre natural. Por sorte e por muita sorte Fukushima não explodiu, expondo o núcleo. Os carros elétricos são uma excelente alternativa para evitar a poluição dentro das cidades. O Brasil conseguiu melhorar a qualidade do ar das metrópoles usando etanol, por exemplo. O carro elétrico reduz as emissões dentro das cidades e seria óimo substituir o… Read more »
Carlos, os carros elétricos são uma solução Europeia, para um problema europeu
Para países como o Brasil, China e EUA, por exemplo, o melhor, no atual estagio tecnológico, e na minha opinião, o sistema Hibrido.
O motor trabalha no ponto ótimo de aproveitamento energético e quem faz o esforço é o motor elétrico, de modo beeeem simplificado.
E o Brasil ainda tem a vantagem de ter o Álcool como combustível.
Eu acho que o sistema hibrido, se implementado em larga escala, economizaria muito em custos de combustíveis, fósseis ou não, além de diminuir muito a emissão de poluentes.
Tem de ter um estudo muito aprofundado e internacional inclusive contando com as entidades de segurança de vôo para não acontecer acidentes catastróficos com o hidrogênio que estará, a principio, no estado gasoso. As diferenças de pressão atmosférica agirão constantemente nos respectivos tanques e qualquer falha não dará chance a redundâncias.
Entendi que o post é propaganda da Siemens para vender seu produto Simcenter
Ao invés de criarem uma série de problemas para o setor aéreo com o desenvolvimento de novas tecnologias que até atingirem a maturidade irão custar bilhões e bilhões de dólares e acarretarão na redução da já péssima rentabilidade das operadoras, atacarem outras áreas mais problemáticas, por exemplo; A geração de eletricidade por carvão que ainda é a base da matriz de 1/3 de eletricidade mundial. Este é o problema que ninguém quer resolver, porque mexe com a competitividade econômica de cada nação. (Só no Brasil, que não tem indústria relevante é que a energia é cara, no resto do mundo,… Read more »
De fato, existe muito green washing acontecendo mas o modelo baseado em combustíveis fósseis perderá cada vez mais competitividade ao longo do tempo. A geração de energia renovável, por outro lado, tende a ter custos decrescentes conforme progredir a pesquisa científica e a criação da infra necessária. Vencidas essas etapas, dificilmente a matriz atual terá como competir com a matriz que está lentamente se estabelecendo. Essa, vale dizer, não é uma opinião minha apenas. A grande maioria das empresas ligadas ao setor de óleo e gás está estudando ou já se movimentando no sentido de migrar de atividade para sobreviver.
Essa matéria dá muito pano para as mangas. Primeiro, eu mal tenho ouvido falar na Siemens que, na década de 1980 era um gigante industrial, igual à Philips, Sony, Telefunken… Segundo: eles falam no gêmeo digital que parece ser um avanço dos sistemas digitais já muito usados hoje no projeto de aviões e aos quais me refiro com frequência no sentido de que projetar um avião, especialmente usando um sistema digital é “fácil”. A Boeing divulgou que o desenvolvimento do treinador militar a jato (esqueci o nome) foi abreviado em 2 anos devido ao uso desse tipo de processo. Os… Read more »
Muito pano para as mangas.
Vamos em frente
Alguém falou sobre armazenar energia elétrica.
Até Alguém já falou em estocar vento.
Detesto tal pessoa mas diferente da maioria ela tem razão.
Seria possível estocar a eletricidade produzida pelo vento
Como?
Usando depósitos elevados de agua, até mesmo nas usinas hidroelétricas.
A agua que desce seria bombeada de volta usando a eletricidade de fonte eólica
Claro que em todo processo de transformação de formas de energia existem perdas.
Não sei a eficiência desse processo.
Olá Nonato. Você tem razão. É possível estocar vento de modo figurado. A energia elétrica é produzida por demanda. Nos momentos de pico, é preciso acionar os sistemas. Nos momentos de baixa, desliga-se os geradores. Um sistema integrado pode acionar diferentes sistemas buscando a máxima eficiência. Se há vento, liga-se os geradores eólicos mantendo os geradores hidroelétricos desligados de tal modo que o reservatório acumule água para ser usado na geração de eletricidade em outro momento. Um gerador eólico não tem como “estocar” vento literalmente, mas se há excesso de produção eólica, ele pode gerar eletricidade para produzir gás hidrogênio… Read more »
Estas são Usinas Hidrelétricas reversíveis, existem varias pelo mundo, mas exigem algum estudo de viabilidade técnica/econômica, pois tem características bem peculiares. Por exemplo, existe um projeto no Chile de usina deste tipo, mas o alto grau de salinidade da agua usada no sistema exige materiais de resistência a corrosão superiores, e que tem alto custo.
A matéria aborda o tema eficiência e “carga” (não sei se esse é o termo correto) energética. Por exemplo, a formiga é capaz de levantar 20 x seu próprio peso. Um ser humano não consegue. A abelha, em comparação com a formiga, por voar, consegue ir mais longe. Um ser humano consegue digamos caminharam 30 km num dia, levando pouca ou nenhuma carga. Mas se tiver um carrinho de supermercado consegue andar provavelmente a mesma distância transportando uma carga considerável. Tudo isso por causa de um mecanismo. O ser humano para caminhar usa sua própria energia. E tem uma capacidade… Read more »