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O hidrogênio líquido requer um volume de tanque maior do que o querosene de aviação atual, mas é ao mesmo tempo mais leve e contém mais energia por quilo de combustível. Crédito: Cranfield University
Até 2045, quase todos os voos de curto alcance poderão ser movidos a hidrogênio, com avanços significativos na tecnologia impulsionando a eficiência e o alcance. A Suécia pode começar os voos de hidrogênio até 2028, visando uma grande adoção global até 2050.
O voo movido a hidrogênio ofereceria novas oportunidades para viagens sem combustíveis fósseis, e os avanços tecnológicos no campo estão avançando rapidamente. Novos estudos de Universidade de Tecnologia Chalmers na Suécia indicam que até 2045, quase todas as viagens aéreas dentro de um raio de 750 milhas poderiam ser feitas com aeronaves movidas a hidrogênio. Além disso, com um novo trocador de calor atualmente em desenvolvimento, esse alcance poderia ser ainda maior.
“Se tudo der certo, a comercialização do voo a hidrogênio pode ir muito rápido agora. Já em 2028, os primeiros voos comerciais a hidrogênio na Suécia podem estar no ar”, diz Tomas Grönstedt, professor da Chalmers University of Technology e diretor do centro de competência TechForH2* na Chalmers.
Esses avanços tecnológicos podem ser vistos dentro dos túneis de vento Chalmers, onde pesquisadores testam condições de fluxo de ar em instalações de ponta. Aqui, motores mais eficientes em termos de energia estão sendo desenvolvidos, o que abre caminho para voos seguros e eficientes de hidrogênio para veículos pesados.
Trocador de calor com pré-aquecedor de gases de escape, desenvolvido de acordo com o novo conceito. Crédito: GKN Aerospace
Potencial da aviação movida a hidrogênio
Voos de curto e médio alcance movidos a hidrogênio são os mais próximos de serem realizados. Um estudo publicado recentemente pela Chalmers mostra que voos movidos a hidrogênio têm o potencial de atender às necessidades de 97% de todas as rotas de voo intra-nórdicas e 58% do volume de passageiros nórdicos até 2045.
Para este estudo, os pesquisadores assumiram uma distância máxima de voo de 750 milhas e o uso de um modelo de aeronave existente adaptado para energia de hidrogênio. O estudo, liderado pelo aluno de doutorado Christian Svensson no grupo de pesquisa de Grönstedt, também apresentou um novo tanque de combustível que poderia conter combustível suficiente, era isolado o suficiente para conter o hidrogênio líquido superfrio e, ao mesmo tempo, era mais leve do que os sistemas de tanques de combustível baseados em fósseis de hoje.
Tomas Grönstedt, Professor na Chalmers University of Technology, Suécia, e Diretor do centro de competência TechForH2. Crédito: Chalmers University of Technology | Mia Halleröd Palmgren
Hidrogênio e Voo de Hidrogênio:
- O hidrogênio, H2, é um gás invisível, inodoro e volátil que se liquefaz a cerca de -250 graus Celsius (20 graus Celsius).
- Se o hidrogênio for produzido usando energia renovável, ele é livre de emissões de dióxido de carbono. Isso é conhecido como “hidrogênio verde”.
- Os voos a hidrogênio podem ser movidos eletricamente, usando células de combustível que convertem o hidrogênio em eletricidade por meio de catálise, ou com motores a jato, onde o hidrogênio é queimado em uma turbina a gás.
- O hidrogênio contém mais energia por quilo do que o querosene atual e também tem a vantagem de que o produto residual da combustão é principalmente vapor de água.
- O gás é altamente inflamável se misturado com ar, razão pela qual sensores de alta eficiência são necessários.
- Na indústria, o hidrogênio é atualmente usado na produção, por exemplo, de aço sem combustíveis fósseis.
Desenvolvimento inovador de trocadores de calor
Os trocadores de calor são uma parte vital da aviação de hidrogênio e são uma parte fundamental dos avanços tecnológicos que estão ocorrendo. Para manter os sistemas de combustível leves, o hidrogênio precisa estar na forma líquida. Isso significa que o hidrogênio é mantido super-resfriado na aeronave, normalmente em torno de -250 graus Celsius. Ao recuperar o calor dos escapamentos quentes dos motores a jato e ao resfriar os motores em locais estratégicos, eles se tornam mais eficientes. Para transferir o calor entre o hidrogênio super-resfriado e o motor, novos tipos de trocadores de calor são necessários.
Para enfrentar esse desafio, pesquisadores da Chalmers têm trabalhado por vários anos para desenvolver um tipo completamente novo de trocador de calor. A tecnologia, que agora está com patente pendente pelo parceiro GKN Aerospace, aproveita a baixa temperatura de armazenamento do hidrogênio para resfriar peças do motor e, em seguida, usa o calor residual dos gases de escape para pré-aquecer o combustível várias centenas de graus antes de ser injetado na câmara de combustão.
Carlos Xisto, Professor Associado, Divisão de Mecânica de Fluidos, Departamento de Mecânica e Ciências Marítimas, Chalmers University of Technology. Crédito: Sören Håkanlind
“Cada grau de aumento na temperatura reduz o consumo de combustível e aumenta o alcance. Fomos capazes de mostrar que aeronaves de curta e média distância equipadas com o novo trocador de calor poderiam reduzir seu consumo de combustível em quase oito por cento. Considerando que um motor de aeronave é uma tecnologia madura e bem estabelecida, é um resultado muito bom de um único componente”, diz Carlos Xisto, Professor Associado da Divisão de Mecânica dos Fluidos da Chalmers e um dos autores do estudo.
Os pesquisadores também observam que, com mais otimização, esse tipo de tecnologia de trocador de calor em uma aeronave comercial Airbus A320 regular poderia fornecer um alcance melhorado de até dez por cento, ou o equivalente à rota Gotemburgo-Berlim (aproximadamente 450 milhas).
Tomas Grönstedt, Professor na Chalmers University of Technology, Suécia, e Diretor do centro de competência TechForH2. Crédito: Chalmers University of Technology | Anna-Lena Lundqvist
Esforços colaborativos e perspectivas da indústria
O trabalho para desenvolver soluções para a aviação a hidrogênio do futuro está ocorrendo em uma ampla frente, com governos, universidades e empresas privadas trabalhando juntos. Na Suécia, o cluster de inovação, Swedish Hydrogen Development Centre (SHDC), reúne os principais participantes, incluindo líderes da indústria e especialistas da academia. Em um recente seminário do SHDC, pesquisadores da Chalmers apresentaram seu trabalho e várias empresas comerciais testemunharam grandes investimentos em voos a hidrogênio nos próximos anos. Embora a tecnologia esteja bem avançada, os desafios estão mais nos grandes investimentos necessários e no desenvolvimento de infraestrutura, modelos de negócios e parcerias para poder produzir, transportar e armazenar o hidrogênio para que a transição para o voo a hidrogênio seja possível. Espera-se que uma transição total exija cerca de 100 milhões de toneladas de hidrogênio verde anualmente.
“Há expectativas da indústria de que 30–40 por cento da aviação global será movida a hidrogênio até 2050. É provável que, por vários anos, precisaremos de uma mistura de aeronaves que funcionem com eletricidade, combustível e-jet menos prejudicial ao meio ambiente e hidrogênio. Mas cada aeronave que pode ser movida a hidrogênio de energia renovável reduz as emissões de dióxido de carbono”, diz Grönstedt.
Dentro do TechForH2, há boas condições para enfrentar o desafio do hidrogênio e, com um orçamento de SEK 162 milhões (equivalente a US$ 15,5 milhões), o centro de competência pode contribuir para o desenvolvimento de diversas áreas de pesquisa que vinculam o hidrogênio ao transporte pesado.
Referências:
“Trocadores de calor compactos para intercooler e recuperação de motores aeronáuticos alimentados a hidrogênio” por Alexandre Capitao Patrao, Isak Jonsson, Carlos Xisto, Anders Lundbladh e Tomas Grönstedt, 28 de janeiro de 2024, Engenharia Térmica Aplicada.
DOI: 10.1016/j.applthermaleng.2024.122538
“Aeronaves de célula de combustível de hidrogênio para o mercado nórdico” por Christian Svensson, Amir AM Oliveira e Tomas Grönstedt, 4 de março de 2024, Revista Internacional de Energia de Hidrogênio.
DOI: 10.1016/j.ijhydene.2024.02.382
Financiamento: Agência Sueca de Energia, Programa-Quadro Horizonte 2020, Conselho Sueco de Pesquisa