Luiz Fara Monteiro Inovação aeroespacial pode ser impulsionada com o uso do hidrogênio 

Inovação aeroespacial pode ser impulsionada com o uso do hidrogênio 

Por Thierry Olbrechts, diretor da Simcenter Aerospace Industries Solutions da Siemens Digital Industries Software

No Simcenter, recursos de modelagem de simulação de sistema permitem avaliar arquitetura do motor, armazenamento de combustível, células de combustível e outros componentes, além do peso de cada um deles
No Simcenter, recursos de modelagem de simulação de sistema permitem avaliar arquitetura do motor, armazenamento de combustível, células de combustível e outros componentes, além do peso de cada um deles Siemens - Divulgação

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.

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.

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.

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.

sistema híbrido de propulsão de queima de H2 criogênica foi gerada usando as ferramentas dos softwares Simcenter 3D, Simcenter STAR-CCM+, Simcenter Amesim e HEEDS para representar com precisão a aeroelasticidade do projeto
sistema híbrido de propulsão de queima de H2 criogênica foi gerada usando as ferramentas dos softwares Simcenter 3D, Simcenter STAR-CCM+, Simcenter Amesim e HEEDS para representar com precisão a aeroelasticidade do projeto Siemens - Divulgação

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.

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.

Os textos aqui publicados não refletem necessariamente a opinião do Grupo Record.

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