Garantindo a segurança da mobilidade do hidrogênio

Alvaro Filho
1 de jul.
9 min de leitura

Bateria ou célula de combustível de hidrogênio?

A eletrificação da mobilidade não é uma tendência. É um fato. A maioria dos fabricantes de equipamentos originais (OEMs) já está planejando a aposentadoria de suas frotas com motores de combustão. Mas, com a eletrificação, geralmente associamos baterias de íons de lítio a uma série de desafios inerentes. Materiais raros, ansiedade quanto à autonomia, falta de estações de recarga, segurança das baterias e poucas possibilidades de reciclagem são alguns deles. Embora pesquisas extensas estejam sendo conduzidas para solucionar esses desafios, uma alternativa está sendo considerada: veículos com células de combustível de hidrogênio. Neste artigo, discutimos como a simulação pode ajudar fabricantes de equipamentos originais (OEMs) e fornecedores a projetar e certificar virtualmente o vaso de pressão composto usado para armazenamento de hidrogênio.

Hidrogênio: a fonte milagrosa de energia para o futuro da mobilidade?

O hidrogênio é um dos átomos mais comuns na Terra e um recurso ilimitado; o alcance de um veículo a hidrogênio costuma ser maior do que o de veículos elétricos a bateria; uma célula de combustível de hidrogênio emite apenas vapor d'água; e um tanque de hidrogênio pode ser reabastecido em minutos. Portanto, considere as células de combustível uma alternativa cada vez mais séria às baterias.

Na indústria automotiva, o Toyota Mirai e o Hyundai Nexo foram precursores. A BMW está prestes a lançar seu iHydrogen NEXT, enquanto a Daimler Truck AG e a Volvo criaram uma joint venture em 2021 " para acelerar o uso de células de combustível à base de hidrogênio ". Um número crescente de startups de mobilidade também apostam no hidrogênio. Na indústria aeroespacial, a Airbus lançou em 2020 um programa ZEROe com o objetivo de desenvolver aeronaves comerciais a hidrogênio até 2035. Líderes da indústria ferroviária, como a Siemens, também estão desenvolvendo trens a hidrogênio.

Essa tendência levou muitos governos a financiar pesquisas para desenvolver a mobilidade à hidrogênio. Um exemplo recente é a França, que anunciou em 2020 que " 7 bilhões de euros serão usados como financiamento para tornar a França uma vanguarda do hidrogênio verde até 2030 ".

Parece promissor... então por que apenas “27.500 veículos com célula de combustível de hidrogênio foram vendidos até o final de 2020 desde o início de suas vendas” ?

Alguns desafios tecnológicos a resolver…

Infelizmente, ainda não há milagre. Precisa-se de uma grande quantidade de hidrogênio para produzir cada quilowatt-hora, o que leva a dois desafios tecnológicos que limitam a expansão do hidrogênio.

A produção de hidrogênio era comumente feita por meio de uma reação química (RMC) partindo de metano e água para produzir hidrogênio... e muito CO2! O hidrogênio agora é produzido de forma mais limpa por meio da eletrólise, que consiste na separação da água em hidrogênio e oxigênio... mas usando eletricidade!
O armazenamento de hidrogênio deve ser feito em um pequeno volume para ser incorporado ao veículo, em um espaço disponível restrito. Isso implica em pressão muito alta, e os sistemas de armazenamento devem, obviamente, ser completamente seguros em todas as circunstâncias.

Isso exigiria grandes investimentos em estações de recarga, e o custo de um carro a hidrogênio ainda é alto. Por todas essas razões, as células de combustível de hidrogênio ainda estão em fase de desenvolvimento como tecnologia para a mobilidade elétrica. Mas esses não são obstáculos intransponíveis.

Armazenamento de grande quantidade de hidrogênio em veículos

Tecnologias de tanques compactos, seguros em todas as circunstâncias

Concentre-se no segundo desafio de engenharia relatado acima: o armazenamento seguro de uma grande quantidade de hidrogênio, em um pequeno volume, em um veículo em movimento. As tecnologias de ponta para resolver esse desafio são tanques de hidrogênio pressurizados a 700 bar! Bombas embarcadas de verdade...

Recipientes de pressão de 700 bar incorporados visíveis em amarelo [Fonte]

Um único acidente provavelmente seria fatal para os passageiros e pessoas ao redor. E obviamente destruiria a imagem de marca do hidrogênio como uma solução de mobilidade do futuro. Um acidente como esse aconteceu em 2019, não em um veículo, mas em uma estação de recarga, matando duas pessoas e destruindo tudo ao redor . Se refletirmos sobre o que um veículo em movimento normalmente consegue suportar durante sua vida útil em comparação com uma estação de recarga parada (colisão, uso indevido, dezenas de milhares de cargas e descargas, temperaturas extremas, seca, umidade...), a segurança é definitivamente um desafio de projeto para esses tanques.

Os tanques de 700 bar em desenvolvimento atualmente consistem em um revestimento de polímero que garante a vedação, envolto por uma grande espessura de compósitos de fibra de carbono contínua de alta resistência, permitindo um desempenho mecânico altíssimo do tanque, e uma junta metálica com uma válvula para fechar o sistema e garantir sua integração ao veículo. Essa tecnologia é chamada de "Tipo IV", que significa 4ª geração de tanques pressurizados, ou "Vasos de Pressão Compostos".

Tecnologia de vasos de pressão compostos [Fonte]

Quantos anos e quantos dólares são necessários para certificar um vaso de pressão composto?

A necessidade absoluta de garantir a segurança dos veículos a hidrogênio leva a margens de segurança muito altas impostas pelos padrões globais. A norma do Regulamento Técnico Global nº 13 , uma das principais referências globais, impõe, por exemplo, 225% de margem de segurança para a ruptura à temperatura ambiente, o que significa que um tanque de 700 bar nunca deve explodir antes de 1575 bar. A variabilidade leva os fabricantes a adicionar sua própria margem extra, de até 1700 ou 1800 bar. Isso permite garantir o sucesso dos testes de certificação e verificar, por meio de centenas de testes físicos caros e complexos, a integridade do tanque.

Ruptura à temperatura ambiente, ciclagem em temperaturas extremas, efeito de danos na superfície, resistência a produtos químicos, quedas em diferentes ângulos e alturas, fluência, disparo de bala e fogo são apenas alguns dos testes impostos pelas normas de segurança. Muitos fabricantes de tanques realizam alguns desses testes internamente de forma bastante iterativa e presumem (ou esperam...) que os outros testes serão satisfatórios. Em um mercado competitivo e em crescimento, isso não é mais aceitável. É aí que a digitalização entra em ação.

Projeto virtual e certificação de um vaso de pressão composto

A complexidade da tecnologia da embarcação e a variedade de testes de certificação impõem novos métodos que podemos integrar às soluções CAE, visando a precisão total do gêmeo digital. As soluções Simcenter integram processos e tecnologias para descobrir o melhor projeto possível, que seja o mais compacto, leve e barato possível, capaz de transportar a quantidade esperada de hidrogênio, respeitando todas as regulamentações e permitindo uma certificação virtual do projeto original, antes da prototipagem.

Escalabilidade dos métodos CAE

Esses métodos CAE inovadores não pertencem aos chamados métodos "CAE padrão". Eles devem incorporar diversas físicas diferentes e, às vezes, não estão totalmente maduros no setor. No entanto, o número de analistas CAE trabalhando em certificações de tanques é, em geral, bastante pequeno, e as empresas não possuem expertise em todos os domínios. As soluções Simcenter abrangem desde métodos simplificados e automatizados, para permitir que leigos determinem projetos conceituais iniciais com mais rapidez, até métodos avançados de ponta, desenvolvidos e avaliados por meio de projetos de pesquisa com clientes industriais para modelar a complexidade.

Projeto inicial de tanque de hidrogênio com simulação: avalie milhares de projetos em poucas horas

Com o Simcenter, um projetista de tanques normalmente começaria com um estudo de exploração do espaço de projeto muito amplo, resultando em um ou alguns projetos preliminares. Em vez dos métodos analíticos aproximados normalmente utilizados, incorporamos fluxos de trabalho automatizados de FEM em um problema do Simcenter Heeds. Um não especialista será capaz de avaliar o desempenho de milhares de projetos (com diferentes geometrias de mandril de revestimento, geometrias de boss, materiais, camadas de compósitos, estratégias de enrolamento filamentar...) em poucas horas, em relação aos requisitos de certificação e projeto. Então, ele ou ela pode determinar os melhores candidatos para adoção final. Nesta fase, as simulações permanecem lineares ou incluem alguma não linearidade geométrica simples, e ele/ela pode usar modelos eficientes simplificados com leis básicas de materiais para todos os componentes. O posicionamento das fibras é contabilizado pela automação da execução da ferramenta integrada de terceiros, conforme descrito posteriormente. Isso proporciona muito mais precisão do que os métodos analíticos, mantendo uma eficiência bastante razoável.

Fluxo de trabalho automatizado do Simcenter permitindo projeto inicial rápido e robusto de vasos de pressão

A equipe de engenharia do Simcenter (anteriormente LMS Samtech) trabalhou no projeto de pesquisa OSIRHYS IV. O objetivo do projeto era desenvolver e validar esses métodos, que permitiram uma redução de 30% na massa em relação aos recipientes projetados com métodos analíticos, sem comprometer o desempenho e a capacidade.

A importância da simulação do processo de fabricação de ponta a ponta de Vasos de Pressão Compostos para uma certificação virtual precisa

O processo de fabricação de um vaso de pressão composto terá um impacto muito forte em seu desempenho final e na variabilidade desse desempenho. Quando negligenciados, os tanques podem até falhar antes mesmo de serem usados pela primeira vez. As soluções Simcenter simulam com precisão o processo de fabricação de ponta a ponta para avaliar a posteriori o desempenho do vaso conforme fabricado.

Da moldagem rotacional…

A primeira etapa é a produção do revestimento polimérico, realizada por meio de um processo de rotomoldagem. A geometria final e as propriedades mecânicas do revestimento dependem muito desse processo. Um revestimento muito fino ou mal projetado pode rachar e causar vazamentos no tanque. Já um revestimento superdimensionado reduziria a capacidade do tanque e aumentaria sua massa. O Simcenter STAR-CCM+ é usado para simular o processo de rotomoldagem. Isso inclui o controle de temperatura para atingir a geometria e as propriedades mecânicas esperadas do revestimento.

…para enrolamento de filamentos…

As fibras de carbono são então aplicadas ao redor do revestimento em uma sequência predefinida de orientações por meio de enrolamento filamentoso. Esse processo envolve máquinas de grande porte que enrolam as fibras ao redor do revestimento. Diversas variáveis relacionadas ao controle do processo devem ser tratadas e terão um impacto muito forte na orientação local e na espessura da carcaça composta e, portanto, no desempenho global do tanque. O Simcenter 3D permite a integração de soluções verticais especializadas de terceiros para simular com precisão o processo de enrolamento filamentoso. Todos os parâmetros de fabricação necessários ficam então disponíveis por meio de uma interface gráfica específica.

Simulação de enrolamento de filamento para aplicar a orientação e espessura corretas das fibras compostas [Referência]

… e cura

O tanque é então curado, permitindo a polimerização da carcaça composta, mas possivelmente afetando o desempenho do revestimento e induzindo tensões residuais no conjunto. Durante a cura, os diferentes materiais que compõem o tanque reagem às mudanças de temperatura de maneiras muito diferentes. O Simcenter 3D integra solucionadores e métodos térmicos e mecânicos que consideram o histórico do material durante o processo de cura, determinam as deformações induzidas pelo processo e avaliam os efeitos da tensão residual no desempenho do produto.

Processo de Simulação de Cura de Vaso de Pressão

Certificação Virtual de Vasos de Pressão Compostos: Modele a Complexidade, com total precisão

Você pode usar o Simcenter 3D, a plataforma Simcenter Mechanical, para modelar toda a complexidade dos testes de certificação.

Modelos de danos em compósitos são integrados nativamente ao Simcenter 3D. Ele permite a previsão de fenômenos locais, como delaminação ou redução de rigidez, que ocorrem durante a pressurização e a despressurização. Esses métodos incluem métodos inovadores de estática e fadiga para compósitos, desenvolvidos e validados por meio de projetos industriais e aplicáveis a vasos de pressão de compósitos.

Modelos termomecânicos estão disponíveis para avaliar o efeito da temperatura combinada com diferentes casos de carga mecânica. Solucionadores dinâmicos transitórios são utilizados para calcular a resistência do tanque submetido a ensaios de queda padrão. A resistência ao fogo também foi estudada por meio do projeto de pesquisa FireComp. Por fim, o Simcenter incorpora simulação em múltiplas escalas para levar em conta o comportamento microscópico do material na simulação macroscópica. Isso permite o acesso ao nível máximo de fidelidade dos modelos.

Esta lista não é exaustiva. A vantagem de uma plataforma integrada é que pode-se executar todos os casos de carga em uma única plataforma. Um único usuário pode ter acesso a todos os KPIs no mesmo ambiente.

Certificação Virtual do vaso de pressão composto conforme fabricado [Referência]

Caminhos para a mobilidade do hidrogênio

Se a maioria dos analistas prevê que os veículos elétricos a bateria manterão a liderança entre os carros de passeio pequenos e particulares, espera-se implementar a solução de hidrogênio cada vez mais em veículos maiores, como ônibus, caminhões, trens, navios ou empilhadeiras. Isso ocorre porque eles têm espaço disponível para vasos de pressão e as baterias de íons de lítio necessárias para alimentá-los seriam muito pesadas.

As empresas envolvidas na produção de Vasos de Pressão Compostos para armazenamento de hidrogênio precisam antecipar essa expansão. A competição será acirrada. Empresas de sucesso serão precursoras, não seguidoras. Com o Simcenter, elas podem construir total confiança no gêmeo digital de seus vasos de pressão. A equipe do Simcenter está investindo muito em pesquisa. A Siemens já trabalha com clientes industriais como a Honda R&D Co., Ltd. para minimizar a incerteza das previsões e criar um gêmeo digital real. Essa colaboração ajuda a reduzir e, espera-se, um dia eliminar todos os testes físicos realizados antes da certificação, substituindo-os por simulações e otimizações confiáveis, baratas e imediatas, tudo integrado em uma única plataforma de simulação.

Obviamente, a segurança também depende de como e onde a embarcação é integrada ao veículo. Ela deve ser protegida de cenários típicos de colisão, sem influenciar o peso do veículo, o NVH ou o comportamento dinâmico. O Simcenter oferece um gêmeo digital integrado e preciso para veículos elétricos, abordando os desafios de todos os domínios veiculares. Mas essa é outra história!

Quer transformar os desafios do armazenamento de compostos em oportunidades concretas para sua empresa? Agende uma reunião com a CAEXPERTS e descubra como as soluções de simulação podem acelerar o desenvolvimento e a certificação virtual de vasos de pressão compostos com segurança, eficiência e inovação. Vamos juntos impulsionar a mobilidade do futuro!

Agende uma Reunião

WhatsApp: +55 (48) 98814-4798

E-mail: contato@caexperts.com.br