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Projeto de Aeronave com Propulsão a Hidrogênio

Utilizando um Gêmeo Digital para Ressignificar o Design de Aeronaves em Prol de Voos Sustentáveis


Neste post vamos analisar os desafios enfrentados pelos engenheiros aeroespaciais no desenvolvimento de aeronaves sustentáveis. Investigamos o uso de motores a jato movidos a hidrogênio e tecnologia de células de combustível de hidrogênio para impulsionar sistemas de propulsão de próxima geração, bem como suas implicações nos subsistemas, resultando na necessidade de reimaginar as configurações das aeronaves.


O software Simcenter™ da Siemens Digital Industries Software oferece suporte à tecnologia de Gêmeo Digital, capacitando organizações de engenharia aeroespacial a otimizar o desempenho das aeronaves por meio de testes virtuais e físicos nos domínios de fluidos, térmicos, mecânicos e outros sistemas relacionados à aviação sustentável. O Simcenter faz parte do portfólio Siemens Xcelerator, que engloba software, hardware e serviços integrados.


Aviação Sustentável


A indústria da aviação é responsável por quase 5% das emissões globais de gases de efeito estufa,¹ tornando a transição para sistemas de propulsão de baixo carbono uma prioridade para os fabricantes de aeronaves. No entanto, essa transição é complicada devido ao aumento constante do número de passageiros. Atualmente, cerca de 500.000 pessoas estão em voos a qualquer momento ², e espera-se que o número de passageiros aéreos dobre até 2037.³


Os engenheiros aeroespaciais enfrentam o desafio de projetar aeronaves de próxima geração que possuam a capacidade, velocidade e alcance de aeronaves movidas a jato convencionais, mas sem impacto ambiental.


Comparando Densidades de Potência de Diferentes Fontes de Energia


Para compreender a complexidade da tarefa em questão, é fundamental analisar as densidades de potência das principais soluções de energia para a próxima geração de aeronaves em comparação com o querosene convencional.


O querosene Jet A, que alimenta a maioria das aeronaves comerciais e militares modernas, possui uma densidade de energia notável de aproximadamente 12.000 watts-hora por quilograma (Wh/kg). No entanto, os motores a jato a querosene geram emissões de CO2 e não-CO2, além de serem ruidosos.


Uma alternativa mais limpa e silenciosa é o uso de motores elétricos alimentados por baterias. No entanto, as atuais baterias usadas em protótipos de aeronaves possuem densidades de energia de apenas 160 a 180 Wh/kg, inadequadas para aeronaves de longo curso. No entanto, são adequadas para aeronaves menores, como a Bye Aerospace, especializada em aeronaves elétricas, incluindo aeronaves leves para treinamento de voo.



Figura 1. O uso do Simcenter, NX e Fibersim ajudou a Bye Aerospace a aumentar a produtividade, reduzindo o pessoal de engenharia em 66% ao projetar aeronaves totalmente elétricas.


Produção de Hidrogênio e Conversão em Energia Utilizável


Atualmente, existem duas principais abordagens baseadas em hidrogênio para criar aeronaves de longo curso com zero emissões de carbono. Uma delas é o uso de motores a jato movidos a hidrogênio líquido, e a outra envolve células de combustível de hidrogênio que convertem hidrogênio e oxigênio em eletricidade para alimentar motores elétricos.


Tanto o hidrogênio líquido quanto as células de combustível de hidrogênio estão sendo investigados ativamente por empresas como Siemens e Airbus como alternativas ecologicamente corretas para viagens aéreas. Ambas as abordagens produzem água como subproduto.


Embora existam varias forma de produzir hidrogênio, a geração de hidrogênio não é uma tarefa simples, uma vez que geralmente está presente em compostos, como a água (H2O) ou o metano (CH4), dos quais deve ser separado. A eletrólise é o método mais prático para produzir hidrogênio, que envolve a divisão da água em hidrogênio e oxigênio por meio de uma corrente elétrica, sendo considerado renovável quando a eletricidade é gerada a partir de fontes sustentáveis, como solar e eólica.


O hidrogênio pode ser armazenado na forma gasosa ou líquida. O armazenamento gasoso requer tanques de alta pressão, enquanto o armazenamento líquido exige temperaturas criogênicas, uma vez que o hidrogênio entra em ebulição a -252,8 graus Celsius (°C) à pressão atmosférica.


Devido aos custos envolvidos na produção, armazenamento e transporte do hidrogênio, ele atualmente é mais caro do que os combustíveis fósseis. No entanto, em termos de aplicação como fonte de energia, o hidrogênio é conceitualmente simples.

Engenheiros aeroespaciais dedicados ao desenvolvimento de sistemas de propulsão para aeronaves sustentáveis movidas a hidrogênio consideram três abordagens principais: motores elétricos alimentados por células de combustível, turbinas a gás movidas a hidrogênio puro ou soluções híbridas que combinam células de combustível com turbinas a gás movidas a hidrogênio. No caso de um motor a jato movido a hidrogênio, que se assemelha a um motor de combustão interna, o processo envolve a admissão de ar, compressão, mistura com hidrogênio e subsequente ignição para gerar um fluxo de alta temperatura.

No cenário das células de combustível de hidrogênio, o hidrogênio e o oxigênio são direcionados através de um ânodo (terminal positivo) e um cátodo (terminal negativo) na célula, respectivamente. Um catalisador no ânodo divide as moléculas de hidrogênio em elétrons e prótons. Os prótons atravessam uma membrana especial, enquanto os elétrons alimentam os motores elétricos e outros sistemas da aeronave. Posteriormente, prótons, elétrons e oxigênio se recombinam no cátodo, formando moléculas de água

Desafios das Aeronaves Movidas a Hidrogênio


O principal desafio no desenvolvimento de aeronaves movidas a hidrogênio é a sua natureza relativamente desconhecida para a maioria dos engenheiros. Projetar um queimador para uma turbina a gás de hidrogênio requer estruturas e recursos especiais, uma vez que o hidrogênio queima mais rápido e mais quente que o querosene.


Por exemplo, um queimador de hidrogênio deve ser projetado para evitar recuos (flashbacks). Além disso, as frequências acústicas geradas pelo queimador e pela turbina precisam ser atenuadas para minimizar a interação entre a chama e os componentes da aeronave.


Entender a dinâmica dos fluidos e as tensões nas condições de contorno térmico desses sistemas de propulsão movidos a hidrogênio e elétricos, incluindo fenômenos operacionais como recuos, termoacústica, gradientes térmicos e fragilização, é essencial.¹⁰ ¹¹ ¹² ¹³


Outro desafio é que, embora o hidrogênio ofereça três vezes a densidade de energia do querosene por unidade de massa, ele requer quatro vezes o volume do querosene para produzir o mesmo resultado. Isso implica em modificações significativas na estrutura da aeronave, como redução da capacidade de carga, número de passageiros ou um afastamento dos designs convencionais.


Figura 2. O aumento do espaço da fuselagem de aeronaves de asa mista pode ser usado para armazenar baterias, hidrogênio ou uma combinação de hidrogênio e células de combustível, sem sacrificar a capacidade de passageiros ou carga.

Uma alternativa é a aeronave de corpo de asa combinada (BWB), como o conceito Airbus ZEROe BWB,¹⁴ onde as asas e a fuselagem se integram em uma única estrutura (Figura 2). Esse design, também chamado de "asa voadora", é responsável por toda a sustentação da aeronave. Uma das principais vantagens de uma configuração de asa voadora é o amplo espaço na fuselagem que pode ser aproveitado para transportar diversos tipos de cargas úteis, incluindo passageiros, baterias, hidrogênio e células de combustível.

Enfrentando os Desafios


A complexidade da tarefa de criar aeronaves de longo curso movidas a hidrogênio, com emissões de carbono neutras, torna inviável a evolução de protótipos físicos devido a restrições de custo, tempo e recursos. A solução é recorrer a simulações multifísicas para investigar o comportamento dos sistemas de geração de energia, motores e toda a aeronave em um ambiente virtual.


Esse empreendimento exige uma integração de diferentes domínios de design e colaboração eficaz entre todas as disciplinas de engenharia envolvidas no desenvolvimento de aeronaves. Isso vai além dos sistemas de propulsão, abrangendo áreas como fluidodinâmica, térmica, mecânica, dinâmica, acústica, entre outras. Os dados de engenharia desses sistemas interligados devem ser compartilhados eficientemente entre as equipes para permitir que os projetistas trabalhem de forma eficaz em seus ambientes de desenvolvimento nativos.


Uma maneira de alcançar essa colaboração eficaz é por meio do uso de ferramentas de digitalização disponíveis no portfólio Siemens Xcelerator,¹⁵ que inclui software, hardware e serviços integrados. As soluções de simulação e teste Simcenter, parte desse portfólio, são projetadas para eliminar barreiras entre disciplinas e fornecer um conjunto de design integrado capaz de apoiar equipes multidisciplinares de engenharia aeroespacial. Essas soluções ajudam a modelar, analisar e testar o impacto de fontes alternativas de energia e sistemas de propulsão.


Em resumo, permitem a criação de um gêmeo digital baseado em física (Figura 3).


Figura 3. Usando o Simcenter, os engenheiros podem construir um gêmeo digital para prever com precisão o desempenho da aeronave, otimizar projetos e inovar com maior rapidez e confiança.


Dentro do ambiente Simcenter, os recursos de modelagem de simulação de sistemas possibilitam a avaliação de arquiteturas de motores, turbinas a gás, armazenamento de combustível, células de combustível, baterias e outros componentes, incluindo seu peso (Figura 4).¹⁶


Figura 4. O modelo Simcenter Amesim permite que os engenheiros avaliem o ciclo termodinâmico do turbofan movido a hidrogênio.


Os engenheiros podem aproveitar simulações paralelas de fluidos, simulações térmicas e mecânicas 3D, além de recursos de design assistido por computador (CAD) para projetar cada um desses subsistemas. Dessa forma, podem lidar com desafios como a manipulação de combustíveis criogênicos, a combustão de hidrogênio e medição da temperatura de entrada da turbina, assim como o desempenho de durabilidade e resposta dinâmica do sistema, entre outros. Várias físicas avançadas são fornecidas em modelos Simcenter robustos e validados (Figura 5). O fluxo de trabalho do projeto é executado em fluxos de trabalho automatizados e explorações de espaço de projeto para lidar com conflitos entre diferentes disciplinas. Componentes como queimadores, pás, conjuntos, motores, subsistemas e, finalmente, a aeronave como um todo podem ser projetados de maneira semelhante para atender a diferentes requisitos de design.


Figura 5. Esta renderização de exploração de projeto multidisciplinar de um sistema de propulsão criogênico híbrido com queima de hidrogênio foi gerada usando as ferramentas de software Simcenter 3D, Simcenter STAR-CCM+, Simcenter Amesim e HEEDS, representando com precisão a aeroelasticidade do projeto.

Os modelos Simcenter – incluindo aqueles desenvolvidos em conjunto com parceiros da Siemens – são gerados e executados com fidelidade do mundo real para permitir que as empresas aeroespaciais projetem e forneçam sistemas do mundo real (figura 6). Os resultados do Simcenter podem ser combinados com o portfólio Siemens Xcelerator para levar em conta também a capacidade de fabricação de componentes e sistemas.


Figura 6. Esta exploração de projeto multifísico de um queimador micromix H2 aproveita o NX CAD, o Simcenter STAR-CCM+ e o Simcenter 3D conduzido pela ferramenta de otimização automatizada HEEDS. (fonte: B&B AGEMA, RWTH Aachen e Kawasaki)


Conclusão


Empresas como a Siemens Energy,¹⁷ Rolls-Royce¹⁸ e Airbus¹⁹ estão realizando avaliações abrangentes e, em alguns casos, concebendo protótipos de aeronaves movidas a hidrogênio e híbridas de hidrogênio.


No entanto, é crucial compreender que a transição para fontes de energia sustentáveis vai além da simples modificação das aeronaves. Essa transição marca o início de uma jornada de décadas para reimaginar as configurações das aeronaves e enfrentar desafios que incluem cadeias de suprimentos, produção de energia, redes de distribuição e logística, sistemas de abastecimento nos aeroportos e muito mais (Figura 7).


Figura 7. Abandonar os combustíveis fósseis requer a modernização das redes de produção e logística de energia, incluindo sistemas de distribuição de combustível nos aeroportos.


O portfólio Siemens Xcelerator e as ferramentas Simcenter têm como foco apoiar os esforços de digitalização necessários para escalar a indústria da aviação em direção a um futuro sustentável.

 

Na CAEXPERTS (parceira tecnológica Siemens especializada em simulação computacional multifísica), reconhecemos a urgência da transição para a aviação sustentável. O desenvolvimento de aeronaves movidas a hidrogênio e outros sistemas de propulsão de baixo carbono é crucial para enfrentar os desafios ambientais que nossa sociedade enfrenta. Com uma equipe de especialistas em CAE (Engenharia Assistida por Computador) e recursos de alto desempenho na nuvem, estamos prontos para liderar essa revolução na indústria aeroespacial.

Nossos serviços de simulação computacional e engenharia avançada estão preparados para enfrentar a complexidade dos projetos de aeronaves sustentáveis. Ajudamos as indústrias a elevar seu grau de inovação, aumentar sua competitividade e alcançar uma operação mais eficiente.

Se você está comprometido com a inovação e busca soluções para os desafios da aviação sustentável, entre em contato conosco. Agende uma reunião com a CAEXPERTS e descubra como nossos serviços podem impulsionar seus projetos e acelerar a transição para a aviação do futuro. Vamos construir um futuro mais limpo e sustentável juntos.

 

Referências

  1. https://bit.ly/3CxFPTC

  2. https://www.spikeaerospace.com/how-many-passengers-are-flying-right-now/

  3. https://www.bbc.com/future/article/20210401-the-worlds-first-commercial-hydrogen-plane

  4. https://aerospaceamerica.aiaa.org/features/faith-in-batteries/

  5. https://www.plm.automation.siemens.com/global/en/our-story/customers/bye-aerospace/78928/

  6. https://www.siemens-energy.com/global/en/offerings/renewable-energy/hydrogen-solutions.html

  7. https://www.airbus.com/en/innovation/zero-emission/hydrogen

  8. https://afdc.energy.gov/fuels/hydrogen_production.html

  9. https://www.energy.gov/eere/fuelcells/hydrogen-storage

  10. https://www.plm.automation.siemens.com/global/en/our-story/customers/siemens-energy/93022/

  11. https://www.plm.automation.siemens.com/global/en/our-story/customers/b-b-agema/98716/

  12. https://webinars.sw.siemens.com/en-US/simulation-for-digital-testing-with-bb-agema/

  13. https://webinars.sw.siemens.com/en-US/aerospace-defense-aircraft-propulsion-system-simulation

  14. https://www.airbus.com/en/innovation/zero-emission/ hydrogen/zeroe

  15. https://www.siemens.com/global/en/products/xcelerator.html

  16. https://www.plm.automation.siemens.com/global/en/products/simcenter/

  17. https://www.siemens-energy.com/global/en/offerings/renewable-energy/hydrogen-solutions.html

  18. https://www.airbus.com/en/innovation/zero-emission/hydrogen

  19. https://www.rolls-royce.com/innovation/net-zero/decarbonising-complex-critical-systems/hydrogen.aspx


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