Desafios e avanços: O papel do hidrogênio na decarbonização da aviação
Uma montagem completa de um conjunto de células de combustível de hidrogênio ocupou o lugar de destaque no pavilhão da Beyond Aero na recente Paris Air Show. O fato de um sistema de célula de combustível ser o destaque da startup sediada em Toulouse no evento aeroespacial bienal indica os passos dados por uma variedade de empresas, desde startups até corporações multinacionais, em direção à realização do objetivo de usar hidrogênio como combustível no setor da aviação.
“Este demonstrador em escala subsônica de 85 quilowatts foi testado com sucesso há alguns meses. Embora, em sua forma atual, ele atenda apenas à aviação ultraleve, o teste bem-sucedido do trem de força é um passo crucial em nosso caminho de desenvolvimento técnico para projetar e construir uma aeronave comercial”, disse o co-fundador da Beyond Aero, Hugo Tarlé, à Ars Technica.
Tarlé disse que a aeronave comercial terá um alcance de 800 milhas náuticas e será alimentada por um trem de força de 1 MW. “Para gerar essa energia, não haverá uma única célula de combustível de um megawatt. Em vez disso, serão várias células de combustível. Será baseado nas mesmas escolhas técnicas que fizemos no demonstrador em escala subsônica, ou seja, hidrogênio gasoso, célula de combustível, hibridização de baterias e motores elétricos.”
A Beyond Aero mantém o foco na escala menor. Tarlé listou as razões por trás do desenvolvimento de uma aeronave da categoria CS23 usando hidrogênio. “O CS23 é uma certificação da EASA (Agência Europeia para a Segurança da Aviação) para aeronaves pequenas com um baixo Peso Máximo de Decolagem. Os requisitos para essa certificação são mais baixos do que para a certificação CS25 (aeronaves maiores). Portanto, é mais realista para uma startup.”
No caso da Beyond Aero, sua primeira aeronave terá um Peso Máximo de Decolagem de menos de 8,5 toneladas, com capacidade para acomodar de 4 a 8 passageiros.
“Com a tecnologia de célula de combustível de hidrogênio, poderíamos alcançar um certo desempenho em termos de alcance de nossa aeronave. Percebemos que, com um alcance de 800 milhas náuticas, poderíamos abranger 80 por cento do mercado de aeronaves comerciais.” Ele disse que baterias elétricas sozinhas não foram consideradas, pois são muito pesadas para aeronaves.
“As baterias sozinhas não são uma opção, devido à sua baixa densidade de energia em relação à massa. Com apenas baterias, o alcance da aeronave é muito baixo. No entanto, haverá uma hibridização da célula de combustível com baterias para fases em que energia extra é necessária, como durante a decolagem.”
Tarlé também enfatizou a necessidade urgente de descarbonizar as aeronaves comerciais devido às suas emissões de CO2. “As emissões de CO2 por passageiro em uma aeronave comercial são 10 vezes maiores do que em um passageiro de avião comercial”, disse ele.
Outro fator importante para escolher uma aeronave de tamanho relativamente menor foi o processo de certificação. “Como uma startup jovem, é mais realista buscar uma certificação da categoria CS23 do que uma certificação para uma aeronave comercial”, disse Tarlé.
Ao falar sobre os desafios de design, Tarlé disse que dominar as características do hidrogênio e do oxigênio dentro da célula de combustível era uma tarefa crítica. “Para alcançar a melhor eficiência da célula de combustível, estamos considerando vários fatores, como o uso de um compressor, um resfriador intermediário e um filtro, além de mudar as características do hidrogênio (por exemplo, aumentando sua temperatura) antes que ele atinja o ânodo da célula de combustível”, disse ele.
O outro desafio, de acordo com Tarlé, estava relacionado ao sistema de resfriamento. “Precisamos evacuar muita energia térmica, o que adiciona muito peso. Dominar a complexidade do sistema de resfriamento é, portanto, crucial”, disse ele, acrescentando que a Beyond Aero patenteou uma solução a esse respeito.
Metade da aeronave de hidrogênio da ZeroAvia
Enquanto a Beyond Aero pretende lançar sua primeira aeronave em 2030, uma startup britânico/americana está confiante de que pode levar a energia do hidrogênio aos céus já em 2025. Para atingir esse objetivo, a ZeroAvia está desenvolvendo motores que podem ser adaptados para aeronaves existentes. “Existe uma grande frota de aeronaves que podem ser equipadas com trens de força de célula de combustível. Esta é uma maneira mais rápida de colocar a tecnologia em serviço”, disse o diretor de estratégia da ZeroAvia, James McMicking.
Ele acrescentou que, embora a adaptação possa não permitir que a aeronave alcance sua capacidade de alcance total, ainda será adequada para os clientes. “Acreditamos que podemos realmente oferecer a redução de custos para os clientes, porque muitas dessas estruturas de aeronaves foram projetadas para voar muito mais longe do que costumavam.”
“Quando adaptamos uma aeronave, acrescentamos algum peso porque a primeira geração desses motores é mais pesada do que a turbina. Compensamos o peso extra reduzindo seu alcance.” McMicking disse que o alcance de uma Donner 228 adaptada com uma célula de combustível de hidrogênio estará na ordem de 250 a 300 milhas náuticas, que é a metade de uma aeronave padrão. “Mas mesmo o alcance reduzido ainda é adequado para 98 por cento de todas as missões que essas aeronaves realizam”, explicou.
O primeiro produto da ZeroAvia será um motor de célula de combustível de hidrogênio de 600 quilowatts, um protótipo do qual está sendo testado em uma aeronave Dornier 228 de 19 lugares. “Um motor da aeronave utiliza uma célula de combustível de 600 quilowatts que corresponde ao desempenho de uma turbopropulsora padrão do outro lado da aeronave. Fizemos isso porque, ao experimentar qualquer nova tecnologia nesta indústria, você deseja garantir o máximo nível de segurança. Portanto, caso seja necessário desligar o motor por algum motivo, podemos fazê-lo e ainda ter energia do outro lado ao mesmo tempo”, disse ele.
“Para obter o certificado experimental para a aeronave, tivemos que demonstrar ao regulador que a aeronave poderia sair da decolagem no motor elétrico a hidrogênio, no caso em que a turbopropulsora tivesse que ser desligada”, acrescentou ele.
De acordo com McMicking, esse motor produz energia suficiente para uma aeronave de 19 lugares. “Estamos colaborando com OEMs como Textron e Hindustan Aeronautics Limited. Iniciaremos o programa de certificação no início do próximo ano e pretendemos lançar o primeiro produto no mercado até o final de 2025”, disse ele.
McMicking disse que o novo trem de força combinará o desempenho da turbina em termos de potência e empuxo. “O piloto poderá operá-lo próximo ao desempenho padrão da aeronave. Existem alguns compromissos envolvidos na abordagem de adaptação. No entanto, você acaba com uma solução economicamente vantajosa por assento e, obviamente, sem emissões”, disse ele.
Ele disse que a empresa também está garantindo que suas fontes de hidrogênio sejam as mais limpas possíveis. “Estamos oferecendo contratos de motor para nossos clientes que incluem hidrogênio. Isso significa que seremos responsáveis pelo fornecimento de hidrogênio. Estamos realizando muita pesquisa e desenvolvimento em infraestrutura de hidrogênio verde. Temos um demonstrador que usa energia solar para produzir hidrogênio”, disse ele.
McMicking disse que a próxima oferta da ZeroAvia será um motor maior e sistemas de armazenamento de hidrogênio líquido para aeronaves ATR 72 e Dash 8, aeronaves turboélice que transportam até 78 passageiros.
Planos de teste em voo da Airbus
Enquanto isso, a gigante da aviação Airbus também está ocupada desenvolvendo seu demonstrador de motor de célula de combustível, que poderia ter seu primeiro teste de voo inaugural em 2026.
De acordo com Hauke Lüdders, chefe de sistemas de propulsão de células de combustível para o projeto de pesquisa ZEROe da Airbus. O primeiro avião A380 da ZEROe (A380 MSN1) será transformado em um demonstrador de laboratório de voo para permitir testes de motores a hidrogênio.
“O hidrogênio será armazenado em forma liquefeita em um tanque criogênico. Será convertido em forma gasosa antes de ser alimentado no motor de célula de combustível de classe megawatt”, disse Lüdders.
Ele disse que o motor de célula de combustível não será usado para operar o demonstrador A380. “Será um motor acoplado cujo empuxo será medido em diferentes fases de voo e durante diferentes manobras. Queremos testá-lo em relação ao seu comportamento sob diferentes condições ambientais”, disse ele.
“Esses testes poderiam formar a base para o desenvolvimento de motores de célula de combustível para uma aeronave regional de 100 lugares, que é um dos três conceitos do ZEROe”, acrescentou Luedders, dizendo que os outros conceitos do ZEROe serão alimentados por motores de hidrogênio híbridos que usam combustão de hidrogênio ou motores elétricos alimentados por células de combustível.
A Airbus também financiou uma startup chamada UpNext, que está desenvolvendo um demonstrador de motor de célula de combustível de hidrogênio para a Unidade de Potência Auxiliar (APU) de uma aeronave A330.
O APU é usado principalmente para alimentar o ar condicionado e a iluminação da cabine, além de controlar a hidráulica e a pneumática de uma aeronave quando ela está no solo.
De acordo com Giulio Zamboni, chefe do demonstrador HyPower, o principal objetivo do programa é explorar o que é necessário para integrar novos sistemas de energia não propulsivos baseados em hidrogênio.
“A célula de combustível possui uma eficiência térmica dada. Quando você traz uma versão de célula de combustível a bordo de uma aeronave, você precisa prever um sistema de resfriamento que não está presente a bordo de uma aeronave. Estamos tentando aprender tais requisitos do sistema para a integração do motor de célula de combustível na aeronave”, disse ele.
Zamboni disse que o demonstrador HyPower, que não está vinculado ao desenvolvimento direto de um produto, também será testado em voo.
“A modificação da aeronave começará no próximo ano, juntamente com o suporte de teste em terra. Isso será seguido pelo teste de voo inaugural até o final de 2025”, disse ele.
Não está claro se o hidrogênio será fundamental para a descarbonização da aviação – outras empresas estão apostando em melhorias nas baterias e biocombustíveis já estão alimentando alguns voos. No entanto, os esforços feitos por essas empresas provavelmente nos darão uma ideia muito mais clara do que o hidrogênio é capaz de fazer antes do final da década. [Arstechnica]
