Linha de pesquisa: APIE - Integração Aero-Propulsiva em Aeronaves Elétricas
Título: APIE-PD1 – Avaliação do Hidrogênio como Combustível para Sistemas de Propulsão de Aeronaves do Futuro Visando a Aviação Verde
Orientador: Jesuino Takachi Tomita
Co-Orientador: -
Duração: 48 meses
Número de vagas: 1 vaga(s)
Data limite para inscrição: 29/02/2024
Formação esperada: -
Idiomas: Português e Inglês
Obrigatório processo de seleção / aprovação pelo ITA e inscrição no Programa de Pós-Graduação: Sim
Expectativa de início das atividades: 04/03/2024


Escopo

Em 2019, a Comissão Europeia incluiu no Green Deal o objetivo de alcançar a neutralidade líquida de carbono em todos os membros da UE até 2050 [1, 2]. Este será um grande desafio para o setor de aviação, que se tornou mais eficiente em carbono nas últimas três décadas com maior densidade de assentos, melhorias operacionais, melhorias tecnológicas, que aumentaram a eficiência de combustível por passageiro-quilômetro receitado em aproximadamente 50%. No entanto, novas soluções devem ser buscadas.

Para sistemas de propulsão de aeronaves, novas tecnologias estão sendo estudadas tanto na academia quanto na indústria. Dois desses sistemas são:
1) Aeronaves elétricas/híbridas elétricas: a tecnologia das baterias melhorou nas últimas duas décadas, mas as baterias de aviação ainda sofrem com baixas densidades de energia gravimétrica (0,2 – 0,5 kWh/kg) e ciclos de vida limitados. Isso limita sua aplicabilidade a voos de curto alcance (commuter ou aeronaves regionais). Outra restrição é a tecnologia de carregamento rápido, que requer mudanças significativas na infraestrutura dos aeroportos. No entanto, as baterias podem ser usadas em combinação com células de combustível de hidrogênio (H2) ou propulsão convencional baseada em sistema de propulsão turbo-elétrico [3, 4, 5].
2) Propulsão à base de hidrogênio: H2 pode ser usado para combustão (motores de turbinas a gás queimam H2 + O2 para fornecer energia para a turbina e depois compressor e ventiladores gerando impulso) ou em uma célula de combustível alimentando motores elétricos (convertendo H2 + O2 em eletricidade que alimentará um motor que gira uma hélice ou um ventilador de duto para gerar impulso). O hidrogênio é três vezes mais eficaz do que os combustíveis sintéticos na redução do impacto climático da aviação. As aeronaves com célula de combustível também compartilhariam muitas outras vantagens com o conceito de aeronave elétrica, por exemplo, incluindo a necessidade de cabeamento de alta tensão/alta potência, eletrônica de potência e um motor elétrico [7]. Aeronaves com célula de combustível de hidrogênio também podem ser menos ruidosas do que os projetos convencionais e de sistemas de combustão de hidrogênio.

É provável que as tecnologias de hidrogênio sejam introduzidas em outras indústrias, o que pode acelerar a P&D de células de combustível e outros sistemas de armazenamento, promovendo novas infraestruturas e diminuindo os custos de produção. Sua densidade de energia gravimétrica é três vezes maior que a do querosene (33 kWh/kg). No entanto, os tanques necessários para armazenar esse combustível tendem a ser muito pesados, enfraquecendo os benefícios. O hidrogênio é superior ao combustível convencional quando comparado em termos de densidade de potência por unidade de peso, tornando-se muito interessante para o voo [6, 7]. Por exemplo, oferece uma vantagem de peso máximo de decolagem (MTOW) sobre todas as outras alternativas de armazenamento de energia. No entanto, devido à baixa densidade volumétrica, requer cerca de 5 vezes o volume do combustível convencional para transportar a mesma energia a bordo.


Objetivos

Qualquer tecnologia que utilize H2 terá barreiras (design de aeronaves, design de motores, armazenamento de hidrogênio, produção sustentável de hidrogênio, infraestrutura e custo), vantagens e desvantagens, e essas restrições serão cuidadosamente avaliadas na pesquisa atual, envolvendo as tecnologias presentes e futuras para realizar um análise mais real considerando o ano de entrada em serviço (EIS). Certamente, a utilização do H2 envolverá novos setores industriais, P&D, formação de recursos humanos e tudo isso visando o desenvolvimento e crescimento da economia em prol do bem-estar social.


Resultados Esperados

Após a conclusão do projeto de pesquisa, os seguintes resultados são esperados:
- Desenvolvimento de uma plataforma virtual de engenharia para permitir a análise e cálculo de futuras aeronaves utilizando sistema de propulsão com H2 como combustível.
- Avaliação de sistema avançado de propulsão para aviação sustentável.
- Aprimoramento do conhecimento sobre metodologias e procedimentos a serem aplicados no futuro conceito de projeto de aeronaves.
- Projeto preliminar de uma instalação de teste considerando H2 e células de combustível.
- Formação de recursos humanos especializados em aeronáutica.


Informações adicionais

Observação: a bolsa terá o valor de referência FAPESP (https://fapesp.br/valores/bolsasnopais). Benefícios adicionais possíveis.


Para candidatar-se

Para candidatar-se, favor enviar CV, preferencialmente formato Lattes, carta de motivação e uma carta de recomendação
jtakachi@ita.br