Vasos de Pressão Avançados de Fibra de Carbono: Otimizando Armazenamento de Hidrogênio para Futuro Sustentável

Hidrogênio como alternativa livre de CO₂ a combustíveis fósseis está no horizonte há décadas, e crescimento em vasos de pressão de plástico reforçado com fibra de carbono (CFRP) para armazenamento de hidrogênio definitivamente está em alta. Mas em 2020, hidrogênio tornou-se mandato, identificado pela Comissão Europeia (CE) como prioridade chave para alcançar o European Green Deal para economia sustentável e EU neutra em clima até 2050. Eventos-chave para hidrogênio na aviação incluem:

• Maio 2020 – Clean Sky 2 e Fuel Cells and Hydrogen Joint Undertaking (FCH JU) publicaram "Hydrogen-powered aviation", detalhando como aeronaves de curto alcance (85-165 passageiros) movidas a hidrogênio poderiam alcançar entrada em serviço (EIS) por 2030-2035.
• Junho 2020 – Programa de alívio de pandemia de $17 bi da França atrelado a metas do relatório "Hydrogen-powered aviation"; Air France diz que cortará emissões de CO₂ pela metade para voos domésticos até 2024.
• Julho 2020 – CE publica "A hydrogen strategy for a climate-neutral Europe", pedindo investimento de €65 bi para transporte, distribuição, armazenamento e estações de reabastecimento de hidrogênio, listando políticas de apoio e mecanismos de financiamento incluindo Clean Hydrogen Partnership e ETS Innovation Fund (€10 bi durante 2020-2030).
• Julho 2020 – CEO da Airbus Guillaume Faury, em entrevista ao editor Graham Warwick da Aviation Week, compromete-se com primeira aeronave descarbonizada EIS até 2035; prevê lançamento de programa por 2027-28 e maturação de tecnologias necessárias até 2025.
• Julho 2020 – ZeroAvia (Hollister, Califórnia, EUA) completa voo de teste de monomotor Piper de seis assentos modificado para usar gás hidrogênio comprimido (H₂) e revela testes de voo nos EUA para bimotor turboélice Dornier Do 228 de 19 assentos similarmente modificado per seu roadmap para certificar aeronave de 20 assentos movida a H₂ com alcance 500 milhas até 2023.
• Agosto 2020 – Universal Hydrogen (Los Angeles, Califórnia, EUA) anuncia módulos de tanque gêmeo para aeronave de 50 assentos (ver foto), mais logística de reabastecimento e infraestrutura para companhias regionais/operadores ser comercial até 2024.

Viabilidade do hidrogênio como fonte de combustível – independentemente da indústria – depende de desenvolvimento rápido de variedade de tecnologias de transporte, entrega e armazenamento que são jovens mas evoluem rápido. Comercializar estas tecnologias não será simples, mas estão sendo abordadas. Abaixo resumo de alguns trabalhos em andamento.

Universal Hydrogen

Co-fundada em 2020 por Paul Eremenko, ex-CTO da Airbus SE (Leiden, Holanda) e United Technologies Corp. (Farmington, Connecticut, EUA), o objetivo da Universal Hydrogen é ajudar transição para aviação movida a hidrogênio fornecendo infraestrutura de abastecimento de hidrogênio. Um componente chave é seu módulo de combustível compreendendo tanques gêmeos de armazenamento H₂ em estrutura de polímero reforçado com fibra de carbono (CFRP). "Forneceremos os módulos ao local conforme necessário, então não há necessidade de infraestrutura de armazenamento de hidrogênio," explica CTO da Universal Hydrogen, J.P. Clarke. "Os módulos são simplesmente carregados no avião como bateria ou suprimentos de galley."

Crédito: Universal Hydrogen

Módulos desenvolvidos primeiro para aeronaves turboélice regionais Dash 8 e ATR de 50 assentos. Estes módulos terão tanques de 7 pés de comprimento por 3 pés de diâmetro, usando ou fibra de carbono para segurar gás H₂ a 850 bar alcançando densidade de 50 kg/m³, ou tanques metálicos isolados para H₂ líquido (LH₂) a pressão e temperatura padrão alcançando densidade de 71 kg/m³. Embora tanques LH₂ ofereçam maior eficiência volumétrica, tanques isolados mas não refrigerados devem ser usados dentro de 42 horas porque LH₂ vaporiza se não mantido a -253°C. "Ambos tipos de tanques ficarão dentro de estrutura compósita leve, otimizada estruturalmente, que também empresta resistência a impacto e alguma capacidade de carga," diz Clarke.

Tanques de gás H₂ incluirão liner polimérico impermeável enrolado com camadas de trança seca de fibra de carbono e camada externa protetora de fibra aramida Kevlar. "Não há necessidade de resina," explica Clarke. "O liner trata permeabilidade, enquanto a fibra de carbono suporta cargas circunferencial e axial e a camada externa mais estrutura previne danos; assim peso e espessura são reduzidos. Este design integrado de tanque e estrutura, combinado com mapeamento de funções a cada camada do tanque, nos permitiu obter melhorias significativas na fração de massa."

Fração de massa é calculada dividindo massa de hidrogênio armazenado pela do módulo todo; quanto maior a fração, melhor. "Fizemos estudo de trade-off extensivo olhando fração de massa e eficiência volumétrica no contexto das aeronaves Dash 8 e ATR," nota Clarke. "Então, você olha volume e peso de combustível versus o que cabe nestas aeronaves, alcance alcançável e peso máximo de decolagem, distribuição de peso, etc. Com H₂ gasoso a 850 bar, voamos cerca de 400 milhas náuticas com reserva de 45 min e cerca de 550 milhas náuticas com tanques LH₂. Porém, comprimento médio de estágio para missão turboélice é cerca de 300 milhas náuticas, então a vasta maioria destes voos pode ser feita com sistema de H₂ gasoso usando tanques CFRP."

Universal Hydrogen fará parceria com fabricante de tanque compósito? "Nossa estratégia é fazer parceria onde faz sentido e focar em nosso negócio principal," diz Clarke. Reiterar foco da Universal Hydrogen: "Queremos ser provedor do combustível e infraestrutura. Forneceremos os módulos, e os levaremos onde forem necessários para que nossos parceiros foquem no resto do design e operação da aeronave. Nosso objetivo é ser habilitador da aviação movida a hidrogênio."

SpaceTech4Sea

Como aviação, navegação também vem sob regulações desenhadas para reduzir CO₂ e outros gases de efeito estufa (GEE). Desde janeiro 2018, navios de mais de 5.000 toneladas brutas carregando ou descarregando carga ou passageiros em portos da Área Econômica Europeia (AEE) devem monitorar e reportar emissões de CO₂. Ainda mais, como parte de sua convenção MARPOL para reduzir poluição de navios, a International Maritime Organization (IMO) mandatou desde janeiro 2020 que enxofre em óleo combustível deve ser reduzido de 3,50% m/m (massa por massa) para 0,50%. A IMO também se comprometeu com estratégia inicial de GEE para buscar redução de 50% até 2050 comparado a níveis de 2008.

"A melhor possibilidade para estar em conformidade é inicialmente mudar para gás natural liquefeito (GNL)," diz Dr. Panayotis Zacharioudakis, diretor administrativo da Ocean Finance (Atenas, Grécia), empresa de consultoria avançando sustentabilidade marítima e coordenadora dos projetos CE SuperGreen e SpaceTech4Sea. SuperGreen criará sistema de transporte sustentável e verde na Grécia compreendendo embarcações de passageiros elétricas e dois catamarãs híbridos GNL/elétricos conectando porto de Pireu com outros portos na rede do Mediterrâneo oriental. "Para este projeto, estamos construindo balsa de alta velocidade em CFRP," explica Zacharioudakis. "Se usássemos tanque de GNL metálico state-of-the-art, pesaria sete toneladas métricas, o que equivale a pouco mais de 70 passageiros [100 kg por pessoa com bagagem]. Então, teríamos que diminuir capacidade de passageiros em 70."

Por que o peso extra? "Comparado a diesel, GNL deve ser armazenado a -163°C criogênico e tanques metálicos devem usar materiais, construção, isolamento e sistemas operacionais que atendam requisitos da IMO para combustíveis gasosos, ou código IGF," diz Zacharioudakis. Para Ocean Finance, peso extra não era aceitável, então começou a pesquisar soluções possíveis e encontrou relatório sobre criotanques que Cimarron Composites (Huntsville, Alabama, EUA) desenvolveu com NASA.

"Foi quando começamos o projeto SpaceTech4Sea da EASME (Agência Europeia para PMEs)," diz Zacharioudakis. "A ideia é modificar tecnologia aeroespacial para aplicações marítimas." Terceiro parceiro do projeto é sociedade de classificação American Bureau of Shipping (ABS, Houston, Texas, EUA), que validará e qualificará a tecnologia. Em setembro 2019, ABS concedeu aprovação em princípio (AIP) para design conceitual de tanque de GNL compósito ultraleve e criogênico da Cimarron. Desde então, construíram e testaram tanques sub e escala real para certificação. "Eles acabaram de terminar os últimos testes," diz Zacharioudakis. "Em pouco mais de dois meses, teremos certificação completa para tanques de GNL compósitos para mercado marítimo. Este tanque fornecerá economia de peso de mais de 85% versus tanque metálico convencional."

Embora a maioria dos detalhes do tanque seja proprietária, fundador e presidente da Cimarron Composites, Tom DeLay, diz que é feito com fibra de carbono e resina termofixa avançada usando infusão de resina e filamento úmido. "Testamos tanques de 25 e 40 polegadas de diâmetro e estamos conversando com construtor de balsa CFRP para SuperGreen sobre tanques com capacidade de cinco metros cúbicos [5.000 litros], que poderiam ser alcançados com tanque de 2 metros de diâmetro e 2,5 metros de comprimento." Ocean Finance vê mercado para mais de mil tais tanques e trabalhará com Cimarron para estabelecer produção automatizada, possivelmente na Grécia.

E hidrogênio? "Mesmo enquanto terminamos estes projetos de GNL, começamos a olhar para hidrogênio," nota Zacharioudakis. "Há tanto interesse, atividade e agora financiamento disponível na Europa. Uma questão, porém, é que regulações marítimas especificam que tanques devem fornecer tempo de retenção de até 15 dias para GNL. Isso será o mesmo para LH₂." DeLay concede que desenvolver tanque criogênico para LH₂ (-253°C, ver acima) é muito mais difícil que para GNL (-196°C); entre desafios está encontrar materiais que resistam a fragilização e trincas. Está trabalhando agora com Ocean Finance para ajudar completar estudo de trade-off, olhando fatores técnicos e econômicos de usar H₂ líquido versus gasoso para embarcações marítimas.

Tanques Netuno para gás H₂

Notavelmente, Cimarron Composites já desenvolveu tanque CFRP Tipo IV para armazenamento de alta pressão de hidrogênio e outros gases. "Nosso tanque Júpiter original foi desenvolvido para transporte de maioria dos gases industriais, incluindo hidrogênio, a pressão de 4.350 psi [300 bar]," diz DeLay. "Hidrogênio, porém, é transportado mais eficazmente a pressões mais altas, por isso desenvolvemos tanque Netuno de 7.500 psi [517 bar]."

Ambos tanques Júpiter e Netuno passaram nos inúmeros testes por requisitos UN ISO 11515 e estão disponíveis em gama de diâmetros e comprimentos até 26 pés. "Estes tanques foram desenvolvidos para envio em módulos padrão por caminhão, trem ou navio," nota DeLay. "Encontramos que diâmetro de 30 polegadas tem eficiência de empacotamento ideal, permitindo transportar mais hidrogênio que com cilindros de diâmetro maior. Com comprimento de 19 pés, cabem nove tanques em container padrão de 20 pés. A 67 kg de gás hidrogênio por tanque, podemos mover 600 kg em container de 20 pés e 1.200 kg em container padrão de 40 pés."

"Compramos fibra de carbono de todos principais fornecedores, incluindo Toray [Tóquio, Japão], Mitsubishi Rayon [Tóquio], Teijin [Rockwood, Tennessee, EUA] e Hyosung [Seul, Coreia do Sul]," adiciona DeLay, "mas para Netuno qualificamos com três fornecedores diferentes simultaneamente. Formulamos a resina nós mesmos usando produtos comercialmente disponíveis e controlamos rigidamente teor de fibra e resina bem como tensão durante filamento enrolado e ciclo de cura em forno para prevenir estresse térmico. Tudo isso contribui para desempenho mecânico dos tanques."

Independentemente de necessidade ser armazenamento criogênico líquido ou gás de alta pressão, DeLay vê oportunidades crescendo. "Levou anos desenvolver nossa expertise," diz, "começando de tanques de combustível para foguetes aos grandes tanques de armazenamento e transporte que desenvolvemos e produzimos agora. Ano atrás, era cético sobre hidrogênio, pensando que única razão era pressão do governo. Mas agora recebemos pedidos muito grandes e todo tipo de solicitações. Podemos ver que, globalmente, ampla gama de indústrias está investindo seriamente em hidrogênio e governos apoiam este desenvolvimento. Parece que estamos prontos com produtos certos no momento certo."