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Acelerando rumo ao carbono neutro com hidrogênio verde e simulação

Indústria Automotivo Geração de Energia

O hidrogênio tem potencial para reduzir as emissões de gases de efeito estufa e ajudar os principais setores econômicos a alcançar os objetivos de carbono neutro até 2050. Essa é a data que muitos países concordaram durante uma cúpula sobre mudança climática no início deste ano, e que a União Européia, o Reino Unido e outros países já tornaram juridicamente vinculativa. No Brasil, o Plano Nacional de Energia 2050 e o Programa Nacional do Hidrogênio também trazem esse combustível como prioridade na estratégia de energia. O cumprimento desse objetivo exigirá uma revisão do uso de energia para muitas indústrias e o avanço de várias tecnologias emergentes, de acordo com a Agência Internacional de Energia.

O compromisso do setor de aviação com o carbono neutro

Figura 1: O compromisso do setor de aviação com o carbono neutro (Fonte: IATA)

A sinergia entre as indústrias aponta para a adoção do hidrogênio

O hidrogênio é uma parte significativa da solução para a neutralidade de carbono. Existem sinergias entre as principais indústrias como aeroespacial, energética e automotiva para estabelecer uma rede de infraestrutura sustentável para o hidrogênio. O uso do hidrogênio oferece muitos caminhos para a sustentabilidade – do armazenamento de energia à produção de energia mais limpa e à propulsão – enquanto complementa outras soluções, tais como baterias.

Se analisarmos qualquer um dos setores industriais em detalhes, podemos ver o impacto potencial do hidrogênio para reduzir as emissões de gases de efeito estufa. Vejamos a indústria da aviação como um exemplo. Um roteiro proposto para o carbono neutro para a indústria aeronáutica (ver figura 1) mostra que apenas um combustível sustentável, como o hidrogênio, oferece um caminho realista para zerar as emissões de CO2 até 2050. É importante notar que a eletrificação continuará a ajudar a reduzir as emissões, especialmente em voos de curta distância, entretanto mais de 90% das emissões no setor da aviação são produzidas por voos de médio e longo alcance, de acordo com o Air Transport Action Group.

Observações semelhantes podem ser feitas para outros setores onde as soluções baseadas no hidrogênio devem desempenhar um papel crítico juntamente com outras tecnologias importantes – tais como eficiência energética, baterias e captura de carbono – para alcançar a meta de carbono neutro.

“A diminuição do conteúdo de carbono da energia e a eletrificação de muitas atividades econômicas (por exemplo, transporte ou indústria), beneficiando-se da forte diminuição dos custos de energia renovável, são componentes-chave do roteiro para atingir a meta de aumento máximo de 1,5° C até 2050”, diz Claude Heller, ex-Diretor de Programas de P&D do Grupo para a Air Liquide, que agora é Conselheiro Sênior para a Economia do Hidrogênio. “Nos setores de difícil de redução (por exemplo, siderurgia ou aviação) a eletrificação indireta é possível através do hidrogênio produzido pela eletrólise da água com baixa energia de carbono (por exemplo, energias renováveis ou nuclear)”.

Três desafios-chave na democratização do hidrogênio verde em todas as indústrias

Três grandes desafios com a democratização do hidrogênio são o custo, a infraestrutura e a escala.

1. Custo

O custo da produção de hidrogênio verde (hidrogênio produzido com energia renovável) é de cerca de US$ 5 dólares por quilograma, o que a tornou menos competitiva em comparação com os combustíveis pesados de carbono como o gás natural ou querosene. O alto custo está ligado ao investimento e à demanda em infraestrutura, que agora está recebendo um impulso devido às regulamentações e ações pró-ativas que estão sendo tomadas pelos governos em todo o mundo.  

O investimento em hidrogênio verde ultrapassa agora US$ 1 bilhão por ano. O maior investimento, globalmente, veio da União Européia, que é responsável por mais da metade dos investimentos em projetos baseados em hidrogênio no início desta década. O Departamento de Energia dos Estados Unidos (DOE) lançou em junho de 2022 a Iniciativa Energy Earthshots para uma transição energética acelerada. O primeiro Energy Earthshot, chamado Hydrogen Shot, visa reduzir o custo do hidrogênio verde para US$1/kg até o final da década.

2. Infraestrutura

Com um investimento significativo em um ecossistema de hidrogênio, os desafios técnicos relacionados ao hidrogênio verde estão novamente em foco. Entretanto, ainda existem desafios significativos de projeto em cada etapa – desde sua produção, armazenamento e transporte, até seu uso final. Um dos maiores desafios em todas as etapas é a eficiência energética dos dispositivos envolvidos. A eficiência da célula de combustível varia atualmente entre 40% e 60%, enquanto a eficiência média do eletrólise é de 60%. Melhorias significativas na eficiência são possíveis, mas consomem muito tempo em um ambiente de projeto tradicional de teste de construção.

Por exemplo, o hidrogênio apresenta uma grande promessa na descarbonização dos setores de aviação e geração de energia com sua utilização final em turbinas a gás devido a sua alta densidade de energia e capacidade de queima enxuta. No entanto, a queima de hidrogênio em motores apresenta vários desafios técnicos, incluindo flashback, instabilidades acústicas, auto-ignição e retenção de chama dentro do queimador.

Devido a seu baixo peso molecular e densidade, o armazenamento de hidrogênio em um espaço compacto também é um grande desafio. Ele precisa ser fortemente comprimido ou armazenado na forma criogênica/líquida. O projeto do tanque de armazenamento, seja voando no céu em um avião ou andando no fundo de um veículo de célula de combustível no solo, requer consideração especial para fragilização, vazamento e risco de segurança associado.

3. Escala

Finalmente, existem desafios de uso final relacionados ao hidrogênio em escala. O tamanho do sistema atual e o peso das células de combustível são grandes, especialmente para aplicações aeroespaciais e automotivas. Sua durabilidade e confiabilidade precisam ser melhoradas para a maioria das aplicações de transporte. O gerenciamento térmico, de água e ar também são desafios quando se tenta manter o tamanho do trocador de calor e o sistema como um todo.

“As tecnologias atuais de hidrogênio (por exemplo, eletrólise ou células de combustível) estão suficientemente amadurecidas para envolver a economia de hidrogênio em escala para diminuir os custos”, diz Heller. “Em paralelo, ainda há necessidade de melhorar os processos a fim de diminuir os custos além do efeito do tamanho. Para isso, um melhor entendimento e a modelagem de reações eletroquímicas em escala molecular e processos em níveis de sistema (por exemplo, células ou pilhas) é essencial”.

Tecnologia de simulação permite a adoção do hidrogênio verde

A tecnologia Ansys permite superar os desafios associados ao hidrogênio, melhorando o desempenho em cada fase de seu ecossistema e acelerando o desenvolvimento de novas tecnologias para enfrentar o desafio do custo e da escala. Por exemplo, o ENHIGMA, um projeto que envolve diferentes empresas, bem como centros tecnológicos e de pesquisa, utilizou a tecnologia Ansys para fabricar eletrolíticos e células de combustível de baixo custo, eficientes em termos energéticos e duráveis à base de membrana de troca de prótons (PEM). Como mostrado na figura 2, os pesquisadores do Centro Nacional del Hidrógeno (CNH2) otimizaram as pilhas de células PEM utilizando simulações de fluxo em Ansys Fluent.

Uma pilha de eletrólise de água PEM para produção de hidrogênio com projeto de célula otimizado através de simulação Ansys

Figura 2: Uma pilha de eletrólise de água PEM para produção de hidrogênio (à esquerda) com projeto de célula otimizado através de simulação Ansys (à direita)

 

A tecnologia de simulação Ansys é utilizada para projeto individual de células, seleção de materiais econômicos e leves, otimização de pilha de célula para eficiência energética e gerenciamento térmico de toda a célula de combustível e sistema de eletrólise.

O armazenamento criogênico e o transporte estão no centro do ecossistema do hidrogênio. As soluções compostas Ansys podem ser usadas para projetar recipientes criogênicos enquanto imitam de perto seu processo de fabricação. A ferramenta de falha composta do Ansys Mechanical permite que os projetistas avaliem em profundidade os modos de falha potenciais e os locais de falha utilizando critérios avançados de falha composta, como Tsai-Wu, Puck e LaRC. Ela pode ser ainda utilizada para entender o efeito de fragilização e iniciação e propagação de fissuras, como mostrado na figura 3.

Um tanque de hidrogênio líquido/comprimido criogênico utilizando Ansys Composite PrepPost (ACP) à esquerda e a análise de embrulhamento/rachadura em Ansys Mechanical à direita

Figura 3: Um tanque de hidrogênio líquido/comprimido criogênico utilizando Ansys Composite PrepPost (ACP) à esquerda e a análise de embrulhamento/rachadura em Ansys Mechanical à direita

Os motores de turbinas a gás movidos a hidrogênio fornecem o caminho mais promissor para os esforços de descarbonização no setor de energia e aviação. Os desafios técnicos mais complexos da combustão de hidrogênio – tais como flashback, instabilidades acústicas e auto-ignição – podem ser caracterizados e abordados com simulações de alta fidelidade. 

A Figura 4 mostra a validação da metodologia de simulação CFD no Ansys Fluent para combustão de hidrogênio contra dados experimentais.

Previsões da dinâmica dos fluidos computacional (CFD) Ansys Fluent para combustão de hidrogênio e sua validação em relação aos dados experimentais

Figura 4: Previsões da dinâmica dos fluidos computacional (CFD) Ansys Fluent para combustão de hidrogênio e sua validação em relação aos dados experimentais

Finalmente, tecnologias avançadas de digitalização, tais como gêmeos digitais e modelos de pedidos reduzidos (ROMs), podem ser usadas para otimizar as operações de sistemas baseados em hidrogênio. As ROMs são simplificações de modelos complexos e de alta fidelidade. Elas capturam o comportamento dos modelos de fonte para que os engenheiros possam estudar rapidamente os efeitos dominantes de um sistema usando o mínimo de recursos computacionais.

A figura 5 mostra um gêmeo digital de um sistema de célula de combustível criado no Ansys Twin Builder. Um sistema típico de produção de hidrogênio ou uma planta de célula a combustível à base de hidrogênio contém muitos componentes. A maioria deles pode ser representada por um modelo simplificado, mas a maioria das partes críticas – como uma pilha de combustível ou pilhas de células PEM – pode ser representada por uma ROM derivada de solucionadores físicos Ansys 3D. A criação de ROM para este gêmeo digital é habilitada pelo Ansys optiSLang, que automatiza a cadeia de ferramentas de simulação e se conecta a algoritmos para otimização robusta do projeto (RDO). Com conexão aos dados do sensor ao vivo, este gêmeo digital pode monitorar e otimizar as operações enquanto permite a manutenção preditiva.

Gêmeo digital de um sistema de célula de combustível

Figura 5: Gêmeo digital de um sistema de célula de combustível

Ao capacitar os engenheiros a explorar mais opções de projeto de hidrogênio de forma mais rápida e acessível, a simulação ajudará a enfrentar os principais desafios relacionados ao aumento da adoção do hidrogênio. Ser capaz de projetar e testar tecnologias relacionadas ao hidrogênio em um ambiente virtual acelera o tempo de colocação no mercado, o que é fundamental à medida que governos e indústrias se apressam para cumprir as metas de carbono neutro até 2050.

 



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Possui mais de 25 anos de atuação e reúne experiência e conhecimento em engenharia e ciência da computação, oferecendo ao mercado soluções completas em simulação computacional e desenvolvimento de software científico em engenharia. Destaca-se nas áreas de análise estrutural, fluidodinâmica, eletromagnética e simulação de partículas.


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