[pt] AVALIAÇÃO COMPARATIVA TERMODINÂMICA E DAS EMISSÕES NA UTILIZAÇÃO DO HIDROGÊNIO E DO QUEROSENE DE AVIAÇÃO EM UM MOTOR AERONÁUTICO

[en] COMPARATIVE THERMODYNAMIC AND EMISSIONS ASSESSMENT IN THE USE OF AVIATION KEROSENE AND HYDROGEN IN AN AERONAUTICAL ENGINE

[pt] EMISSOES

[pt] TURBOFAN

[pt] QUEROSENE DE AVIACAO

[pt] MOTOR AERONAUTICO

[pt] TERMODINAMICA

[pt] HIDROGENIO

[en] EMISSIONS

[en] TURBOFAN

[en] AVIATION KEROSENE

[en] AERONAUTICAL ENGINE

[en] THERMODYNAMICS

[en] HYDROGEN

[pt] Com a necessidade global de descarbonização da atmosfera, a utilização de combustíveis alternativos no setor aeronáutico se mostrou relevante nos últimos anos. O hidrogênio é uma forma de energia renovável que pode ser produzida de forma limpa, além de ser uma alternativa promissora aos combustíveis fósseis que contribui para a redução das emissões de gases de efeito estufa e para a transição de um setor aéreo mais limpo e sustentável. O objetivo do trabalho é realizar uma modelagem termodinâmica comparativa em um motor Turbofan General Eletric GE-90 com a utilização do querosene de aviação e hidrogênio em três etapas de voo: Subida, Cruzeiro e Aproximação, verificando as vantagens e desvantagens de cada combustível nesse tipo de motor. Essa análise foi realizada por meio de dois softwares: Matlab e Gasturb, para que haja uma melhor comparação entre os resultados. Ademais, foram realizados os cálculos das emissões geradas por esse motor em um percurso do Rio de Janeiro – Paris em um Boeing 777-300ER, incluindo as três etapas de voo, com a utilização do hidrogênio e querosene de aviação. Para o querosene, calcularam-se as emissões de 𝐶𝑂2, 𝐶𝑂, 𝐻𝐶, 𝑀𝑃, 𝑁𝑂𝑥 𝑒 𝐻2𝑂 e para o hidrogênio apenas 𝑁𝑂𝑥 𝑒 𝐻2𝑂. Com isso, os resultados das simulações foram então comparados para os dois combustíveis, onde observou-se que para produzir o empuxo necessário para as três etapas de voo definidas, o hidrogênio precisou-se de uma vazão de aproximadamente 3x menor que o querosene, mantendo a performance da aeronave. Em contrapartida, houve um aumento na temperatura de saída da câmara de combustão, que por sua vez, ocasionou um aumento das emissões de 𝑁𝑂𝑥 durante o voo de aproximação e subida, já em voo de cruzeiro houve uma redução dessas emissões, principalmente, pelo fato de a diferença de vazão ter uma influência maior no cálculo, porém, somando esses fatores, a utilização de hidrogênio reduziu em torno de 60% esse poluente. Além disso, como o processo de combustão do hidrogênio, gera água como principal produto, houve um aumento significativo da emissão de vapor de 𝐻2𝑂, equivalente a 3x mais comparado ao querosene, o que pode provocar contrails e a formação de nuvens o que pode interferir nas mudanças climáticas.

[en] With the global need for atmospheric decarbonization, the use of alternative fuels in the aviation sector has become significant in recent years. Hydrogen is a form of renewable energy that can be produced cleanly and is a promising alternative to fossil fuels, contributing to the reduction of greenhouse gas emissions and the transition to a cleaner and more sustainable aviation sector. The aim of this study is to perform comparative thermodynamic modeling on a General Electric GE-90 Turbofan engine using both aviation kerosene and hydrogen in three flight stages: Climb, Cruise, and Approach, examining the advantages and disadvantages of each fuel in this type of engine. This analysis was carried out using two software programs: Matlab and Gasturb, to facilitate a better comparison between the results. Moreover, calculations were made of the emissions generated by this engine on a Rio de Janeiro – Paris flight in a Boeing 777- 300ER, including the three flight stages, using both hydrogen and aviation kerosene. For kerosene, emissions of 𝐶𝑂2, 𝐶𝑂, 𝐻𝐶, 𝑀𝑃, 𝑁𝑂𝑥 𝑒 𝐻2𝑂 were calculated, while for hydrogen, only 𝑁𝑂𝑥 and 𝐻2𝑂 were considered. As a result, the simulation outcomes were then compared for the two fuels, where it was observed that to produce the necessary thrust for the three defined flight stages, hydrogen required a flow rate approximately 3 times lower than kerosene, maintaining the aircraft s performance. In contrast, there was an increase in the combustion chamber exit temperature, which in turn led to an increase in 𝑁𝑂𝑥 emissions during the climb and approach phases, while in cruise flight there was a reduction in these emissions, mainly due to the fact that the flow rate difference had a greater influence on the calculation. However, adding up these factors, the use of hydrogen reduced this pollutant by about 60%. Furthermore, as the combustion process of hydrogen mainly produces water, there was a significant increase in the emission of 𝐻2𝑂 vapor, equivalent to 3 times more compared to kerosene, which can lead to contrails and cloud formation, potentially affecting climate change.

MARCOS SEBASTIAO DE PAULA GOMES

2023-12-20

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