Projeto de motor de hidrogênio da Pratt & Whitney mostra promessa da injeção de vapor, em 09.02.25

A editora da revista mensal AIN Kerry Lynch postou, no dia 28, na plataforma on line da mídia, um artigo intitulado “Pratt & Whitney Hydrogen Engine Project shows promise of steam injection – results of ARPA-e program showed 35% more efficiency and nearly elimination of nitrogen oxides” (Projeto de motor de hidrogênio da Pratt & Whitney mostra promessa de injeção de vapor – resultados do programa ARPA-e mostraram 35% mais eficiência e quase eliminação de óxidos de nitrogênio).

Texto original:
https://www.ainonline.com/aviation-news/futureflight/2025-01-28/pratt-whitney-hydrogen-engine-projects-shows-promise-steam

A pesquisa da Pratt & Whitney de sua arquitetura de motor de turbina de hidrogênio, injeção de vapor e resfriador de ar comprimido pelo turbo ou compressor mecânico de um motor, designado HySIITE – Hydrogen, Steam Injected, Inter-cooled Turbine Engine – está demonstrando não apenas a viabilidade da tecnologia, mas uma melhoria de até 35% na eficiência energética e uma redução de 99,3% nos óxidos de nitrogênio (NOx), disseram os executivos da fabricante de motores canadense. Os resultados prometem a viabilidade de levar energia de hidrogênio líquido ao mercado de aviação comercial por meio dessa tecnologia, acrescentaram os executivos.

Embora a tecnologia de propulsão a hidrogênio possa não estar pronta para ser comercializada até cerca de 2050, provar sua viabilidade é fundamental, dados os investimentos em infraestrutura que seriam necessários para a mudança de combustível e o advento para hidrogênio líquido, disse Neil Terwilliger, pesquisador técnico — conceitos avançados da Pratt & Whitney.

“Precisamos ter clareza sobre os riscos do hidrogênio, os desafios do hidrogênio”, disse Terwilliger em um briefing para jornalistas. “Existem cronogramas reais para infraestrutura, tecnologia, segurança e certificação. Não podemos fabricar esse motor agora, e mesmo que estivesse nos aeroportos hoje, não há hidrogênio nos aeroportos”, completou Terwilliger. Tudo isso requer incentivos para fazer esses investimentos e a tecnologia deve provar seu valor potencial, Terwilliger sustentou. Além disso, esse valor é importante por causa da penalidade de peso associada ao transporte de hidrogênio líquido.

Embora sua pesquisa sobre hidrogênio não esteja completa e os desafios técnicos permaneçam, a Pratt & Whitney concluiu recentemente um projeto de quase dois anos e meio apoiado pela Agência de Projetos de Pesquisa Avançada do Departamento de Energia do EUA (DoE) – ARPA-e (Advanced Research Projects Agency) – que explorou o uso de hidrogênio em um motor de ciclo Brayton (termodinâmico) com injeção de vapor para reduzir Nox (óxido de nitrogênio).

Em uma apresentação para o Towards Sustainable Aviation Summit 2025 (Cúpula Rumo à Aviação Sustentável 2025), realizado na última semana de janeiro em Toulouse (França), os executivos da Pratt & Whitney disseram que os testes de plataforma conduzidos no Centro de Pesquisa Tecnológica da RTX (RTX Technology Research Center) em East Hartford, no Connecticut (EUA), atenderam ou excederam as expectativas para o programa. Um teste de combustor de bico único com combustível de hidrogênio reduziu o NOx em 99,3%, o que o cientista chefe da Pratt & Whitney, Michael Winter, observou que essencialmente elimina o óxido de nitrogênio.

Também de acordo com os requisitos de design, o condensador demonstrou a capacidade de capturar um galão de água a cada três segundos, e o evaporador serviu como um caminho de exaustão.

Por fim, o projeto indicou que um motor habilitado para hidrogênio com recuperação de água e injeção de vapor poderia triplicar a economia líquida de energia quando comparado com o combustível de aviação sustentável mais tradicional, afirmou Pratt & Whitney.

Pratt & Whitney demonstra sua nova tecnologia para usar injeção de vapor em um motor que queima hidrogênio.

Arquitetura de motor de turbina com injeção de vapor e intercooler (HySITTE)

Hidrogênio mostra bastante potencial
O projeto de hidrogênio é parte de uma abordagem multifacetada da Pratt & Whitney em direção a um futuro mais sustentável para o transporte aéreo. A fabricante trabalhou para produzir eficiências por meio de avanços como o turbofan com engrenagem GTF, combustível de aviação sustentável e amplo trabalho de propulsão híbrido-elétrica, explicou Winter, mas acrescentando: “O hidrogênio continua sendo uma possibilidade muito significativa, e estamos realmente animados com o hidrogênio”.

No entanto, desafios acompanham o hidrogênio, como o fato de que ocupa 4 vezes o volume, então o quer requer ser armazenado como um líquido criogênico a -253°C. Além disso, o hidrogênio produz óxidos de nitrogênio, que contribuem para o aquecimento global, e também libera mais vapor de água que pode ajudar a formar trilhas de condensação (contrails), Winter admitiu.

A tecnologia HySIITE foi projetada para enfrentar esses desafios, explicou Winter. “Nós pegamos todos esses desafios e os combinamos em uma oportunidade”.

O HySITTE usa o frio do hidrogênio, condensa o excesso de água e o injeta na termodinâmica do motor. “Ao fazer isso, demonstramos que podemos controlar os óxidos de nitrogênio, essencialmente levando-os a quase zero”, explicou Winter.

O projeto do Departamento de Energia do EUA (DoE) conduzido nos últimos anos explorou os itens de “maior risco” da tecnologia, disse Winter.

Terwilliger enfatizou que o projeto do DoE não era apenas para ver a possibilidade da queima de hidrogênio. “Os motores são bastante agnósticos; eles queimam a maioria dos combustíveis – coloque um bico de combustível específico e funcionará”. Mas o projeto foi criado para explorar como aproveitar o hidrogênio e como projetar um motor de forma diferente se o hidrogênio fosse o combustível.

“Tínhamos esse contrato para demonstrar alguns dos principais itens de risco e fizemos isso com sucesso” disse Terwilliger. “Não queremos apenas dizer que existe um motor adequado por aí. Queremos mostrar se o motor pode ser muito melhor, o que está incluído nesse número, o que é separado da penalidade do avião e como as pessoas devem pensar sobre um motor habilitado para hidrogênio ao pensar se faz ou não sentido converter a aviação para hidrogênio”, prosseguiu Terwilliger.

Diagrama da tecnologia HySIITE Terwilliger forneceu um vislumbre por trás da tecnologia HySIITE: O hidrogênio criogênico aceitará prontamente o calor porque é muito frio, então a Pratt & Whitney projetou um motor que injetaria calor de diferentes fontes no hidrogênio. Essas fontes são calor que, de outra forma, seria desperdiçado e difícil de rejeitar. Além disso, o sistema é projetado para recuperar água produzida a partir do hidrogênio.

Do ponto de vista tecnológico, o HySIITE foi projetado para caber em uma nacele tradicional e é um motor turbofan, pelo menos na frente, explicou Terwilliger. Ele começa com um turbofan típico produtor de empuxo que é alimentado por um núcleo de motor e uma turbina de potência — “exatamente como o normal. Essa parte é bem tradicional”, explicou Terwilliger.
Onde a tecnologia menos tradicional entra é no escapamento da turbina de força – turbina energia (power turbine). “É realmente o que acontece no escapamento da turbina de energia que torna o HySIITE único”, observou Terwilliger. O HySIITE incorpora um evaporador, condensador e separador de água que usa o escapamento quente do motor para criar vapor que é reciclado de volta para o processo termodinâmico, melhorando a eficiência e reduzindo o desperdício.

Os motores normalmente têm um escapamento quente que sai da parte traseira e vai para a atmosfera. “Mas há muita energia útil lá em uma temperatura muito alta”, disse Terwilliger. O evaporador usa esse calor para ferver água para criar uma mistura de vapor e ar a partir do hidrogênio em chama (queimando). O condensador condensa a água do vapor, e o separador de água remove a água líquida do vapor, que então volta para o evaporador. O sistema fornece outros efeitos de ciclo, como intercooler (resfriador), Terwilliger acrescentou.

Terwilliger observou que um dos principais problemas com a queima de hidrogênio é o NOx. O hidrogênio tem uma alta temperatura de chama. Mas com o HySIITE, Terwilliger disse, “essa alta temperatura da chama é, na verdade, o que nos permite queimar tanto vapor, queimar ar e hidrogênio”. O vapor diminui a produção de NOx.

“Esta é uma situação rara no design do sistema em que algumas das fraquezas acabam permitindo uma nova oportunidade e, no final, o NOx desaparece”, disse Terwilliger. “Além disso, como estamos capturando água do escapamento, temos a oportunidade de reduzir a quantidade de água que realmente sai do motor”. Isso reduz o potencial de trilhas (rastros) de condensação – contrails. Terwilliger resume: “Então você junta tudo e obtém um benefício de eficiência muito significativo em comparação com o estado da arte atual”.

Sob o programa ARPA-E do DoE, os pesquisadores demonstraram que o combustor tinha a mistura adequada, o evaporador mostraria durabilidade, o condensador produziria a queda necessária na pressão e no volume de água necessários, e o evaporador mostraria durabilidade.

Embora tenha experiência com combustores, a Pratt & Whitney normalmente trabalha com combustão com uma mistura de partes iguais de ar e água. “Queríamos provar que poderíamos fazer combustão de hidrogênio na presença de tanta água com controle da chama, medindo quanto Nox realmente produzimos, garantindo que seja estável. E fizemos isso”, disse Terwilliger.

Quanto ao evaporador (evaporator), “este é um trocador de calor (heat exchanger) com tubos pequenos e que tem que ter água de alta pressão e vapor superaquecido de um lado e ficar no escapamento de um motor a jato do outro lado”, disse Terwilliger. “Então, como você pode imaginar, esse é um ambiente bastante desafiador. Queríamos provar que ele dura naquele ambiente, que pode evaporar a água com sucesso e não se desintegrar”, completou Terwilliger.

O condensador, por sua vez, é um trocador de calor (heat exchanger) que resfria o escapamento. “Queríamos mostrar que a quantidade de perda de pressão necessária para resfriar o escapamento é o que achamos que é, porque se for muito mais, o desempenho de todo o sistema pode desmoronar”, disse Terwilliger.

Encorajada pelos resultados, a Pratt & Whitney continuará buscando oportunidades para avançar as tecnologias, pois continua ativa em vários outros programas.

No entanto, uma lição importante está surgindo do HySIITE: “Motores de hidrogênio, mesmo sem injeção de vapor (steam injection), podem ser mais eficientes do que motores de base. Mas se você estiver disposto a adicionar injeção de vapor, acho que esta é uma oportunidade única”, disse Terwilliger, porque 35% a mais de eficiência em relação à linha de base – a Pratt & Whitney usou seu próprio GTF como parâmetro — é uma mudança significativa o suficiente para capturar o interesse necessário e o investimento potencial. [EL] – tradução