SEBASTIÃO RODRIGUES
ÁLCOOL COMBUSTÍVEL PARA AERONAVES COMBUSTÍVEIS ALTERNATIVOS E PRESERVAÇAO DO MEIO AMBIENTE
Trabalho de Conclusão de Curso apresentado ao Curso Superior de Tecnologia em Manutenção de Aeronaves, da Universidade Tuiuti do Paraná – Faculdade de Ciências Aeronáuticas, como requisito parcial para a obtenção do título de Tecnólogo Superior.
Orientador: José Marcos Pinto
Curitiba PR 2009
SUMÁRIO
LISTA DE ILUSTRAÇÕES ..........................................................................................3
RESUMO.....................................................................................................................4
ABSTRACT .................................................................................................................5
1. INTRODUÇÃO ........................................................................................................6
1.1 HISTÓRIA DO ALCOOL COMBUSTÍVEL NO BRASIL....................................6 1.2 CONVERSÃO DO MOTOR..............................................................................8 1.3 MODIFICAÇÕES NA AERONAVE...................................................................9 1.4 AVALIAÇÃO DO MOTOR APÓS HORAS VOADAS.......................................12 2. RESULTADOS E DISCUSSÃO................................................................................15
2.1 OUTROS COMBUSTÍVEIS RENOVÁVEIS EM DESENVOLVIMENTO..............15
2.2 DESENVOLVIMENTO DE VÁRIOS SETORES..................................................18 3. CONCLUSÃO............................................................................................................20
4. GLOSSÁRIO..............................................................................................................21 5. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ........................................................................ 22
LISTA DE ILUSTRAÇÕES
Ilustração 1 - Ipanema 200 - Motor lycoming IO-540-K1J5, de 320HP, a álcool, hélice
tripá Hartzell de velocidade constante....... ..................................................................8
Ilustração 2 - Detalhe da aeronave caracterizada do projeto. .....................................9
Ilustração 3 - Sistema de distribuição de combustível em motor modificado. ...........10
Ilustração 4 - Detalhe da asa durante a execução da modificação da aeronave para
motor a álcool............................................................................................................11
Ilustração 5 - Painel de comando em aeronave com motor modificado para
combustível álcool...................................................................................................111
Ilustração 6 - Detalhe do painel modificado - partida a frio. ......................................12
Ilustração 7 - Foto de válvulas de admissão e exaustão retiradas de motor a álcool
do Ipanema para realização de TBO............................................................................13
Ilustração 8 - Detalhe do eixo de ressalto do motor a álcool do Ipanema. ................14
Ilustração 9 - Gráfico da relação peso e volume.........................................................12
RESUMO O presente artigo apresenta a viabilidade econômica da utilização do álcool combustível para aviação, como fator de geração de divisas e alternativas de preservação ambiental. O álcool foi escolhido como base de pesquisa por já representar uma fonte alternativa de combustível para aeronaves, já utilizado em aviões agrícolas de pequeno porte e a apresentação de outros combustíveis alternativos. O artigo apresenta as bases da pesquisa inicial e a forma de aplicação, com a transformação do motor utilizado na aeronave IPANEMA. PALAVRAS-CHAVE: Aeronaves, combustível, álcool, desenvolvimento, alternativa.
ABSTRACT This article presents the economic feasibility of the use of alcohol fuel for aviation, as a factor for generating foreign exchange and alternatives for environmental preservation. The alcohol was chosen as a reference in this work because it represents alternative sources of fuel for aircraft. They already are used in agriculture for small aircraft and the presentation of other alternative fuels. This article presents the basis of initial research and its way of implementation, the processing engine in the aircraft. KEY-WORDS: Airplanes, fuel, alcohol, alternative, environment.
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1. INTRODUÇÃO
O modelo de desenvolvimento do mundo atual está baseado no consumo
de combustíveis fósseis como petróleo, gás natural e carvão mineral. Entretanto,
esse modelo tende a entrar em crise dentro de algumas décadas, pois tem seu
fundamento em fontes energéticas não-renováveis e poluentes. As fontes de
petróleo têm seu fim estimado, por alguns cientistas, em cinquenta anos. Porém
antes mesmo que as fontes de petróleo se esgotem, seu custo se tornará inviável ou
seja, aumentará de tal forma que deixará de ser competitivo em relação a outras
fontes de energia.
Além do problema de serem fontes não-renováveis, os combustíveis fósseis
são responsáveis, em grande parte, pelo Efeito Estufa e pela aceleração das
mudanças climáticas devido a emissão de produtos e sub-produtos provenientes da
sua combustão. Nas últimas décadas, a questão ambiental tem sido um dos fatores
importantes na busca de novas fontes energéticas, pois os gases do efeito estufa
estão causando uma onda de aquecimento global. Reflexo disso, em 1997, durante
a conferência realizada em Kyoto, foram discutidos os crescentes impactos
ambientais, sendo até mesmo criado um mercado de créditos de carbono para
incentivar a utilização de fontes energéticas limpas e renováveis, os chamados
“combustíveis verdes” ou “biocombustíveis”.
Esse trabalho demonstra e exemplifica o álcool combustível brasileiro e
propõe outros combustíveis renováveis como alternativas para utilização em
motores de aeronaves comerciais e particulares no mundo inteiro, de motores a
pistão a motores à reação.
1.1 – Histórico do Álcool Combustível no Brasil
O Brasil saiu na frente, criando o programa de álcool combustível para a
linha automotiva, o Pró Álcool, na década de 80, que promoveu um grande avanço
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em pesquisas e desenvolvimento desse combustível. Depois de algum tempo,
interesses econômicos e outros levaram esse programa a uma letargia, forçando a
diminuição do interesse comercial por esse produto. Porém, muitas empresas
envolvidas nesse projeto continuaram suas pesquisas e avanços nessa área.
Houve, em função desse projeto, um grande desenvolvimento na
agricultura, sobretudo nas áreas destinadas à plantação de cana de açúcar, matéria
prima para a fabricação do álcool combustível. Nesse mesmo período, houve uma
grande expansão nas áreas plantadas com a cultura da soja. A EMBRAER,
Empresa Brasileira de Aeronáutica, atenta a esse mercado em potencial, acelerou a
produção de aeronaves do modelo IPANEMA, iniciada em 1972, promovendo um
grande desenvolvimento aviação agrícola nacional.
Diante desse cenário, o CTA, em São José dos Campos (SP), começa um
projeto de desenvolvimento de tecnologia para conversão de motores aeronáuticos a
pistão para o uso do etanol (álcool etílico hidratado), como alternativa à gasolina de
aviação, em relação a custo e disponibilidade, objetivando reduzir o custo
operacional da hora de vôo. O projeto foi paralisado em 1989, sendo que o primeiro
vôo foi realizado em dezembro de 1985, com uma aeronave T-25 Universal da FAB,
demonstrando a viabilidade técnica da conversão.
A EMBRAER ao longo dos anos mudou seu foco comercial para as áreas
da aviação comercial e executiva, passando a fabricação do IPANEMA para a
Indústria Aeronáutica Neiva, situada em Botucatu – SP, que implementou
modificações e aprimoramento no projeto com as versões EMB-201 e EMB-202,
sendo que em 2004 o modelo recebeu a certificação para uso do motor a álcool.
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1.2 - Conversão do motor
O motor escolhido para conversão de AVGAS para álcool combustível foi o
Lycoming IO-540-K1J5D, de 300 HP a 2700 RPM e hélice tri-pá Hartzell de
velocidade constante, que equipa a aeronave agrícola EMB-202 Ipanema.
O monomotor possui tanque para produtos químicos como fertilizantes e
adubo. O primeiro teste com a versão a álcool do avião foi realizado em outubro de
2002 em Botucatu (SP), utilizando o mesmo álcool dos carros. Já nessa primeira
parte, verificaram-se condições de redução em mais de dois terços do gasto com
combustível.
Ilustração 1 - Ipanema 200 - Motor lycoming IO-540-K1J5, de 320HP, a álcool, hélice tripá Hartzell de velocidade constante.
O motor Lycoming, importado dos Estados Unidos, sofreu pequenas
alterações, monitoradas por engenheiros da Lycoming e da Neiva, no sistema injetor
e foi transformado para receber etanol 96º, o álcool combustível. De acordo com
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engenheiros responsáveis pelo processo, o consumo tem um aumento entre 15% a
18%, o que não impede que o projeto seja econômico.
Segundo os dados técnicos apresentados pela indústria que homologou o
projeto, em regime de 75% da potência máxima, o consumo de álcool é de 98
litros/h (26 US Gal/h.), a uma velocidade de 222 km/h. Enquanto que se o motor for
movido a gasolina de aviação, possui consumo de 69 litros/h (18,1 US Gal/h.) com o
mesmo regime de potência, a uma velocidade de 214 km/h.
Ilustração 2 - Detalhe da aeronave caracterizada do projeto.
1.3 - Modificações na aeronave
A modificação do motor para operação com álcool combustível ocorre
basicamente com a mudança de todo sistema de combustível da aeronave. A
empresa publica, para as oficinas homologadas, boletins de serviço que
determinam, pela numeração de série das aeronaves, o kit a ser substituído, do
sistema de combustível, da partida a frio na asa e na fuselagem, do sistema de
indicação e registro, do sistema elétrico, das inscrições técnicas e do painel de
instrumento.
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Esse processo na aeronave é realizado após já modificado o motor, onde é
realizada a troca de todo o sistema de combustível do motor, incluindo as bombas
de combustível, as mangueiras, a injetora, filtros, anéis de vedação, drenos, válvulas
e cablagem.
Ilustração 3 - Sistema de distribuição de combustível em motor modificado.
Na aeronave, a modificação inicia com a drenagem dos tanques de
combustível, é feita a remoção do bordo de ataque da raiz da asa esquerda e
instalado o Sistema de Partida a Frio.
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Ilustração 4 - Detalhe da asa durante a execução da modificação da aeronave para motor a álcool.
É então realizada a modificação do Sistema de Indicação e Registro e do
sistema elétrico e retrabalhado o painel de instrumentos da aeronave, além de
instaladas as novas inscrições técnicas.
Ilustração 5 - Painel de comando em aeronave com motor modificado para combustível álcool.
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Ilustração 6 - Detalhe do painel modificado - partida a frio.
Após esse processo é então substituído o motor modificado e reinstalados
todos os componentes – tanques, liquidômetros e filtros - na ordem inversa da
desmontagem. Depois de abastecida a aeronave com combustível álcool etílico
hidratado carburante (AEHC) e o reservatório de partida a frio com gasolina de
aviação (AVGAS), cumprem-se os procedimentos de descontaminação do Sistema
Principal de Combustível. É realizada a calibração da pressão de injeção de
combustível do Sistema de Partida a Frio.
1.4 - Avaliação do motor após horas voadas
A modificação do motor do Ipanema para operação com álcool combustível
apresentou vantagens mais específicas após a utilização do mesmo durante o
período previsto para a realização da revisão geral (TBO, Time Between Overhaul):
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- O motor opera com temperatura mais baixa, favorecendo a manutenção,
principalmente em operações agrícolas;
- Devido a operação do motor com combustível verde, notou-se no primeiro TBO a
integridade das peças do motor, excelente preservação, baixa quantidade de
resíduos, o que pode no futuro, através de estudos e observações mais profundas,
sinalizar para um aumento do tempo limite de vida e tempo entre revisões gerais
desse motor, a critério do fabricante do mesmo.
As fotos abaixo demonstram essas condições.
Ilustração 7 - Foto de válvulas de admissão e exaustão retiradas de motor a álcool do Ipanema para realização de TBO.
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Ilustração 8 - Detalhe do eixo de ressalto preservado do motor a álcool do Ipanema.
Todo o processo de modificação tanto da aeronave quanto do motor sofreu
vistorias e inspeções, estudos, avaliações e acompanhamento técnico do CTA e do
órgão fiscalizador na época DAC, Departamento de Aviação Civil, hoje ANAC,
Agência Nacional de Aviação Civil.
As oficinas homologadas para a realização dessas modificações sofrem
auditorias periódicas para verificação de qualificação técnica de mecânicos e
inspetores para tais procedimentos.
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2. RESULTADOS E DISCUSSÃO
2.1 - Outros combustíveis renováveis em desenvolvimento
O mercado de aviação mundial já despertou para a necessidade do
desenvolvimento de novas tecnologias de combustível que proporcionem maior
independência em relação ao petróleo. Há muitas pesquisas sendo desenvolvidas
em vários locais do mundo, inclusive no Brasil, e algumas aeronaves têm decolado
em vôos experimentais.
No Brasil, em Fortaleza (CE), por exemplo, a empresa Tecbio (Tecnologias
Bioenergéticas) desenvolve um estudo sobre o bioquerosene para a aviação. As
amostras do biocombustível são desenvolvidas pela Tecbio e as pesquisas
envolvem um pool de empresas do ramo aeronáutico de várias partes do mundo,
como fabricantes de aeronaves, turbinas, instrumentos e distribuidoras.
Há expectativa para que ainda em 2009 seja feito um vôo experimental,
mas não estão definidos o trajeto nem qual modelo de aeronave participará. O
Engenheiro responsável pela Tecbio, Expedito Parente, é considerado o pai do
biodiesel e também do bioquerosene, pois conseguiu a primeira patente mundial
desses combustíveis na década de 80. O biocombustível chegou a ser testado no
CTA (Centro Técnico Aeroespacial) e houve o primeiro vôo teste em 1984. Foi no
dia do aviador (23 de outubro), com um avião Bandeirante (da Embraer), no trajeto
de São José dos Campos (SP) para Brasília (DF). Segundo ele há várias propostas
sobre biocombustíveis para a aviação vêm sendo testadas mundialmente, mas
afirma que a versão verde do querosene brasileiro é extremamente competitiva e
parece ser a mais sustentável.
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O bioquerosene é feito a partir de óleos vegetais especiais, sem
necessidade do uso do petróleo como a versão atual do combustível. Nesse
momento, o projeto do qual a Tecbio está à frente trabalha com o babaçu, uma
espécie de palmeira, porém pode-se utilizar óleo de mamona, o soja e até o óleo de
soja reciclado.
Em outras pesquisas com biocombustíveis para a aviação, algumas
empresas estão fazendo testes em vôo. A JAL (Japan Airlines) testou na Ásia um
tipo feito a partir de algas e plantas não comestíveis. Conforme informações da JAL,
a matéria-prima é de segunda geração e não compete com produtos naturais nem
contribui para o desmatamento. O Boeing 747-300 decolou em Tóquio e voou cerca
de uma hora e meia. Na ocasião, o presidente da JAL, Haruka Nishimatsu,
comemorou a experiência e disse que “o vôo demonstração nos deixa mais perto de
encontrar uma alternativa verde para substituir o combustível à base de petróleo”.
Segundo o piloto do teste, não houve diferença no desempenho do motor
alimentado pelo biocombustível em relação aos outros três motores com o
combustível convencional. Agora, todos os dados estão sendo analisados pela
empresa aérea japonesa e seus parceiros no projeto.
A empresa americana Continental Airlines fez um vôo demonstração usando
biocombustível feito a partir de uma combinação de componentes que incluem
derivados de alga marinha e pinhão- manso, misturados ao querosene
convencional; o desempenho da aeronave também foi satisfatório.
Alguns fatores são relevantes no desenvolvimento de combustíveis que
possam substituir o querosene convencional:
- Viabilizar a produção em larga escala.
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- Preço competitivo.
- Manter a performance operacional da aeronave, autonomia.
- Rendimento do motor precisa ser o mesmo, ou melhor.
- Adaptá-los aos modelos de aeronaves existentes, sem a necessidade de
grandes modificações.
- A fabricação ter um caráter globalizante, ou seja, é necessário que possa
ser produzido nos diferentes continentes para abastecer diferentes aeroportos.
Dos fatores citados, os três mais críticos são a produção em larga escala, o
caráter globalizante da fabricação e as modificações que deverão ser
implementadas nas aeronaves, componentes e sistemas. Em função disso seria
interessante que o desenvolvimento dos combustíveis alternativos considerasse a
possibilidade de um “mix”, uma mistura dos alternativos com o convencional, até
que chegássemos a um ponto de total conversão; o processo gradual permite o
aprofundamento e melhorias em todas as fases, desde a produção agrícola até o
aprimoramento de motores, aeronaves e componentes.
Os fabricantes de motores atualmente estão preocupados em relação ao
consumo, pois os combustíveis alternativos em testes têm apresentado um aumento
de 15% a 38% em relação aos combustíveis convencionais; alguns melhoram a
performance dos motores e da aeronave em relação a potência e velocidade, porém
a autonomia diminui, em certos casos em até 30%. Portanto, para que esse efeito
diminua é necessário que os combustíveis tenham alta energia por unidade de peso
e volume.
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Por exemplo, para se produzir 01 BTU de calor são necessários, em peso,
1,6 lb de álcool (etanol), 1 lb de querosene de aviação ou 0,36 lb de hidrogênio
líquido e em volume, 4,2 ft³ de hidrogênio líquido, 1,64 ft³ de álcool (etanol) e 1 ft³
de querosene de aviação. O melhor em peso é o hidrogênio líquido, porém é o pior
em volume e o melhor em volume é o querosene de aviação com boa relação de
peso.
Ilustração 9 - Gráfico da relação peso e volume Fonte: http://www.faa.gov/news/conferences_events/aviation_forecast_2007
2.2 – Desenvolvimento de vários setores
A utilização de combustíveis alternativos em escala mundial pode trazer o
desenvolvimento a vários setores da sociedade. A expansão das fronteiras
agrícolas, a evolução genética de produtos como a soja, o milho, o babaçu, a
mandioca, a cana de açúcar e tantos outros dos quais podemos extrair energia; a
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geração de empregos diretos e indiretos; elevação do nível social e econômico de
uma grande faixa da população que se encontra à margem do desenvolvimento e,
sobretudo, desenvolvimento no setor de preservação ambiental, implementando-se
políticas públicas, num esforço de governo e cidadãos, para uma produção
consciente, com parte dela destinada a geração de energia e outra para a
alimentação, provando-se que o binômio produzir e preservar é o futuro da
humanidade.
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3. CONCLUSÃO
O combustível move o mundo. A falta dele em nossos dias seria impensável;
seria o caos. Por isso, a evolução, o aprofundamento em estudos e pesquisas na
busca de encontrar e desenvolver combustíveis e produtos que possam substituir o
petróleo; que gerem menos poluição. São de vital importância na busca de
preservação da natureza e da espécie humana.
A pesquisa mostrou que muitos países como Brasil, Japão, Estados Unidos
da América e outros, acenam para esse caminho e há uma grande tendência de que
os biocombustíveis gerados a partir de produtos agrícolas possam ser uma solução
já a curto prazo.
O álcool utilizado no Brasil na aviação agrícola trouxe em alguns casos uma
economia de 50% nos custos de aplicação de defensivos agrícolas, provando a
viabilidade do produto. O motor e a aeronave em questão apresentaram
desempenho técnico altamente satisfatório em relação à manutenção e preservação
de componentes. O resultado é ótimo, mas é só o começo.
Há um longo caminho a se percorrer, metas precisam ser traçadas pelos
dirigentes mundiais afim de que o progresso e o desenvolvimento humano se
harmonize com a preservação do meio ambiente.
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4. GLOSSÁRIO
AVGAS – Gasolina de aviação AEHC – Álcool Etílico Hidratado Carburante TBO – Time Between Overhaul, tempo entre revisão geral BTU – British Thermal Unit , unidade inglesa de medida de calor D.A.C. – Departamento de Aviação Civil ANAC – Agência Nacional de Aviação Civil, órgão que substituiu o extinto D.A.C. C.T.A. – Centro Técnico Aeroespacial
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5. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
Neiva – Indústria Aeronáutica. Disponível em http://www.aeroneiva.com.br. Consulta realizada em 12 de abr. de 2009. Neiva – Indústria Aeronáutica. Coleção de Boletim de Serviços – Série 200 - Revisão 14, de 09/04/08. FAA –Federal Aviation Administration. Disponível em http://www.faa.gov. Consulta realizada em 14 de abr. de 2009
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