ÁLCOOL COMBUSTÍVEL PARA AERONAVES COMBUSTÍVEIS ALTERNATIVOS E PRESERVAÇAO DO MEIO AMBIENTE

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1 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

2 SUMÁRIO LISTA DE ILUSTRAÇÕES...3 RESUMO...4 ABSTRACT INTRODUÇÃO HISTÓRIA DO ALCOOL COMBUSTÍVEL NO BRASIL CONVERSÃO DO MOTOR MODIFICAÇÕES NA AERONAVE AVALIAÇÃO DO MOTOR APÓS HORAS VOADAS RESULTADOS E DISCUSSÃO OUTROS COMBUSTÍVEIS RENOVÁVEIS EM DESENVOLVIMENTO DESENVOLVIMENTO DE VÁRIOS SETORES CONCLUSÃO GLOSSÁRIO REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS... 22

3 LISTA DE ILUSTRAÇÕES Ilustração 1 - Ipanema Motor lycoming IO-540-K1J5, de 320HP, a álcool, hélice tripá Hartzell de velocidade constante Ilustração 2 - Detalhe da aeronave caracterizada do projeto....9 Ilustração 3 - Sistema de distribuição de combustível em motor modificado 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 Ilustração 6 - Detalhe do painel modificado - partida a frio 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 Ilustração 9 - Gráfico da relação peso e volume...12

4 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.

5 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.

6 6 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

7 7 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.

8 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 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

9 9 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 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.

10 10 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.

11 11 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.

12 12 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 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):

13 13 - 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.

14 14 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.

15 15 2. RESULTADOS E DISCUSSÃO 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 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.

16 16 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 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.

17 17 - 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.

18 18 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: 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

19 19 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.

20 20 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.

21 21 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

22 22 5. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS Neiva Indústria Aeronáutica. Disponível em Consulta realizada em 12 de abr. de Neiva Indústria Aeronáutica. Coleção de Boletim de Serviços Série Revisão 14, de 09/04/08. FAA Federal Aviation Administration. Disponível em Consulta realizada em 14 de abr. de 2009