Hidrogênio no ICE, isso é bom!
O uso de hidrogênio no motor NextFuel™ de nível 3 destaca a Wabtec como líder em combustíveis alternativos
'Primeiro fogo' em hidrogênio
Lembre-se desta data: 15 de maio de 2024.
Naquela tarde de quarta-feira, em uma instalação de testes no campus principal do Southwest Research Institute (SwRI) em San Antonio, Texas, os engenheiros de pesquisa da Wabtec conseguiram o “primeiro incêndio” (ou seja, combustão) em um motor bicombustível e diesel de hidrogênio.
Eles introduziram hidrogênio em um motor Wabtec Evolution Series Tier 3 de 4.500 cavalos de potência, que é um elemento básico das frotas de locomotivas ferroviárias em todo o mundo (vários milhares de locomotivas com motores da Série Evolution estão em serviço atualmente), e funcionou... dentro dos parâmetros esperados.
Só para ficar claro: ainda faltam anos para um motor de combustão interna a hidrogênio (H₂ ICE). Mas alcançar o “primeiro incêndio” é um importante passo inicial nessa jornada e chegar a esse ponto destaca o espírito inovador — e a abordagem prática de negócios — da Wabtec, pois é líder em um setor ferroviário já eficiente em termos de combustível em direção a um futuro com zero líquido.
Uma abordagem “diversificada”: motores com duplo combustível
O hidrogênio como fonte de combustível (não fóssil) conquistou a imaginação das ferrovias de carga e dos negócios em geral, porque queima sem carbono. Embora o elemento em si seja amplamente abundante no universo, grandes suprimentos de hidrogênio “verde” e econômico e a infraestrutura necessária para distribuí-lo não o são. É também o elemento mais leve e extremamente inflamável, apresentando desafios de design exclusivos para os projetistas de motores de locomotivas.
No entanto, apesar de todas as muitas características únicas do hidrogênio, a Wabtec acredita que a resposta para transformá-lo em um combustível produtivo com zero emissões de carbono para as frotas de locomotivas de carga existentes está em suas semelhanças com outras fontes de energia. Em outras palavras, o H₂ é um gás e a Wabtec sabe como queimar gás em um motor de combustão interna de alto desempenho. Melhor ainda, a Wabtec sabe como queimar gás natural em um motor de combustível duplo que pode facilmente voltar ao diesel conforme necessário, algo que já está fazendo em um ambiente comercial com sua locomotiva NextFuel™ para a Florida East Coast Railway.
Essa distinção é importante porque, mais uma vez, a Wabtec está inovando de forma eficiente, mostrando à indústria que não precisa reinventar a roda para acomodar uma fonte alternativa emergente de combustível. Em vez disso, a Wabtec está procurando fazer com que esse combustível alternativo, neste caso o hidrogênio, funcione de forma eficaz em uma plataforma de motor existente, construída especificamente para flexibilidade (de combustível), permitindo que os clientes se beneficiem de novos combustíveis à medida que se tornam viáveis.
“A tentação de tratar o hidrogênio e o desenvolvimento de um motor de combustão interna a hidrogênio como um desafio que exige uma abordagem radicalmente nova é poderosa, mas resistimos com sucesso por meio de um bom planejamento e uma execução ainda melhor”, diz Jim Gamble, vice-presidente de soluções de motores e energia da Wabtec. “Com nossos motores NextFuel™ de combustível duplo, a Wabtec modificou nossos populares motores a diesel existentes para a) acomodar combustíveis alternativos e b) voltar ao diesel de forma contínua e automática, conforme necessário.”
Essa abordagem de inovação garante que as necessidades dos clientes ferroviários sejam incorporadas às tecnologias de redução de emissões, especialmente suas preocupações com a infraestrutura e disponibilidade de combustíveis alternativos. Por exemplo, o sucesso da Wabtec em usar combustíveis alternativos em motores existentes com seus kits NextFuel, sejam eles GNL, biodiesel ou diesel renovável, permitem que as transportadoras alternem entre os tipos de combustível conforme a situação no solo exigir. Isso significa que quando um combustível alternativo não está disponível em um determinado território, ou a infraestrutura para entregá-lo não está pronta a qualquer momento, o diesel pode, e ainda vai, fazer o trabalho — automaticamente e tudo isso usando um motor de alto desempenho.
Isso é particularmente importante na evolução dos motores que queimam hidrogênio, onde a construção de uma infraestrutura de combustível de hidrogênio está em um estágio tão inicial quanto o desenvolvimento do próprio H₂ ICE.
“Aprendemos por experiência própria que não é uma boa ideia inovar demais em relação ao que nossos clientes ferroviários podem usar na prática”, acrescenta Gamble. “Ao fazer avanços no uso de hidrogênio como combustível em nossa plataforma funcional NextFuel, estamos garantindo que o progresso que fazemos aconteça dentro de um modelo de entrega que a indústria já adotou e pode acomodar facilmente.”
Aproximando o hidrogênio do cliente
A Wabtec vem causando sucesso no campo de trens movidos a hidrogênio desde que anunciou acordos de pesquisa em grande escala com os Laboratórios Nacionais de Oak Ridge e Argonne do Departamento de Energia. Este trabalho se concentrou em testar uma variedade de combustíveis alternativos, incluindo hidrogênio, em uma instalação de motor de locomotiva bicombustível de cilindro único Wabtec no Laboratório de Oak Ridge.
Paralelamente ao estabelecimento desse importante banco de testes, a liderança sênior da Wabtec desafiou sua equipe de soluções de motores e energia a aproximar a pesquisa de hidrogênio “do cliente” e de sua experiência diária, tornando-a menos teórica e algo que eles pudessem tocar e sentir.
O resultado foi uma nova parceria com a SwRI e um regime de hidrogênio conduzido em um motor NextFuel Evolution Series Tier 3 semelhante ao usado na Florida East Coast Railway, com modificações para uso de combustível de hidrogênio. Esse motor de combustível duplo era “natural” para o teste inicial de hidrogênio, porque também queimava um gás, ou seja, gás natural, junto com o diesel.
No entanto, deixando de lado as semelhanças, o hidrogênio não é gás natural. Para começar, o hidrogênio é muito mais leve. Na verdade, como elemento mais leve da tabela periódica, ele quer subir três andares por segundo. Seria necessário ver como isso afetaria o design do sistema de fornecimento de combustível do motor. Além disso, a energia de ignição do hidrogênio é muito baixa — muito menor que a do gás natural — e sua faixa de inflamabilidade é extremamente ampla.
A combustão importa
Dito isso, a Wabtec iniciou esse teste a partir de uma posição de força. Ela já havia modificado seu motor de nível 3 da série Evolution para queimar gás natural, fazendo alterações no motor e no hardware da locomotiva.
O objetivo da Wabtec é aproveitar e, em alguns casos, superar esses avanços, fazendo os ajustes e as maiores mudanças necessárias para encurralar e, em seguida, otimizar o hidrogênio como fonte de combustível sustentável. Por exemplo, a arquitetura atual da tubulação e do motor é suficiente para alimentar o hidrogênio, que é 6 vezes mais leve que o gás natural, da licitação até a câmara de combustão? Seria melhor injetar hidrogênio diretamente na câmara de combustão (injeção direta) do que no coletor de admissão (injeção de porta)?
Essas e centenas de outras perguntas e variáveis são, e continuarão sendo, objeto de testes extensivos na instalação de cilindro único no Laboratório Nacional de Oak Ridge e no motor NextFuel de nível 3 no SwRI.
“Uma grande vantagem”
“Estamos em um ponto de inflexão empolgante em nosso pensamento sobre o hidrogênio, no qual podemos passar da teoria para realmente testar nossas suposições em motores reais e de alto desempenho que nossos clientes conhecem bem e nos quais confiam”, conclui Gamble. “Ao ouvir nossos clientes e focar em maneiras de fornecer tecnologias de redução de emissões de forma rápida, incremental e da maneira mais perfeita possível, a Wabtec permitiu que o setor ferroviário de carga causasse um impacto significativo em suas metas de redução de carbono atualmente.”