Meio Ambiente: O Combustível de Aviação

Quando estiver em um avião, olhe a sua volta e pense em quantos passageiros

conseguiriam explicar as forças que fazem centenas

de toneladas planarem no ar.

Em alguns aeroportos, os tanques de combustível ficam no subsolo dispensando a necessidade de caminhões tanque. Os caminhões apenas carregam as bombas necessárias e os aparatos de pressão, mas não combustível.

O combustível para aviação é um tipo de combustível fóssil usado em aeronaves. Ele é geralmente de uma qualidade maior do que os outros combustíveis com menos aplicações críticas para o aquecimento ou transporte, e contém mais aditivos para reduzir o risco de congelar ou explodir em altas temperaturas, além de outras propriedades.A maioria dos combustíveis para aviação são derivados da gasolina usada em motores com velas de ignição como os motores a pistão ou Jet-A1(querosene de aviação) para motores a turbina a jato. Outros combustíveis alternativos foram usados experimentalmente mas sem nenhum efeito satisfatório.

O Avgas (Gasolina de avião em inglês) é vendido em pequenos volumes e usado em aeronaves pequenas enquanto o jet fuel (combustível de jato em inglês) é vendido em grandes volumes e operado tipicamente por aviões comerciais, militares e de grandes corporações. A Convenção Internacional da Aviação Civil, a qual entrou em operação em 1947, acabou com as taxas para os combustíveis usado em aeronaves. Austrália e Estados Unidos se opuseram mundialmente à tributação do combustível usado na aviação, mas um número de outros países expressaram interesse.

O Avgas ou gasolina de aviação é um combustível de alta octanagem usado em aeronaves e, no passado, foi usado em carros de corrida. O Avgas é usado em aeronaves com motores a pistão ou motores Wankel. Aviões a turbina podem operar com Avgas, mas tipicamente não utilizam. Geralmente, motores a turbina usam o querosene para aviação, também chamado de “Combustível de Jato” ou QAV.

O Avgas possui uma volatilidade menor do que a gasolina para automóveis e não evapora rapidamente, sendo importante para uso em altas e baixas temperaturas. As misturas que são usadas hoje foram desenvolvidas entre as décadas de 1950 e 1960, e então as taxas de alta octanagem foram ganhando a adição de Tetraetil chumbo, uma substância altamente tóxica que acabou sendo retirada dos combustíveis de carros em muitos países durante os anos 1980.

O principal componente do petróleo usado na mistura do Avgas é a alquila, que é essencialmente uma mistura de vários isoctanos (2,2,4-Trimetilpentano), e em algumas refinarias eles são usados para reforma catalítica. O Avgas está atualmente disponível em vários níveis com diferentes concentrações de chumbo. Desde que o Tetraetilchumbo começou a ser um aditivo caro, uma quantidade mínima desta substância é adicionada ao combustível para aumentar o índice de octanagem a concentrações mais baixas do que se tivesse usando todo o combustível.

O tipo de Avgas mais utilizado pelos motores a pistão é o 100LL, chamado como “100 low lead” (“100 baixo chumbo”) que contem um chumbo com menos octanagem do que o “altamente chumbado” (nome dado ao combustível entre 100 e 130 Avgas). Foi determinada a retirada deste combustível nos Estados Unidos por causa da sua toxicidade. Um combustível alternativo ainda não foi desenvolvido para este tipo de motores, restando ainda usar este combustível até a descoberta de um menos tóxico e poluente.

Como o 100LL foi um dos principais combustíveis usados na maioria das aeronaves pelo mundo por muitos anos, fez com que muitos aeroportos só utilizassem este tipo combustível, fazendo com que ainda as aeronaves, principalmente de pequeno porte, usem apenas este combustível. O 100LL é o combustível para aviação mais usado nos Estados Unidos. O limite de chumbo para este tipo de combustível é de 0.56 gramas / litro.

Algumas aeronaves utilizam a gasolina automotiva. A maior parte destas aeronaves são de motores de baixa-compressão com um certificado de originalidade para usar entre 80 / 87 Avgas e algumas aeronaves utilizam a “gasolina regular 87” (nome dado à gasolina comum usada em veículos nos Estados Unidos e Canadá). Dentre os aviões que usam este tipo de combustível estão os populares Cessna 172 e o Piper Cherokee.

Os principais consumidores do Avgas são os Estados Unidos, Canadá, Austrália, Brasil e África do Sul. Na Europa, o preço do Avgas é alto, levando um número grande de aviões passarem para a conversão do diesel, como é de costume, não é tão caro e além disso possui um numero enorme de vantagens no uso da aviação.Para saber qual identificar qual o tipo de combustível para as aeronaves, foi criado cores para demarcar o seu nível de octanagem:

Entre 80 e 87 Avgas: vermelho
Entre 100 e 130 Avgas: verde
Entre 115 e 145 Avgas: roxo
100 LL: azul

A maioria dos motores de avião usam combustível entre 80 e 87 Avgas, aproximadamente o mesmo nível de octanagem usado nos carros atuais. Conversões diretas para o combustível automobilístico são bastante comuns e são aplicadas via o processo de Certificado de Tipo Suplemental (STC).

Um dos grandes problemas atuais para a difícil utilização da gasolina comum é a sua facilidade de evaporar, causando uma “fechadura de vapor” (uma bolha em forma de uma linha), fazendo com que o combustível não chegue ao motor. Isto não é considerado um obstáculo insuperável, mas requer uma examinação do sistema de combustível que garanta um “escudo” adequado para altas temperaturas e uma manutenção suficiente da pressão nos tanques de combustível.

Esta é a principal razão para que ambos os motores específicos de aeronaves sejam submetidos a conversões certificadas de combustível. O Avgas tem uma densidade de 2,727 kg/por galão à 15 ºC ou 0.72kg/l . A sua densidade aumenta para 2,899 kg/por galão à -40 ºC. O Avgas tem uma densidade de 2,727 kg/por galão à 15 ºC ou 0.72kg/l . A sua densidade aumenta para 2,899 kg/por galão à -40 ºC. O combustível de aviação é freqüentemente distribuído de um caminhão-tanque o qual se dirige aos aviões e helicópteros. Alguns aeroportos têm bombas de combustível similares às bombas que enchem os táxis-aéreos.

O combustível de aviação é transferido para a aeronave via dois métodos: debaixo da asa ou sobre a asa. O abastecimento ocorrido debaixo da asa, é conhecido como ponto-simples, é usado para aeronaves grandes ou para combustível de jatos exclusivamente. O abastecimento ocorrido sobre da asa é usado em pequenos aviões, helicópteros e toda aeronave de motor a pistão. O abastecimento ocorrido sob a asa é similar ao abastecimento automobilístico – uma ou mais mangueiras de combustível são colocadas no avião igual a uma bomba de combustível convencional. Para este tipo de abastecimento, uma mangueira de alta pressão é atachada e o combustível é enchido até chegar a 50 PSI. Neste tipo de distribuição de combustível entre tanques é automatizada ou controlada por um painel de controle localizado no cockpit da aeronave.

Por causa do perigo de confusão dos tipos de combustível, um numero de preocupações foram tomadas para distinguir entre AvGas e Combustível de Jato além de marcar claramente todos os containers, veículos, e bombas de combustível. AvGas pode aparecer nas cores vermelho, verde ou azul e é distribuído em bocais com um diâmetro de 40 milímetros (49 milímetros nos EUA). A abertura para os tanques de combustível de aeronaves com motores a pistão não pode ser maior do que 60 milímetros de diâmetro. O Combustível de Jato necessita de um bocal chamado de “tubo J” que possui uma abertura retangular maior do que 60 milímetros de diâmetro, assim não pode se combinar com as bombas de AvGas.

De qualquer forma, alguns jatos e aeronaves com turbinas, além de alguns modelos de helicópteros, necessitam de um bocal muito pequeno, fazendo assim com que o “tubo J” requeira um bocal menor para ser instalado na aeronave.

Tetrametilchumbo

O inglês Frank Whittle patenteou em 1929 o motor a jato, e posteriormente tentava provar aos oficiais do Ministério da Aeronáutica Britânico a viabilidade técnica do avião por propulsão a jato. No início Sir Frank Whittle considerou a tentativa de empregar diesel como combustível, porém concluiu que o querosene de iluminação proporcionava um menor ponto de congelamento. A partir deste ponto, foram estabelecidos parâmetros comparativos entre a gasolina e o querosene de iluminação, sob os aspectos de desempenho e segurança nas condições de vôo das aeronaves a jato. Em elevadas altitudes, a gasolina automobilística causava problemas de funcionamento na turbina, em razão da maior volatilidade nas condições de baixa pressão.

A formação de bolhas durante o escoamento do combustível, em razão dos componentes mais voláteis encontrados na gasolina, proporcionava a redução da vida útil dos medidores e das bombas de alimentação do combustível, devido também a pobre lubrificidade do combustível. Além disso, compostos a base de chumbo (chumbo tetra-etila), que melhoram a octanagem da gasolina, causavam desgastes mecânicos e problemas de aquecimento em partes internas do motor (Maurice, 2001). Por outro lado, a queima mais limpa proporcionada por parafinas mais pesadas, obtidas em cortes de destilados médios presentes no querosene de iluminação, tornava o uso do querosene mais adequado ao abastecimento deste tipo de motor.

Além de ofertar ao mercado grandes quantidades de um corte menos volátil, com maior densidade de energia por volume, maiores quantidades de hidrogênio presentes nas parafinas e iso-parafinas de cadeias intermediárias, e também, nas cicloparafinas, o querosene contribuía também para a redução de fuligem por meio de uma queima mais limpa e aumento da vida útil da câmara de combustão dos motores, comparando-o à gasolina. Cabe ainda ressaltar que o querosene apresenta um menor ponto de congelamento e maior estabilidade térmica, propriedades essas que são essenciais aos combustíveis de aviação em elevadas altitudes de vôo.

Dessa forma, descobriu-se um mercado para a grande quantidade de querosene de iluminação disponível, em razão da gasolina ser o principal produto do refino da época, que tinha no setor automobilístico seu público cativo (Edwards, 2007).

Em 1939 na Alemanha, Hans Von Ohain projetou o primeiro motor de propulsão a jato, inicialmente com um projeto de turbina movida a hidrogênio. Entretanto, as estruturas das aeronaves levaram-no a alterar o projeto para utilizar hidrocarbonetos líquidos. Em 27 de agosto de 1939, o cientista alemão testou um modelo Heikel 178 movido a gasolina de aviação (Edwards, 2007). Esse primeiro modelo de aeronave a jato utilizava a gasolina automobilística em função de sua maior disponibilidade, porém a gasolina não atendeu plenamente às condições operacionais e de segurança, como também competia em dois mercados distintos, o da aviação e o automobilístico.

Com o conceito do uso do querosene em motores a jato, o desenvolvimento de combustíveis de aviação tornou-se mais intenso com o grande envolvimento da Força Aérea e a Marinha norte-americanas, já no período final da 2º Guerra Mundial, para produzir combustíveis de uso militar. A série histórica dos querosenes de aviação militar (JPs).

Série histórica de querosenes de aviação militar:

(adaptada de Chevron, 2006):

Nome Ano Tipo Pto congelamento (oC) Aplicação

JP-1 1944 querosene - 60 obsoleta
JP-2 1945 wide-cut (*) - 60 obsoleta
JP-3 1947 wide-cut - 60 obsoleta
JP-4 1951 wide-cut - 72 USAF
JP-5 1952 querosene - 46 USNavy
JP-6 1956 querosene - 54 (programa XB-70)
JPTS 1956 querosene - 53 alta estab. térmica
JP-7 1960 querosene - 43 USAF(**)
JP-8 1979 querosene - 47 USAF
JP8 +100 1998 querosene - 47 USAF(***)

(*) wide-cut – composição com faixa de destilação mais ampla, variando desde o corte da gasolina até ao corte do querosene (fonte: Chevron, 2006);
(**) menor volatilidade e alta estabilidade térmica;
(***) presença de aditivo que melhora a estabilidade térmica.

Segundo a Força Aérea Americana (USAF), estudos indicam que até o ano de 2020 existe uma forte possibilidade de não haver fontes alternativas ao querosene de aviação que possam suprir as necessidades de fornecimento demandadas pelo crescimento do consumo em escala mundial (Maurice, 2001). Só o mercado americano de derivados representa aproximadamente 140 bilhões de galões de gasolina e diesel consumidos por ano, onde quase 3 bilhões de galões são utilizados só pela USAF como combustível de aviação, o que representa cerca de 10% de todo o mercado de aviação americana, e com tendência de contínuo crescimento nos próximos anos (Maurice, 2001).

A USAF utiliza como referência em suas aeronaves o querosene JP-8 com composição constituída em média por 20% de aromáticos, 60% de n-parafinas e iso-parafinas e 20% de cicloparafinas (moléculas naftênicas), e ainda, aditivos para prevenção do congelamento e a promoção da dissipação de cargas eletrostáticas.

Contudo, variações para essa formulação sem perda da qualidade final do combustível, podem, particularmente, ser flexibilizadas quando moléculas policicloparafinicas ou poliaromáticas forem substituídas por similares de anel simples (Maurice, 2001).

Propriedades Fisico-Químicas do Querosene de Aviação:

Resumidamente, as principais características físico-químicas dos querosenes de aviação, particularmente para os combustíveis de aviação comercial (JetA, JetA-1 e JetB), envolvem os seguintes aspectos:

Composição e caracterização química (aromáticos, teor de enxofre, índice de acidez);
Propriedades de escoamento, como viscosidade cinemática, densidade, pressão de vapor e ponto de congelamento;
Propriedades térmicas, como conteúdo energético do combustível em relação a sua massa específica, ponto de fulgor e estabilidade térmica (formação de goma).

Cabe ressaltar, que o querosene JetA1, cujo equivalente nacional é o querosene comercial QAV-1, é muito similar ao JP-8 de uso militar, enquanto que o querosene JetB se assemelha ao querosene militar JP-4, que apresenta ponto de congelamento muito baixo, sendo próprio o seu uso em regiões muito frias como Alaska e Canadá. Isto se explica em razão dos querosenes de uso civil serem desenvolvidos e produzidos a partir das formulações provenientes dos querosenes de uso militar (Chevron, 2006). Especificações dos querosenes de uso na aviação civil

(adaptada de Chevron, 2006).
Especificação Jet A Jet A-1 Jet B
Aromáticos máx. (% vol.) 25 25 25
Enxofre máx. (% p/p) 0,30 0,30 0,40
Acidez (mg KOH/g) 0,10 0,15 0,10
Viscosidade a - 20ºC máx. (mm2/s ou cSt) 8,0 8,0 –
Densidade 15ºC (kg/m3) 775-840 775- 840 750-801
Pressão de vapor máx. (Kpa) – – 21
Pto de congelamento máx. (oC) - 40 - 47 - 51
Calor de combustão min. (MJ/Kg) 42,8 42,8 42,8
Ponto de fulgor min. (ºC) 38 38 –
Existência de gomas máx. (mg/100 ml) 7 7 –

Alternativas Fósseis ao Fornecimento de Querosene:

O estudo da USAF (Maurice, 2001) sinaliza a possibilidade de inserção de moléculas naftênicas, derivadas dos cortes mais pesados dos processos de refino, sobretudo provenientes de resíduos como carvão, que apresentam grande teor de polinucleados asfaltênicos, óleo de xisto e alcatrão, que são convertidos em compostos naftênicos de anel simples. Estas cargas podem ser co-processadas e integradas aos cortes de querosene (Gray e Tomlinson, 2003), obtidos por destilação, para que as frações adicionais de naftênicos proporcionem combustíveis de aviação com maior estabilidade térmica e conteúdo energético.

O estudo ainda aponta a possibilidade de enriquecimento da composição original com quantidades superiores a 50% em moléculas naftênicas (cicloalcanos), para agregar benefícios qualitativos ao querosene, sobretudo em relação ao aumento de densidade do produto e incremento na redução do ponto de congelamento, o que, em tese, pode proporcionar vantagens operacionais quanto ao menor volume do tanque de combustível e melhor desempenho das aeronaves em altitudes elevadas (Maurice, 2001).

Biocombustíveis Alternativos:

As possibilidades de substituição total ou parcial do querosene de aviação proveniente de destilados de petróleo compreendem não apenas o uso de frações hidrocraqueadas de resíduos asfálticos ou betuminosos, conforme já mencionados. As estratégias podem ainda envolver a alternativa de emprego de substratos líquidos provenientes de fontes renováveis. A obtenção de moléculas com características físico-químicas similares às frações representativas de querosene de aviação (ésteres metílicos ou etílicos de ácidos graxos) tem sido até aqui exaustivamente estudadas (Wardle, 2009).

A aplicação de biocombustíveis (biodiesel) no segmento de aviação tem sido uma tendência global, particularmente nesses tempos de mudanças climáticas em que os governos nacionais precisam se ajustar à uma economia de baixo carbono, para reduzir suas metas obrigatórias ou voluntárias de emissões de gases de efeito estufa (GEE) (IPCC, 2010).

Os substratos precursores dos ésteres metílicos ou etílicos, cujo tamanho de cadeia parafínica ou olefínica se assemelha aos cortes de destilados equivalentes ao querosene de aviação fóssil, compreendem frações de óleos vegetais ou de gorduras animais com cadeia linear ou ramificada que contém aproximadamente 13 a 23 carbonos (Wardle, 2009).

Os ésteres apresentam um fator 8 de redução de viscosidade em relação aos óleos precursores, o que representa viscosidades cinemáticas na faixa entre 1,9-6,0 cSt e, ainda, calores de combustão 12% inferiores em relação ao querosene de aviação mineral (Grupta, 2010). Por isso, a composição das blendas deve ser limitada em até 20% em volume de ésteres em relação ao querosene fóssil, para evitar problemas de atomização e/ou formação de goma durante a injeção do combustível na câmara de combustão, como também, não permitir perdas significativas de potência de turbina durante o vôo. Dentre as fontes de ésteres metílicos de óleos triglicéricos, as mais promissoras correspondem aos óleos vegetais de soja, canola, colza reciclada e de dendê (Grupta, 2010).

É citado em um trabalho recente (Bi et.al, 2010) um biodiesel, que em tese, apresenta alto potencial de formulação com querosene de aviação. A partir do processo de obtenção do biodiesel de óleo de milho e subsequente etapa de purificação, pela reação de complexação dos ésteres parafínicos com uréia e consequente remoção destes componentes, uma significativa redução da temperatura de congelamento é obtida com o produto obtido apresentando temperaturas de congelamento entre -45ºC a -52ºC. A razão dessa redução deve-se à presença predominante de ésteres metílicos de cadeia insaturada (linoleato e oleato) e ao valor inferior a 12% de ésteres parafínicos saturados (palmitato).

Cenário Global:

A aplicação direta de ésteres metílicos na composição de querosene de aviação tem proporcionado uma corrida por soluções sustentáveis por empresas do segmento de aviação em todo mundo. Nos últimos 4 anos uma série de iniciativas de substituição parcial ou total de querosene de aviação foram feitas em testes de campo, tanto por parte de empresas de aviação civil, quanto em aeronaves militares.

Abaixo são apresentadas as iniciativas mais relevantes no período. Nesse sentido, os esforços tecnológicos visam não apenas obter potenciais substitutos renováveis ao querosene de aviação, mas ainda, através destes, reduzir as emissões de GEE do segmento de aviação que correspondem à 2-3% das emissões globais, de acordo com o painel Intergovernamental de Mudanças Climáticas (site: IPCC).

Testes de vôo com composições biocombustíveis:

Data do teste Aeronave (%)biocombustível

Biomassa:

mai/2007 Força Aérea Argentina 50 soja
out/2007 Avião Militar Tcheco 100 n.d
fev/2008 Virgin Atlantic/ Boeing/GE 20 côco e babaçu
dez/2007 Air New Zeland/Boeing/Ross Royce 50 pinhão manso
jan/2009 Continental Airlines/Boeing/GE-CFM 50 alga e pinhão manso
jan/2009 Japan Airlines/Boeing/Pratt & Whitney 50 alga, pinhão manso e camelina
1º tri/ 2010 JetBlue/ Airbus/IAE nd nd 2010
Interjet/Airbus nd Derivados de halófitas nov/2010 T
AM 50 Pinhão manso a partir de abr/2011

Lufthansa 50 Mistura de óleos ( Nestle oil) nd: não divulgado; Mistura de óleos (pinhão manso, camelina e gordura animal) (Nestle oil) Fonte: PL 6231/2009, Biodieselbr.com e Reuters.

Cenário Brasileiro:

No início dos anos 80, o Brasil testou o uso de combustíveis renováveis em aviação, particularmente o biodiesel de coco, dendê e babaçu, formulados com querosene de aviação, em uma composição de 10% em volume. A mistura resultante denominada PROSENE foi o resultado de iniciativas de anos de pesquisa de um grupo da Universidade Federal do Ceará, coordenadas pelo cientista Expedito

Parente, que resultaram em uma parceria com o Ministério da Aeronáutica, e que ainda proporcionou a concessão da patente PI 8007957-1 (site: INPI). Exaustivos testes de motor com o combustível proporcionaram, em meados de 1984, o primeiro voo com querosene verde que se têm ciência no Brasil, envolvendo uma aeronave modelo Bandeirante EMB10, entre as cidades de São José dos Campos (SP) e Brasília (Simões, 2003). Outras iniciativas empregado etanol foram estudadas e aplicadas no desenvolvimento do avião agrícola da Embraer (Ipanema) (Ortiz, 2009).

No atual estágio as empresas brasileiras TECBIO e a PETROBRÁS tem desenvolvido projetos para implementação de querosene renovável a partir de oleaginosas (óleo de babaçu).

Uma solução biotecnológica a partir da cana-de-açúcar também tem sido implementada pela empresa americana AMYRIS, que desenvolve processos fermentativos (fermentação da sacarose) com a finalidade de obter destilados médios representativos do querosene e diesel.

Programa Nacional de Bioquerosene:

PL 6231/2009

Em resposta às tendências de substituição e mitigação de emissões provenientes de combustíveis de aviação fósseis, o governo brasileiro recentemente adotou diretrizes, a partir da PL 6231/2009 de autoria do Deputado Federal Marcelo Ortiz. A lei assim proposta estabelece os seguintes aspectos para o segmento de combustíveis renováveis de aviação:

P&D em combustíveis renováveis a partir de biomassas, do tipo bioquerosene drop-in;
Biocombustível de 2ª geração para aviação e compatível sem que haja alterações nas tecnologias estabelecidas nos motores de turbinas;
Composição de bioquerosene que não comprometa a segurança do sistema de aviação;
Dotações da CIDE estabelecidas no artigo 4º da lei 10636 de 30/12/2002;
Recursos de agências e bancos de fomento federais em condições especiais para P&D na área;
Incentivos fiscais por parte do governo federal à pesquisa, fomento, produção, comercialização e uso de bioquerosene produzido a partir de biomassas.

Outras Considerações:

A atividade de pesquisa científica e tecnológica no segmento de aviação é forçada pelas demandas de consumo de querosene em razão do crescimento do segmento de aviação em todo o mundo, e particularmente no Brasil. As possíveis fontes de substituição, fósseis ou renováveis, envolvem produtos cujas especificações devem atender os mais elevados padrões de qualidade para combustíveis de aviação. Contudo, num cenário de emissões crescentes de gases de efeito estufa e a falta de alternativas que consolidem essa substituição, o emprego de fontes renováveis tem sido explorado e testado em todo o mundo.

Nesse contexto, o governo brasileiro tem também se mobilizado para contribuir com um ambiente propício à pesquisa e à inovação de combustíveis de aviação renováveis, que sejam compatíveis com o querosene de aviação mineral, aproveitando o grande potencial que o país apresenta em biomassa e sua longa tradição em combustíveis renováveis.

A Boeing completou o primeiro voo, no mundo, utilizando o chamado diesel verde, biocombustível sustentável e amplamente empregado no transporte terrestre.

A Querosene de aviação (QAV):

O combustível querosene de aviação (QAV) é um derivado de petróleo obtido por destilação direta com faixa de temperatura de 150 a 300ºC. É constituído por hidrocarbonetos com número de átomos de carbono variando de 9 a 15, com a estrutura dos compostos orgânicos classificados como parafínicos e aromáticos.

Para que esse derivado de petróleo apresente características adequadas à geração de energia para motores de turbina a gás, diversos critérios físico-químicos são requeridos durante a sua produção, que incluem desde fluidez (escoamento), estabilidade (estocagem) até a adequada combustão para esses motores.

Tipos de QAV:

Existem dois tipos de querosene de aviação produzido e comercializado no Brasil: o de uso para aviação civil, conhecido pela sigla QAV-1, e o de uso militar, conhecido pela sigla QAV-5. A diferença básica entre esses dois tipos de combustíveis está na maior restrição com relação à presença de compostos leves de forma a garantir a segurança no manuseio e na estocagem do produto em embarcações.

No Brasil, a Agência Nacional do Petróleo, Gás Natural e Biocombustíveis (ANP) é o órgão regulador responsável pela especificação desses combustíveis.

Motor Aeronáutico:

Os motores aeronáuticos são projetados para utilizar a expansão do ar e dos gases de combustão produzidas pela queima do querosene de aviação como força motriz.

Existem três tipos de motores aeronáuticos: TURBOJET, TURBOPROP e TURBOFAN, que tem como diferença básica o tipo de acionador para geração do empuxo:

a) TURBOJET: a energia gerada pelos gases de exaustão é otimizada de forma que o empuxo seja 100% devido à saída dos gases pela parte posterior da turbina. Parte da energia gerada pelos gases é utilizada internamente para mover a turbina, o compressor entre outros equipamentos. Exemplo: aviões militares, caças entre outros.
b) TURBOPROP: 90% do empuxo é proveniente da energia mecânica fornecida pela hélice e os outros 10% do empuxo vem da descarga dos gases. “Prop” é uma abreviatura da palavra inglesa propeler, que significa hélice. Por exemplo, as aeronaves turbo-hélice.
c) TURBOFAN: as mais utilizadas atualmente na aviação comercial, com melhor rendimento e economia de combustível, onde cerca de 80% do empuxo é proveniente da energia mecânica do FAN (“hélice” visível na entrada da turbina) e cerca de 20% do empuxo vem da descarga dos gases.

Funcionamento Básico de um Motor Aeronáutico:

O motor aeronáutico tem como principais componentes o fan, o compressor, o combustor e as turbinas de alta e baixa pressão. Em linhas gerais, o funcionamento do motor aeronáutico ocorre basicamente em quatro etapas:

Partida de uma unidade auxiliar pneumática para geração de pressão para acionamento do fan. Quando rotação do fan atinge a taxa de compressão de 60% da sua capacidade, a unidade auxiliar deixa de atuar

O ar succionado da atmosfera pelo fan é comprimido para o compressor, numa relação de 80% passando externamente ao compressor e 20% do ar induzido comprimido e canalizado para câmara de combustão;
A expansão dos gases produzidos na câmara de combustão irão rotacionar a turbina de alta e baixa pressão;
Esse ar aquecido e os gases da combustão produzem a energia mecânica que é transmitida ao eixo da turbina que se encontra acoplada ao compressor;
A mistura de gases produzidos pela combustão é, então, descarregada para a atmosfera movimentando a aeronave.

Há um sistema eletrônico de gerenciamento da turbina que controla o funcionamento de todo o conjunto motor, incluindo o fluxo de combustível e o fluxo de ar no compressor. O QAV passa ainda por um trocador de calor, cuja função é a de resfriar o óleo lubrificante.

A condição de maior consumo de combustível de uma turbina ocorre durante a decolagem da aeronave, com sua redução para cerca de dois terços durante o regime de cruzeiro. Durante a descida e pouso da aeronave o consumo é menor do que no regime de cruzeiro.

No motor aeronáutico, a relação de 80%/20% refere-se à quantidade de ar que passa externamente e internamente no compressor. Durante a subida, onde o motor exige maior potência o volume de ar referente aos 20% será maior do que em cruzeiro para permitir a adequada queima do maior volume de combustível. Motor em decolagem trabalha com até 105% de empuxo da capacidade máxima de projeto, consumindo o que foi projetado em 100% de volume de combustível.

Como exemplo, uma aeronave de cerca de 80 toneladas, consome, em regime de cruzeiro, aproximadamente 1.500 kg/h de QAV.

Requisitos de Qualidade:

As exigências de qualidade do QAV para uso em turbinas aeronáuticas são:

Proporcionar máxima autonomia de voo;
Proporcionar queima limpa e completa com mínimo de formação de resíduos;
Proporcionar partidas fáceis, seguras e com facilidade de reacendimento;
Escoar em baixas temperaturas;
Ser estável química e termicamente;
Não ser corrosivo aos materiais da turbina;
Apresentar mínima tendência a solubilização de água;
Ter aspecto límpido indicando ausência de sedimentos;
Não apresentar água livre para evitar o desenvolvimento de microrganismos e formação de depósitos que possam obstruir filtros;
Oferecer segurança no manuseio e estocagem.

Principais Características de Qualidade do QAV:

As características físico-químicas essenciais para o desempenho do querosene de aviação nos motores aeronáuticos são avaliadas por meio de ensaios laboratoriais, os quais têm seus limites especificados pela Agência Nacional do Petróleo, Gás Natural e Biocombustíveis (ANP) e estão distribuídas basicamente da seguinte forma:

Escoamento a baixa Temperatura:

Essa característica é avaliada pelos ensaios de ponto de congelamento e viscosidade, que têm como objetivo garantir que o combustível seja perfeitamente bombeado e com escoamento contínuo durante o voo em altas altitudes, onde a temperatura externa alcança valores da ordem de -50ºC, e que seja disperso adequadamente na câmara de combustão.

O ponto de congelamento é menor à temperatura na qual se inicia a formação de cristais de parafinas, enquanto que a viscosidade do produto, por sua vez, é a medida da resistência do fluido ao escoamento.

Estabilidade Térmica:

Na aeronave, o querosene de aviação atua tanto como combustível quanto como fluido lubrificante, hidráulico e de arrefecimento.

Pelas trocas térmicas realizadas, a temperatura do querosene de aviação pode atingir temperaturas da ordem de 150ºC, que ao retornar ao tanque de armazenamento pode favorecer a degradação térmica do combustível armazenado, produzindo depósitos que podem afetar o fluxo de combustível, a transferência de calor nos trocadores e a combustão pela obstrução de injetores.

A análise de Estabilidade Térmica simula as condições de pressão e temperatura a que se submete o combustível na aeronave, de forma a garantir a estabilidade térmica do combustível.

Combustão:

A qualidade de combustão do QAV é avaliada pelas propriedades de poder calorífico, massa específica, ponto de fuligem e teor de aromáticos. Estas características estão ligadas aos seguintes requisitos:

Poder calorífico e massa específica: garantem que o combustível utilizado produza energia necessária para uma determinada autonomia de voo;
Ponto de fuligem e teor de aromáticos: permitem a geração de uma chama que não ocasione formação significativa de fuligem e de depósitos, preservando a vida útil da câmara de combustão.

Corrosividade e Dissolução de Elastômeros:

Essas características devem ser avaliadas no querosene de aviação para evitar que ocorram danos aos metais do sistema de abastecimento de combustível e nos elastômeros empregados na vedação nas conexões.

Para esse fim, são utilizadas as análises de corrosividade ao cobre para avaliar a presença de H2S e de enxofre elementar que possam atacar os metais, enquanto que a tendência de ataque dos elastômeros é avaliada pelo teor de enxofre mercaptídico.

Contaminantes:

Alguns compostos presentes no combustível durante seu processo de produção e distribuição podem favorecer o aumento da solubilidade da água no combustível, como por exemplo, a presença de emulsificantes. Para avaliar essa característica é realizada a analise de Índice de Separação de Água.

Segurança:

Como qualquer combustível líquido considerado como inflamável, práticas básicas de segurança devem ser adotadas para o querosene de aviação, tais como aterrar equipamentos durante bombeio do produto (evitar formação de cargas estáticas), operar em ambiente aerado (evitar concentração de vapores de combustível) e em locais com ausência de fontes de ignição (faíscas, chamas expostas, entre outros).

Uma análise de laboratório que especifica o limite de risco de inflamabilidade do combustível (teor de compostos leves) é o Ponto de fulgor, que assegura o manuseio e estocagem do produto.

Especificação ANP de QAV:

A especificação do produto é regulamentada pela Agência Nacional do Petróleo, Gás Natural e Biocombustíveis (ANP). Encontra-se transcrito abaixo as características físico-químicas que constam da Resolução ANP Nº 38, de 28.7.2011 - DOU 29.7.2011, as quais deverão ser atualizadas consultando o site www.anp.gov.br para a comercialização do produto.

Característica Unidade Limites Métodos:

ABNT NBR ASTM
Aparência.
Aspecto -
claro, límpido e isento de
água não dissolvida e material
sólido à temperatura
ambiente
Visual
Visual D4176 (Procedimento 1)
Cor (2) - Anotar 14921 D156, D6045
Partículas contaminantes, máx. (3) mg/L 1,0 - D5452

Composição:

Acidez total, máx. mg KOH/g 0,015 - D3242
Aromáticos, máx. ou % volume 25,0 14932 D1319
Aromáticos totais, máx. (4) % volume 26,5 - D6379
Enxofre total, máx. % massa 0,30 6563 D1266, D2622 14533 D4294, D5453
Enxofre mercaptídico, máx. ou, % massa 0,0030 6298 D3227
Ensaio Doctor (5) - negativo 14642 D4952

Componentes na Expedição da Refinaria Produtora:

Fração hidroprocessada % volume anotar - -
Fração severamente hidroprocessada % volume anotar - -

Volatilidade:

Destilação (7) ºC 9619 D86
P.I.E. (Ponto Inicial de Ebulição) anotar
10% vol. recuperados, máx. 205,0
50% vol. recuperados anotar
90% vol. recuperados anotar
P.F.E. (Ponto Final de Ebulição), máx. 300,0
Resíduo, máx. % volume 1,5
Perda, máx. % volume 1,5
Ponto de fulgor, mín. ºC 40,0 ou 38,0 7974 D56, D3828
Massa específica a 20ºC (8) kg/m3 771,3 - 836,6 7148 D1298 - 14065 D4052

Fluidez:

Ponto de congelamento, máx ºC - 47 7975 D2386 (9), D5972, D7153, D7154
Viscosidade a -20ºC, máx. mm2/s 8,0 10441 D445

Combustão:

Poder calorífico inferior, mín. MJ/kg 42,80 - D4529, D3338 D4809
Ponto de fuligem, mín. ou mm 25,0 11909 D1322
Ponto de fuligem, mín. e mm 19,0
Naftalenos, máx. % volume 3,00 - D1840

Corrosão:

Corrosividade ao cobre (2hrs a 100ºC), máx. 1 14359 D130

Estabilidade:

Estabilidade térmica a 260ºC (10) - D3241
queda de pressão no filtro, máx. mm Hg 25,0 - -
depósito no tubo (visual) - < 3 (não poderá ter depósito de cor anormal ou de pavão) - -

Contaminantes:

Goma atual, máx. (11) mg/100 mL 7 14525 D381
Índice de separação de água, MSEP (12) - D3948
Com dissipador de cargas estáticas, mín. - 70
Sem dissipador de cargas estáticas, mín. - 85

Condutividade:

Condutividade elétrica (13) pS/m 50 - 600 - D2624

Lubricidade:

Lubricidade, BOCLE máx. (14) mm 0,85 - D5001

Aditivos (15):

Antioxidante (16) mg/L 17,0 - 24,0 - -
Desativador de metal, máx. (17) mg/L 5,7 - -
Dissipador de cargas estáticas, máx. (18) mg/L 5,0 - -
Inibidor de formação de gelo (19) % volume 0,10 - 0,15 - -
Detector de vazamentos, máx. (20) mg/kg 1,0 - -
Melhorador da lubricidade (21) - -

Observações:

O produtor, importador, distribuidor e revendedor de querosene de aviação deverão assegurar que durante o transporte do produto não ocorrerá contaminação com biodiesel ou produtos contendo biodiesel.
A Cor deverá ser determinada na produção e, no caso de produto importado, no tanque de recebimento após a descarga.
Limite aplicável somente na produção. No caso de produto importado, a determinação deverá ser realizada no tanque de recebimento após a descarga e o resultado anotado no Certificado da Qualidade. No carregamento da aeronave será aplicado o limite estabelecido pela IATA - International Air Transport Association.
Em caso de conflito entre os resultados de Aromáticos e Aromáticos Totais prevalecerá o limite especificado para Aromáticos.
Em caso de conflito entre os resultados de enxofre mercaptídico e de ensaio Doctor, prevalecerá o limite especificado para o enxofre mercaptídico.
Deverá constar no Certificado da Qualidade emitido pelo Produtor: o percentual das frações hidroprocessada e severamente hidroprocessada de combustível na batelada, inclusive as não adições das frações mencionadas. Entende-se como fração severamente hidroprocessada aquela fração de hidrocarbonetos derivados de petróleo, submetida a uma pressão parcial de hidrogênio acima de 7.000 kPa durante a sua produção
Embora o QAV-1 esteja classificado como produto do Grupo 4 no ensaio de Destilação, deverá ser utilizada a temperatura do condensador estabelecida para o Grupo 3.
O valor da massa específica a 20ºC deverá ser sempre anotado. A massa específica a 15ºC poderá ser anotada adicionalmente para facilitar as transações comerciais internacionais. Para a temperatura de 15ºC, aplicam-se os limites de 775,0 a 840,0 kg/m3.
Em caso de conflito entre os resultados pelos diferentes métodos prevalecerá o resultado pelo método ABNT 7975/ASTM D2386.
A avaliação do depósito no tubo de aquecimento deverá ser realizada até no máximo duas horas após o término do teste. Somente tubos fornecidos pelo fabricante do equipamento, especificado para a determinação da estabilidade térmica poderão ser utilizados.
Poderá ser empregado na distribuição o método IP 540, aplicando-se o mesmo limite de especificação. A análise de consistência só se aplica à Goma Atual, quando utilizada, na produção e na distribuição, a mesma metodologia.
Limite aplicável na produção. Na distribuição deverão ser observados os procedimentos contidos na ABNT NBR 15216.
Limites exigidos no local, hora e temperatura de entrega ao comprador no caso do combustível conter aditivo dissipador de cargas estáticas.
Limite aplicado na produção. O controle da lubricidade aplica-se somente aos combustíveis que contêm mais que 95% de fração hidroprocessada, sendo que desta, no mínimo 20% foi severamente hidroprocessada. Esse controle é realizado, também, para todos os combustíveis que contêm componentes sintéticos, conforme a Defence Standard 91-91, Issue 6 (http://www.dstan.mod.uk).
O Certificado da Qualidade e o Boletim de Conformidade devem indicar os tipos e as concentrações dos aditivos utilizados. São permitidos apenas os tipos de aditivos relacionados na Tabela I deste Regulamento Técnico, qualificados e quantificados na edição mais atualizada da ASTM D1655 Standard Specification for Aviation Turbine Fuels e na Norma do Ministério da Defesa da Inglaterra denominada Defence Standard 91-91 (Defence Standard 91-91 do United Kingdom - Ministry of Defence - www.dstan.mod.uk).
Se o combustível não for hidroprocessado, a adição do antioxidante é opcional. Neste caso, a concentração do material ativo do aditivo não deverá exceder a 24,0 mg/L. Se o combustível ou componente do combustível for hidroprocessado, a adição do antioxidante é obrigatória e a concentração do material ativo do aditivo deverá estar na faixa de 17,0 a 24,0 mg/L. A adição do antioxidante deverá ser realizada logo após o hidroprocessamento e antes do produto ser enviado aos tanques de estocagem. Quando o combustível final for composto de mistura de produto hidroprocessado e não hidroprocessado, deverão ser anotados: a composição da mistura e os teores de aditivos utilizados nas frações hidroprocessada e não hidroprocessada, separadamente.
O aditivo desativador de metal poderá ser utilizado para melhorar a Estabilidade térmica do Querosene de Aviação. Neste caso, deverão ser reportados os resultados da Estabilidade térmica obtidos antes e após a adição do aditivo. A concentração máxima permitida na primeira aditivação é de 2,0 mg/L. Uma aditivação complementar posterior não poderá exceder ao limite máximo acumulativo de 5,7 mg/L.
O aditivo dissipador de cargas estáticas poderá ser utilizado para aumentar a Condutividade elétrica do Querosene de Aviação. A concentração máxima permitida na primeira aditivação é de 3,0 mg/L. Uma aditivação complementar posterior não poderá exceder a concentração máxima acumulativa especificada de 5,0 mg/L.
É opcional a adição do aditivo inibidor de formação de gelo, mediante acordo entre o revendedor e o consumidor, desde que sejam atendidos os limites especificados..
Quando necessário, o aditivo poderá ser utilizado para auxiliar na detecção de vazamentos no solo provenientes de tanques e sistemas de distribuição de querosenede aviação. Este aditivo deverá ser utilizado somente quando outros métodos de investigação forem exauridos.
A adição do aditivo melhorador da lubricidade deverá ser acordada entre revendedor e consumidor, respeitados os limites para cada tipo de aditivo.

Produção:

O QAV é produzido utilizando como processo de refino a destilação atmosférica seguido de tratamento de acabamento (cáustico regenerativo ou hidrotratamento).

Cuidados para Manutenção da Qualidade:

Para evitar possível degradação do QAV durante seu armazenamento deve-se ter os seguintes cuidados:

Evitar presença de água livre: os tanques devem ser drenados periodicamente para evitar que a presença de água livre favoreça a degradação do combustível por microrganismos;
Evitar contato do produto com componentes de cobre, zinco e suas ligas: esses metais catalisam a reação de degradação do combustível;
Adotar rotina de inspeção e limpeza nos sistemas de armazenagem do produto: verificar estado de conservação do interior dos tanques, sucção flutuante, conexões, suspiros e presença de ponto morto onde possa ocorrer acúmulo de água livre.

Aspectos de Segurança, Meio Ambiente e Saúde:

As recomendações de armazenamento, manuseio e utilização segura do QAV estão contidas na correspondente Ficha de Informação de Segurança do Produto Químico (FISPQ). Para efeito de transporte, a Agência Nacional de Transportes Terrestres (ANTT) classifica o QAV com número ONU 1863 e classe de risco 3 (líquido inflamável).

Sendo considerado como carga perigosa, o seu transporte, carga e descarga devem ser realizados por profissionais devidamente treinados para realizar tais operações. Para sua manipulação e uso deve-se adotar os seguintes cuidados:

Evite inalar névoas, vapores e produtos de combustão do QAV;
Manipule combustíveis somente em local aberto e ventilado;
Evite contato com a pele e com os olhos;
Utilize luvas de PVC em atividades que demandam contato das mãos com o produto;
Não deixe ao alcance de crianças ou de animais domésticos. Sua ingestão, mesmo em pequenas quantidades, pode ser fatal;
Não armazene em residências;
Não exponha o produto ao calor, faíscas ou chamas expostas.

Informações Adicionais:

As condições de armazenamento do produto, sistemas de bombeio e a qualidade dos filtros cesto, coalescedor-separador e monitor devem ser inspecionados periodicamente, realizando as manutenções conforme especificação do fabricante do equipamento.

Gasolina e querosene de aviação puxam alta no consumo de combustíveis

quarta-feira, 9 de abril de 2014

O Combustível de Aviação