Standardni rezervoari s ravnom platformom za BEV i FCEV koriste termoplastične i termoreaktivne kompozite sa skeletnom konstrukcijom koja omogućava 25% više skladištenja H2. #vodonik #trendovi
Nakon što je saradnja sa BMW-om pokazala da kubni rezervoar može pružiti veću volumetrijsku efikasnost od više malih cilindara, Tehnički univerzitet u Minhenu započeo je projekat razvoja kompozitne strukture i skalabilnog proizvodnog procesa za serijsku proizvodnju. Izvor slike: TU Dresden (gore) lijevo), Tehnički univerzitet u Minhenu, Odsjek za karbonske kompozite (LCC)
Električna vozila na gorivne ćelije (FCEV) pogonjena vodikom s nultom emisijom (H2) pružaju dodatna sredstva za postizanje ciljeva zaštite okoliša s nultom emisijom. Putnički automobil s gorivnim ćelijama i H2 motorom može se napuniti za 5-7 minuta i ima domet od 500 km, ali je trenutno skuplji zbog malih količina proizvodnje. Jedan od načina za smanjenje troškova je korištenje standardne platforme za modele BEV i FCEV. To trenutno nije moguće jer cilindrični spremnici tipa 4 koji se koriste za skladištenje komprimiranog H2 plina (CGH2) pod pritiskom od 700 bara u FCEV vozilima nisu prikladni za odjeljke za baterije ispod karoserije koji su pažljivo dizajnirani za električna vozila. Međutim, posude pod pritiskom u obliku jastuka i kocki mogu stati u ovaj ravni prostor za pakiranje.
Patent US5577630A za „Kompozitnu konformnu posudu pod pritiskom“, prijavu podnijela kompanija Thiokol Corp. 1995. godine (lijevo) i pravougaona posuda pod pritiskom koju je patentirao BMW 2009. godine (desno).
Odsjek za karbonske kompozite (LCC) Tehničkog univerziteta u Minhenu (TUM, Minhen, Njemačka) uključen je u dva projekta za razvoj ovog koncepta. Prvi je Polymers4Hydrogen (P4H), kojim upravlja Centar za kompetencije polimera Leoben (PCCL, Leoben, Austrija). Radni paket LCC-a vodi Elizabeth Glace, stipendistica.
Drugi projekat je Demonstracija i razvojno okruženje za vodonik (HyDDen), gdje LCC vodi istraživač Christian Jaeger. Oba imaju za cilj stvaranje demonstracije proizvodnog procesa velikih razmjera za izradu odgovarajućeg rezervoara za CGH2 korištenjem kompozita od karbonskih vlakana.
Postoji ograničena volumetrijska efikasnost kada se cilindri malog promjera ugrađuju u ravne baterijske ćelije (lijevo) i kubne tlačne posude tipa 2 napravljene od čeličnih obloga i vanjske ljuske od kompozita od ugljičnih vlakana/epoksida (desno). Izvor slike: Slike 3 i 6 su iz knjige „Numerički pristup projektovanju za tlačnu kutiju tipa II s unutarnjim zateznim nogama“ autora Rufa i Zarembe i suradnika.
P4H je izradio eksperimentalni rezervoar u obliku kocke koji koristi termoplastični okvir sa kompozitnim zateznim trakama/podupiračima omotanim epoksidnom smolom ojačanom ugljičnim vlaknima. HyDDen će koristiti sličan dizajn, ali će za proizvodnju svih termoplastičnih kompozitnih rezervoara koristiti automatsko slaganje vlakana (AFP).
Od patentne prijave kompanije Thiokol Corp. za „Kompozitnu konformnu posudu pod pritiskom“ iz 1995. godine do njemačkog patenta DE19749950C2 iz 1997. godine, posude za komprimirani plin „mogu imati bilo koju geometrijsku konfiguraciju“, ali posebno ravne i nepravilne oblike, u šupljini povezanoj s nosačem ljuske. Elementi se koriste tako da mogu izdržati silu širenja plina.
Rad Nacionalne laboratorije Lawrence Livermore (LLNL) iz 2006. godine opisuje tri pristupa: konformnu tlačnu posudu namotanu od niti, mikrorešetkastu tlačnu posudu koja sadrži unutrašnju ortorombičnu rešetkastu strukturu (male ćelije od 2 cm ili manje), okruženu tankozidnim H2 spremnikom, i replikatorski spremnik, koji se sastoji od unutrašnje strukture koja se sastoji od zalijepljenih malih dijelova (npr. heksagonalnih plastičnih prstenova) i sastava tanke vanjske ljuske. Duplicirani spremnici su najprikladniji za veće spremnike gdje tradicionalne metode mogu biti teške za primjenu.
Patent DE102009057170A koji je Volkswagen podnio 2009. godine opisuje posudu pod pritiskom montiranu na vozilo koja će pružiti visoku efikasnost težine uz poboljšanje iskorištenosti prostora. Pravougaoni rezervoari koriste zatezne konektore između dva pravougaona suprotna zida, a uglovi su zaobljeni.
Gore navedene i druge koncepte Gleiss navodi u radu „Razvoj procesa za kubne posude pod pritiskom sa rastezljivim šipkama“ autora Gleiss i saradnika na ECCM20 (26-30. juni 2022., Lausanne, Švicarska). U ovom članku, ona citira TUM studiju koju su objavili Michael Roof i Sven Zaremba, a koja je otkrila da je kubna posuda pod pritiskom sa zateznim podupiračima koji spajaju pravougaone stranice efikasnija od nekoliko malih cilindara koji stanu u prostor ravne baterije, pružajući približno 25% više prostora za skladištenje.
Prema Gleissu, problem s instaliranjem velikog broja malih cilindara tipa 4 u ravno kućište je taj što je „volumen između cilindara znatno smanjen, a sistem također ima vrlo veliku površinu za propuštanje plina H2. Sveukupno, sistem pruža manji kapacitet skladištenja od kubnih tegli.“
Međutim, postoje i drugi problemi s kubnim dizajnom rezervoara. „Očigledno je da zbog komprimiranog plina morate neutralizirati sile savijanja na ravnim zidovima“, rekao je Gleiss. „Za to vam je potrebna ojačana struktura koja se interno spaja sa zidovima rezervoara. Ali to je teško učiniti s kompozitima.“
Glace i njen tim pokušali su ugraditi armaturne šipke za zatezanje u posudu pod pritiskom na način koji bi bio pogodan za proces namotavanja filamenta. „Ovo je važno za proizvodnju velikih količina“, objašnjava ona, „a također nam omogućava da dizajniramo uzorak namotavanja zidova posude kako bismo optimizirali orijentaciju vlakana za svako opterećenje u zoni.“
Četiri koraka za izradu probnog kubnog kompozitnog rezervoara za projekat P4H. Izvor slike: „Razvoj proizvodnog procesa za kubne posude pod pritiskom sa podupiračem“, Tehnički univerzitet u Minhenu, projekat Polymers4Hydrogen, ECCM20, juni 2022.
Da bi se postigla vezanost za lanac, tim je razvio novi koncept koji se sastoji od četiri glavna stepenika, kao što je prikazano gore. Zatezne podupirače, prikazane crnom bojom na stepenicama, predstavljaju prefabrikovanu okvirnu strukturu izrađenu korištenjem metoda preuzetih iz projekta MAI Skelett. Za ovaj projekat, BMW je razvio "okvir" okvira vjetrobranskog stakla koristeći četiri pultruzijske šipke ojačane vlaknima, koje su zatim oblikovane u plastični okvir.
Okvir eksperimentalnog kubnog rezervoara. Šesterokutni skeletni dijelovi 3D printani od strane TUM-a korištenjem neojačanog PLA filamenta (gore), umetanjem CF/PA6 pultruzijskih šipki kao zateznih učvršćenja (sredina), a zatim omotavanjem filamenta oko učvršćenja (dolje). Izvor slike: Tehnički univerzitet u Minhenu LCC.
„Ideja je da možete izgraditi okvir kubnog rezervoara kao modularnu strukturu“, rekao je Glace. „Ovi moduli se zatim postavljaju u alat za oblikovanje, zatezne podupirače postavljaju se u module okvira, a zatim se MAI Skelettova metoda koristi oko podupirača kako bi se integrirali s dijelovima okvira.“ Ovo je metoda masovne proizvodnje, što rezultira strukturom koja se zatim koristi kao trn ili jezgro za omotavanje kompozitne ljuske rezervoara za skladištenje.
TUM je dizajnirao okvir rezervoara kao kubični "jastuk" sa punim stranicama, zaobljenim uglovima i heksagonalnim uzorkom na vrhu i dnu kroz koji se mogu umetnuti i pričvrstiti vezice. Rupe za ove nosače su također 3D printane. "Za naš početni eksperimentalni rezervoar, 3D printali smo heksagonalne dijelove okvira koristeći polilaktičnu kiselinu [PLA, bio-termoplastika] jer je to bilo jednostavno i jeftino", rekao je Glace.
Tim je kupio 68 pultrudiranih šipki od poliamida 6 (PA6) ojačanog ugljičnim vlaknima od SGL Carbon (Meitingen, Njemačka) za upotrebu kao vezice. „Da bismo testirali koncept, nismo vršili nikakvo oblikovanje“, kaže Gleiss, „već smo jednostavno umetnuli odstojnike u 3D printani okvir sa saćastim jezgrom i zalijepili ih epoksidnim ljepilom. To zatim osigurava trn za namotavanje rezervoara.“ Ona napominje da iako se ove šipke relativno lako namotavaju, postoje neki značajni problemi koji će biti opisani kasnije.
„U prvoj fazi, naš cilj je bio demonstrirati proizvodnost dizajna i identificirati probleme u konceptu proizvodnje“, objasnio je Gleiss. „Dakle, zatezne podupirače vire iz vanjske površine skeletne strukture, a mi pričvršćujemo karbonska vlakna na ovu jezgru pomoću mokrog namotavanja filamenta. Nakon toga, u trećem koraku, savijamo glavu svake spone. termoplastika, tako da samo koristimo toplinu da preoblikujemo glavu tako da se spljošti i zaključa u prvi sloj omotavanja. Zatim nastavljamo s ponovnim omotavanjem strukture tako da je ravna potisna glava geometrijski zatvorena unutar spremnika. laminat na zidovima.“
Odstojnik za namotavanje. TUM koristi plastične kapice na krajevima zateznih šipki kako bi spriječio zapetljavanje vlakana tokom namotavanja filamenta. Zasluge za sliku: Tehnički univerzitet u Minhenu LCC.
Glace je ponovio da je ovaj prvi rezervoar bio dokaz koncepta. „Upotreba 3D štampanja i ljepila bila je samo za početno testiranje i dala nam je ideju o nekim problemima s kojima smo se susreli. Na primjer, tokom namotavanja, niti su se zaglavile za krajeve šipki za zatezanje, što je uzrokovalo lomljenje vlakana, oštećenje vlakana i smanjenje količine vlakana kako bismo to spriječili. Koristili smo nekoliko plastičnih poklopaca kao pomoć u proizvodnji koji su postavljeni na stubove prije prvog koraka namotavanja. Zatim, kada su unutrašnji laminati napravljeni, uklonili smo ove zaštitne poklopce i preoblikovali krajeve stubova prije konačnog omotavanja.“
Tim je eksperimentisao s različitim scenarijima rekonstrukcije. „Oni koji se dobro upoznaju rade najbolje“, kaže Grace. „Također, tokom faze izrade prototipa, koristili smo modificirani alat za zavarivanje kako bismo primijenili toplinu i preoblikovali krajeve spona. U konceptu masovne proizvodnje, imali biste jedan veći alat koji može istovremeno oblikovati i formirati sve krajeve podupirača u laminat za unutrašnju završnu obradu...“
Preoblikovanje glava vučnih ručki. TUM je eksperimentisao s različitim konceptima i modificirao zavare kako bi poravnao krajeve kompozitnih veza za pričvršćivanje na laminat zida rezervoara. Izvor slike: „Razvoj proizvodnog procesa za kubne posude pod pritiskom sa podupiračem“, Tehnički univerzitet u Minhenu, projekat Polymers4Hydrogen, ECCM20, juni 2022.
Dakle, laminat se stvrdnjava nakon prvog koraka namotavanja, stubovi se preoblikuju, TUM završava drugo namotavanje niti, a zatim se laminat vanjskog zida rezervoara stvrdnjava drugi put. Imajte na umu da je ovo dizajn rezervoara tipa 5, što znači da nema plastičnu oblogu kao plinsku barijeru. Pogledajte raspravu u odjeljku Sljedeći koraci ispod.
„Prvi demo snimak smo izrezali na poprečne presjeke i mapirali povezano područje“, rekao je Glace. „Krupni plan pokazuje da smo imali nekih problema s kvalitetom laminata, jer glave podupirača nisu ravno ležale na unutrašnjem laminatu.“
Rješavanje problema sa prazninama između laminata unutrašnjih i vanjskih zidova rezervoara. Modifikovana glava spone stvara prazninu između prvog i drugog zavoja eksperimentalnog rezervoara. Izvor slike: Tehnički univerzitet u Minhenu LCC.
Ovaj početni rezervoar dimenzija 450 x 290 x 80 mm završen je prošlog ljeta. „Od tada smo napravili mnogo napretka, ali i dalje imamo prazninu između unutrašnjeg i vanjskog laminata“, rekao je Glace. „Zato smo pokušali popuniti te praznine čistom, visokoviskoznom smolom. Ovo zapravo poboljšava vezu između nosača i laminata, što uveliko povećava mehaničko naprezanje.“
Tim je nastavio razvijati dizajn i proces rezervoara, uključujući rješenja za željeni uzorak namotavanja. „Strane testnog rezervoara nisu bile potpuno uvijene jer je bilo teško za ovu geometriju stvoriti putanju namotavanja“, objasnio je Glace. „Naš početni ugao namotavanja bio je 75°, ali znali smo da je potrebno više krugova da bi se zadovoljilo opterećenje u ovoj posudi pod pritiskom. Još uvijek tražimo rješenje za ovaj problem, ali to nije lako sa softverom koji je trenutno na tržištu. Možda će postati nastavak projekta.“
„Demonstrirali smo izvodljivost ovog koncepta proizvodnje“, kaže Gleiss, „ali moramo dalje raditi na poboljšanju veze između laminata i preoblikovanju spona. Vanjsko ispitivanje na ispitnoj mašini. Izvlačite odstojnike iz laminata i testirate mehanička opterećenja koja ti spojevi mogu izdržati.“
Ovaj dio projekta Polymers4Hydrogen bit će završen krajem 2023. godine, do kada se Gleis nada da će završiti i drugi demonstracijski rezervoar. Zanimljivo je da današnji dizajni koriste čiste ojačane termoplastike u okviru i termoreaktivne kompozite u zidovima rezervoara. Hoće li se ovaj hibridni pristup koristiti u konačnom demonstracijskom rezervoaru? „Da“, rekla je Grace. „Naši partneri u projektu Polymers4Hydrogen razvijaju epoksidne smole i druge kompozitne matrične materijale s boljim svojstvima vodonične barijere.“ Navodi dva partnera koji rade na ovom radu, PCCL i Univerzitet u Tampereu (Tampere, Finska).
Gleiss i njen tim su također razmijenili informacije i razgovarali o idejama s Jaegerom o drugom HyDDen projektu iz LCC konformnog kompozitnog rezervoara.
„Proizvodit ćemo konformnu kompozitnu posudu pod pritiskom za istraživačke dronove“, kaže Jaeger. „Ovo je saradnja između dva odjela, Odjela za vazduhoplovstvo i geodeziju Univerziteta u Teksasu (TUM – LCC) i Odjela za helikoptersku tehnologiju (HT). Projekat će biti završen do kraja 2024. godine, a trenutno završavamo izradu posude pod pritiskom. Dizajn je više iz vazduhoplovnog i automobilskog pristupa. Nakon ove početne faze koncepta, sljedeći korak je detaljno strukturno modeliranje i predviđanje performansi zidne konstrukcije kao barijere.“
„Cijela ideja je razviti istraživački dron s hibridnim pogonskim sistemom na gorivne ćelije i baterije“, nastavio je. Koristit će bateriju tokom velikih opterećenja (tj. polijetanja i slijetanja), a zatim će se prebaciti na gorivne ćelije tokom krstarenja s malim opterećenjem. „HT tim je već imao istraživački dron i redizajnirao je pogonski sklop kako bi koristio i baterije i gorivne ćelije“, rekao je Yeager. „Također su kupili rezervoar CGH2 za testiranje ovog mjenjača.“
„Moj tim je dobio zadatak da napravi prototip rezervoara pod pritiskom koji bi odgovarao, ali ne zbog problema s pakovanjem koje bi cilindrični rezervoar stvorio“, objašnjava on. „Plosnatiji rezervoar ne nudi toliki otpor vjetru. Tako se dobijaju bolje performanse leta.“ Dimenzije rezervoara su približno 830 x 350 x 173 mm.
Potpuno termoplastični rezervoar kompatibilan sa AFP standardom. Za HyDDen projekat, LCC tim na TUM-u je u početku istraživao sličan pristup onome koji je koristio Glace (gore), ali je zatim prešao na pristup koji koristi kombinaciju nekoliko strukturnih modula, koji su potom prekomjerno korišteni korištenjem AFP-a (dolje). Izvor slike: Tehnički univerzitet u Minhenu LCC.
„Jedna ideja je slična pristupu Elisabeth [Gleiss]“, kaže Yager, „da se na zid posude primijene zatezne podupirači kako bi se kompenzirale visoke sile savijanja. Međutim, umjesto korištenja procesa namotavanja za izradu spremnika, koristimo AFP. Stoga smo razmišljali o stvaranju zasebnog dijela posude pod pritiskom, u koji su stalci već integrirani. Ovaj pristup mi je omogućio da kombiniram nekoliko ovih integriranih modula, a zatim primijenim završni poklopac kako bih sve zatvorio prije konačnog AFP namotavanja.“
„Pokušavamo finalizirati takav koncept“, nastavio je, „a također počinjemo testirati odabir materijala, što je vrlo važno kako bismo osigurali potrebnu otpornost na prodiranje plina H2. Za to uglavnom koristimo termoplastične materijale i radimo na različitim načinima na koje će materijal utjecati na ovo ponašanje permeacije i obradu u AFP stroju. Važno je razumjeti hoće li tretman imati učinka i hoće li biti potrebna naknadna obrada. Također želimo znati hoće li različiti slojevi utjecati na permeaciju vodika kroz posudu pod pritiskom.“
Rezervoar će biti u potpunosti napravljen od termoplastike, a trake će isporučiti Teijin Carbon Europe GmbH (Wuppertal, Njemačka). „Koristićemo njihove materijale PPS [polifenilen sulfid], PEEK [polieter keton] i LM PAEK [poliaril keton niske tačke topljenja]“, rekao je Yager. „Zatim se vrše poređenja kako bi se vidjelo koji je najbolji za zaštitu od prodiranja i proizvodnju dijelova s boljim performansama.“ Nada se da će završiti testiranje, strukturno i procesno modeliranje i prve demonstracije u narednoj godini.
Istraživački rad je proveden u okviru COMET modula „Polymers4Hydrogen“ (ID 21647053) unutar COMET programa Saveznog ministarstva za klimatske promjene, okoliš, energiju, mobilnost, inovacije i tehnologiju i Saveznog ministarstva za digitalnu tehnologiju i ekonomiju. Autori zahvaljuju partnerima koji su učestvovali: Polymer Competence Center Leoben GmbH (PCCL, Austrija), Montanuniversitaet Leoben (Fakultet za polimerno inženjerstvo i nauku, Odjel za hemiju polimernih materijala, Odjel za nauku o materijalima i ispitivanje polimera), Univerzitet u Tampereu (Fakultet za inženjerske materijale), Peak Technology i Faurecia koji su doprinijeli ovom istraživačkom radu. COMET-Modul finansiraju vlada Austrije i vlada pokrajine Štajerske.
Prethodno ojačane ploče za noseće konstrukcije sadrže kontinuirana vlakna - ne samo od stakla, već i od ugljika i aramida.
Postoji mnogo načina za izradu kompozitnih dijelova. Stoga će izbor metode za određeni dio ovisiti o materijalu, dizajnu dijela i krajnjoj upotrebi ili primjeni. Ovdje je vodič za odabir.
Shocker Composites i R&M International razvijaju lanac snabdijevanja recikliranim karbonskim vlaknima koji omogućava nultu stopu klanja, niže troškove od djevičanskih vlakana i na kraju će ponuditi dužine koje se po strukturnim svojstvima približavaju kontinuiranim vlaknima.
Vrijeme objave: 15. mart 2023.