Los tanques estándar de plataforma plana para BEV y FCEV utilizan compuestos termoplásticos y termoestables con una estructura de esqueleto que proporciona un 25 % más de almacenamiento de H2. #hidrógeno #tendencias
Tras una colaboración con BMW que demostró que un depósito cúbico podía ofrecer una mayor eficiencia volumétrica que varios cilindros pequeños, la Universidad Técnica de Múnich emprendió un proyecto para desarrollar una estructura compuesta y un proceso de fabricación escalable para la producción en serie. Crédito de la imagen: TU Dresden (arriba a la izquierda), Universidad Técnica de Múnich, Departamento de Materiales Compuestos de Carbono (LCC).
Los vehículos eléctricos de pila de combustible (FCEV), alimentados con hidrógeno de cero emisiones (H2), ofrecen medios adicionales para alcanzar los objetivos medioambientales de cero emisiones. Un automóvil de pasajeros con pila de combustible y motor de H2 puede recargarse en 5-7 minutos y tiene una autonomía de 500 km, pero actualmente es más caro debido a los bajos volúmenes de producción. Una forma de reducir costes es utilizar una plataforma estándar para los modelos BEV y FCEV. Esto no es posible actualmente porque los depósitos cilíndricos de tipo 4 utilizados para almacenar gas H2 comprimido (CGH2) a 700 bar en los FCEV no son adecuados para los compartimentos de baterías situados bajo la carrocería, que han sido cuidadosamente diseñados para vehículos eléctricos. Sin embargo, los recipientes a presión en forma de almohadas y cubos pueden adaptarse a este espacio de embalaje plano.
Patente US5577630A para “Recipiente a presión conformable de material compuesto”, solicitud presentada por Thiokol Corp. en 1995 (izquierda) y el recipiente a presión rectangular patentado por BMW en 2009 (derecha).
El Departamento de Materiales Compuestos de Carbono (LCC) de la Universidad Técnica de Múnich (TUM, Múnich, Alemania) participa en dos proyectos para desarrollar este concepto. El primero es Polymers4Hydrogen (P4H), liderado por el Centro de Competencia en Polímeros de Leoben (PCCL, Leoben, Austria). El paquete de trabajo del LCC está dirigido por la investigadora Elizabeth Glace.
El segundo proyecto es el Entorno de Demostración y Desarrollo de Hidrógeno (HyDDen), dirigido por el investigador Christian Jaeger, del LCC. Ambos tienen como objetivo crear una demostración a gran escala del proceso de fabricación de un tanque CGH2 adecuado utilizando compuestos de fibra de carbono.
La eficiencia volumétrica es limitada cuando se instalan cilindros de pequeño diámetro en celdas de batería planas (izquierda) y recipientes a presión cúbicos de tipo 2 fabricados con revestimientos de acero y una carcasa exterior de compuesto de fibra de carbono/epoxi (derecha). Fuente de la imagen: Las figuras 3 y 6 provienen de «Numerical Design Approach for Type II Pressure Box Vessel with Internal Tension Legs» de Ruf y Zaremba et al.
P4H ha fabricado un tanque cúbico experimental que utiliza una estructura termoplástica con correas/puntales de tensión de material compuesto recubiertos de epoxi reforzado con fibra de carbono. HyDDen utilizará un diseño similar, pero empleará la disposición automática de fibras (AFP) para fabricar todos los tanques de material compuesto termoplástico.
Desde una solicitud de patente de Thiokol Corp. para “Recipiente a presión conformable compuesto” en 1995 hasta la patente alemana DE19749950C2 en 1997, los recipientes de gas comprimido “pueden tener cualquier configuración geométrica”, pero especialmente formas planas e irregulares, en una cavidad conectada al soporte de la carcasa. Se utilizan elementos para que puedan soportar la fuerza de expansión del gas.
Un artículo del Laboratorio Nacional Lawrence Livermore (LLNL) de 2006 describe tres enfoques: un recipiente a presión conformado mediante bobinado de filamentos, un recipiente a presión de microrejilla con una estructura interna de rejilla ortorrómbica (celdas pequeñas de 2 cm o menos), rodeado por un contenedor de H2 de paredes delgadas, y un contenedor replicador, que consiste en una estructura interna compuesta por pequeñas piezas pegadas (por ejemplo, anillos hexagonales de plástico) y una fina capa exterior. Los contenedores duplicados son los más adecuados para recipientes de mayor tamaño, donde los métodos tradicionales pueden ser difíciles de aplicar.
La patente DE102009057170A, presentada por Volkswagen en 2009, describe un depósito a presión montado en un vehículo que ofrece una alta eficiencia en cuanto a peso y optimiza el uso del espacio. Los depósitos rectangulares utilizan conectores de tensión entre dos paredes rectangulares opuestas y tienen las esquinas redondeadas.
Gleiss cita los conceptos anteriores y otros más en el artículo “Process Development for Cubic Pressure Vessels with Stretch Bars” de Gleiss et al. en ECCM20 (26-30 de junio de 2022, Lausana, Suiza). En este artículo, cita un estudio de la TUM publicado por Michael Roof y Sven Zaremba, que encontró que un recipiente a presión cúbico con puntales de tensión que conectan lados rectangulares es más eficiente que varios cilindros pequeños que caben en el espacio de una batería plana, proporcionando aproximadamente un 25 % más de espacio de almacenamiento.
Según Gleiss, el problema de instalar un gran número de cilindros pequeños tipo 4 en una caja plana es que “el volumen entre los cilindros se reduce considerablemente y el sistema también presenta una superficie de permeación de gas H2 muy grande. En general, el sistema ofrece menor capacidad de almacenamiento que los recipientes cúbicos”.
Sin embargo, el diseño cúbico del tanque presenta otros problemas. «Obviamente, debido al gas comprimido, es necesario contrarrestar las fuerzas de flexión en las paredes planas», explicó Gleiss. «Para ello, se requiere una estructura reforzada que se conecte internamente a las paredes del tanque. Pero esto es difícil de lograr con materiales compuestos».
Glace y su equipo intentaron incorporar barras de refuerzo tensoras en el recipiente a presión de forma que resultaran adecuadas para el proceso de bobinado de filamentos. «Esto es importante para la producción en masa», explica, «y también nos permite diseñar el patrón de bobinado de las paredes del contenedor para optimizar la orientación de las fibras para cada carga en la zona».
Cuatro pasos para fabricar un tanque cúbico compuesto de prueba para el proyecto P4H. Crédito de la imagen: “Desarrollo de un proceso de producción para recipientes a presión cúbicos con refuerzo”, Universidad Técnica de Múnich, proyecto Polymers4Hydrogen, ECCM20, junio de 2022.
Para lograr la integración en la cadena de montaje, el equipo ha desarrollado un nuevo concepto que consta de cuatro pasos principales, como se muestra arriba. Los puntales de tensión, representados en negro en los pasos, son una estructura de bastidor prefabricada elaborada mediante métodos derivados del proyecto MAI Skelett. Para este proyecto, BMW desarrolló un bastidor para el parabrisas utilizando cuatro varillas de pultrusión reforzadas con fibra, que posteriormente se moldearon para formar un marco de plástico.
Estructura de un tanque cúbico experimental. Secciones esqueléticas hexagonales impresas en 3D por la TUM con filamento PLA sin refuerzo (arriba), insertando varillas de pultrusión de CF/PA6 como tirantes de tensión (centro) y luego enrollando el filamento alrededor de los tirantes (abajo). Crédito de la imagen: Centro de Investigación de la Universidad Técnica de Múnich (LCC).
“La idea es que se puede construir el armazón de un tanque cúbico como una estructura modular”, dijo Glace. “Estos módulos se colocan en un molde, los puntales de tensión se colocan en los módulos del armazón y luego se utiliza el método de MAI Skelett alrededor de los puntales para integrarlos con las partes del armazón”. Método de producción en masa, lo que da como resultado una estructura que luego se utiliza como mandril o núcleo para envolver la carcasa compuesta del tanque de almacenamiento.
La TUM diseñó la estructura del tanque como un “cojín” cúbico con lados sólidos, esquinas redondeadas y un patrón hexagonal en la parte superior e inferior a través del cual se pueden insertar y fijar las correas. Los orificios para estos soportes también se imprimieron en 3D. “Para nuestro tanque experimental inicial, imprimimos en 3D secciones de la estructura hexagonal utilizando ácido poliláctico [PLA, un termoplástico de origen biológico] porque era fácil y económico”, dijo Glace.
El equipo adquirió 68 varillas de poliamida 6 (PA6) reforzadas con fibra de carbono pultruida de SGL Carbon (Meitingen, Alemania) para usarlas como ataduras. «Para probar el concepto, no realizamos ningún molde», explica Gleiss, «sino que simplemente insertamos espaciadores en un marco de núcleo de panal impreso en 3D y los pegamos con pegamento epoxi. Esto proporciona un mandril para enrollar el tanque». Señala que, si bien estas varillas son relativamente fáciles de enrollar, existen algunos problemas importantes que se describirán más adelante.
“En la primera etapa, nuestro objetivo era demostrar la fabricabilidad del diseño e identificar problemas en el concepto de producción”, explicó Gleiss. “Así que los puntales de tensión sobresalen de la superficie exterior de la estructura esquelética, y unimos las fibras de carbono a este núcleo mediante bobinado de filamento húmedo. Después de eso, en el tercer paso, doblamos la cabeza de cada tirante. termoplástico, así que simplemente usamos calor para remodelar la cabeza de modo que se aplane y se bloquee en la primera capa de envoltura. Luego procedemos a envolver la estructura nuevamente para que la cabeza de empuje plana quede geométricamente encerrada dentro del tanque. laminado en las paredes.
Tapa espaciadora para bobinado. La TUM utiliza tapas de plástico en los extremos de las varillas de tensión para evitar que las fibras se enreden durante el bobinado del filamento. Crédito de la imagen: LCC, Universidad Técnica de Múnich.
Glace reiteró que este primer tanque fue una prueba de concepto. “El uso de la impresión 3D y el pegamento fue solo para pruebas iniciales y nos dio una idea de algunos de los problemas que encontramos. Por ejemplo, durante el bobinado, los filamentos se enganchaban en los extremos de las varillas de tensión, lo que provocaba roturas y daños en las fibras, y reducía la cantidad de fibra necesaria para contrarrestar esto. Utilizamos algunas tapas de plástico como elementos de apoyo para la fabricación, que colocamos en los postes antes del primer paso de bobinado. Luego, cuando se fabricaron los laminados internos, retiramos estas tapas protectoras y remodelamos los extremos de los postes antes del bobinado final”.
El equipo experimentó con diversos escenarios de reconstrucción. «Quienes observan a su alrededor trabajan mejor», dice Grace. «Además, durante la fase de creación de prototipos, utilizamos una herramienta de soldadura modificada para aplicar calor y remodelar los extremos de las barras de acoplamiento. En un concepto de producción en masa, se dispondría de una herramienta más grande que podría dar forma a todos los extremos de los puntales, integrándolos en un laminado de acabado interior al mismo tiempo».
Se rediseñaron las cabezas de las barras de tracción. La TUM experimentó con diferentes conceptos y modificó las soldaduras para alinear los extremos de las traviesas compuestas y fijarlas al laminado de la pared del tanque. Crédito de la imagen: «Desarrollo de un proceso de producción para recipientes a presión cúbicos con refuerzo», Universidad Técnica de Múnich, proyecto Polymers4Hydrogen, ECCM20, junio de 2022.
Así, tras el primer bobinado, el laminado se cura; los postes se remodelan; la unidad de fabricación completa el segundo bobinado de los filamentos; y, finalmente, el laminado de la pared exterior del tanque se cura por segunda vez. Cabe destacar que se trata de un diseño de tanque tipo 5, lo que significa que no cuenta con un revestimiento plástico como barrera contra gases. Consulte la sección «Próximos pasos» a continuación.
“Dividimos la primera demo en secciones transversales y mapeamos el área conectada”, dijo Glace. “Un primer plano muestra que tuvimos algunos problemas de calidad con el laminado, ya que las cabezas de los puntales no quedaban planas sobre el laminado interior”.
Solución de problemas de separación entre el laminado de las paredes interior y exterior del tanque. La cabeza de la barra de acoplamiento modificada crea una separación entre la primera y la segunda vuelta del tanque experimental. Crédito de la imagen: LCC, Universidad Técnica de Múnich.
Este tanque inicial de 450 x 290 x 80 mm se terminó el verano pasado. «Hemos avanzado mucho desde entonces, pero aún queda un hueco entre el laminado interior y el exterior», dijo Glace. «Así que intentamos rellenar esos huecos con una resina limpia de alta viscosidad. Esto mejora la conexión entre los pernos y el laminado, lo que aumenta considerablemente la resistencia mecánica».
El equipo continuó desarrollando el diseño y el proceso del tanque, incluyendo soluciones para el patrón de bobinado deseado. «Los laterales del tanque de prueba no se curvaron completamente porque esta geometría dificultaba la creación de una trayectoria de bobinado», explicó Glace. «Nuestro ángulo de bobinado inicial era de 75°, pero sabíamos que se necesitaban varios circuitos para soportar la carga en este recipiente a presión. Seguimos buscando una solución a este problema, pero no es fácil con el software disponible actualmente en el mercado. Podría convertirse en un proyecto posterior».
«Hemos demostrado la viabilidad de este concepto de producción», afirma Gleiss, «pero necesitamos seguir trabajando para mejorar la conexión entre el laminado y rediseñar las varillas de unión. Realizamos pruebas externas en una máquina de ensayo. Se extraen los espaciadores del laminado y se comprueban las cargas mecánicas que pueden soportar esas uniones».
Esta parte del proyecto Polymers4Hydrogen se completará a finales de 2023, fecha para la cual Gleis espera haber finalizado el segundo tanque de demostración. Curiosamente, los diseños actuales emplean termoplásticos reforzados en la estructura y compuestos termoestables en las paredes del tanque. ¿Se utilizará este enfoque híbrido en el tanque de demostración final? «Sí», afirmó Grace. «Nuestros socios en el proyecto Polymers4Hydrogen están desarrollando resinas epoxi y otros materiales de matriz compuesta con mejores propiedades de barrera al hidrógeno». Mencionó a dos socios que trabajan en este proyecto: PCCL y la Universidad de Tampere (Tampere, Finlandia).
Gleiss y su equipo también intercambiaron información y discutieron ideas con Jaeger sobre el segundo proyecto HyDDen del tanque compuesto conformable de LCC.
«Fabricaremos un recipiente a presión de material compuesto conformable para drones de investigación», explica Jaeger. «Se trata de una colaboración entre los departamentos de Ingeniería Aeroespacial y Geodésica de la TUM (LCC) y el Departamento de Tecnología de Helicópteros (HT). El proyecto estará finalizado a finales de 2024 y actualmente estamos terminando el recipiente a presión, cuyo diseño se inspira en las tecnologías aeroespaciales y automotrices. Tras esta fase conceptual inicial, el siguiente paso consiste en realizar un modelado estructural detallado y predecir el comportamiento de la estructura de la pared como barrera».
“La idea principal es desarrollar un dron de exploración con un sistema de propulsión híbrido de pila de combustible y batería”, continuó. Utilizará la batería durante las cargas de alta potencia (es decir, el despegue y el aterrizaje) y luego cambiará a la pila de combustible durante el vuelo a baja carga. “El equipo de HT ya contaba con un dron de investigación y rediseñó el sistema de propulsión para usar tanto baterías como pilas de combustible”, dijo Yeager. “También adquirieron un tanque CGH2 para probar esta transmisión”.
“A mi equipo se le encargó construir un prototipo de tanque de presión que encajara, pero no por los problemas de espacio que generaría un tanque cilíndrico”, explica. “Un tanque más plano ofrece menos resistencia al viento, por lo que se obtiene un mejor rendimiento de vuelo”. Dimensiones del tanque: aprox. 830 x 350 x 173 mm.
Tanque termoplástico totalmente compatible con AFP. Para el proyecto HyDDen, el equipo LCC de la TUM exploró inicialmente un enfoque similar al utilizado por Glace (arriba), pero luego optó por una combinación de varios módulos estructurales, que posteriormente se optimizaron mediante AFP (abajo). Crédito de la imagen: LCC de la Universidad Técnica de Múnich.
«Una idea es similar al enfoque de Elisabeth [Gleiss]», dice Yager, «que consiste en aplicar refuerzos de tensión a la pared del recipiente para compensar las elevadas fuerzas de flexión. Sin embargo, en lugar de utilizar un proceso de bobinado para fabricar el tanque, utilizamos AFP. Por lo tanto, pensamos en crear una sección separada del recipiente a presión, en la que las estructuras ya están integradas. Este enfoque me permitió combinar varios de estos módulos integrados y luego aplicar una tapa final para sellar todo antes del bobinado final con AFP».
“Estamos intentando finalizar dicho concepto”, continuó, “y también comenzar a probar la selección de materiales, lo cual es muy importante para garantizar la resistencia necesaria a la penetración del gas H2. Para ello, utilizamos principalmente materiales termoplásticos y estamos estudiando cómo el material afectará este comportamiento de permeación y el procesamiento en la máquina AFP. Es importante comprender si el tratamiento tendrá algún efecto y si se requiere algún posprocesamiento. También queremos saber si las diferentes configuraciones afectarán la permeación de hidrógeno a través del recipiente a presión”.
El tanque estará fabricado íntegramente en termoplástico y las tiras serán suministradas por Teijin Carbon Europe GmbH (Wuppertal, Alemania). «Utilizaremos sus materiales PPS (polifenileno sulfuro), PEEK (poliéter cetona) y LM PAEK (poliaril cetona de bajo punto de fusión)», explicó Yager. «Se realizarán comparaciones para determinar cuál ofrece la mejor protección contra la penetración y permite obtener piezas con un rendimiento superior». Espera completar las pruebas, el modelado estructural y de procesos, y las primeras demostraciones en el transcurso del próximo año.
El trabajo de investigación se llevó a cabo dentro del módulo COMET “Polymers4Hydrogen” (ID 21647053) dentro del programa COMET del Ministerio Federal de Cambio Climático, Medio Ambiente, Energía, Movilidad, Innovación y Tecnología y el Ministerio Federal de Tecnología Digital y Economía. Los autores agradecen a los socios participantes Polymer Competence Center Leoben GmbH (PCCL, Austria), Montanuniversitaet Leoben (Facultad de Ingeniería y Ciencia de Polímeros, Departamento de Química de Materiales Poliméricos, Departamento de Ciencia de Materiales y Ensayos de Polímeros), Universidad de Tampere (Facultad de Ciencia de Materiales de Ingeniería), Peak Technology y Faurecia por su contribución a este trabajo de investigación. El módulo COMET está financiado por el gobierno de Austria y el gobierno del estado de Estiria.
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Fecha de publicación: 15 de marzo de 2023