BEV eta FCEVetarako plataforma lauko tanke estandarrek konposite termoplastikoak eta termoegonkorrak erabiltzen dituzte, eskeleto-eraikuntza batekin, % 25 H2 biltegiratze gehiago ahalbidetuz. #hidrogenoa #joerak
BMWrekin egindako lankidetza batek erakutsi ondoren depositu kubiko batek zilindro txiki batzuek baino bolumen-eraginkortasun handiagoa eman zezakeela, Municheko Unibertsitate Teknikoak serieko ekoizpenerako egitura konposatu bat eta fabrikazio-prozesu eskalagarri bat garatzeko proiektu bati ekin zion. Irudiaren kreditua: TU Dresden (goian ezkerrean), Municheko Unibertsitate Teknikoa, Karbono Konpositeen Saila (LCC)
Zero isuriko (H2) hidrogenoz elikatzen diren erregai-piladun ibilgailu elektrikoek (FCEV) ingurumen-helburu zero lortzeko baliabide gehigarriak eskaintzen dituzte. H2 motorra duen erregai-piladun bidaiari-auto bat 5-7 minututan bete daiteke eta 500 km-ko autonomia du, baina gaur egun garestiagoa da ekoizpen-bolumen txikiak direla eta. Kostuak murrizteko modu bat BEV eta FCEV modeloetarako plataforma estandar bat erabiltzea da. Gaur egun hori ezinezkoa da, FCEVetan 700 bar-tan H2 gas konprimitua (CGH2) gordetzeko erabiltzen diren 4. motako depositu zilindrikoak ez baitira egokiak ibilgailu elektrikoetarako arretaz diseinatutako bateria-konpartimentuetarako. Hala ere, burko eta kubo moduko presio-ontziak sartu daitezke ontziratze-espazio lau honetan.
US5577630A patentea, Thiokol Corp.-ek 1995ean aurkeztutako eskaera "Composite Conformal Pressure Vessel"-erako (ezkerrean) eta BMW-k 2009an patentatutako presio-ontzi angeluzuzena (eskuinean).
Municheko Unibertsitate Teknikoko (TUM, Munich, Alemania) Karbono Konpositeen Sailak (LCC) bi proiektutan parte hartzen du kontzeptu hau garatzeko. Lehenengoa Polymers4Hydrogen (P4H) da, Leoben Polymer Competence Center-ek (PCCL, Leoben, Austria) zuzendua. LCC lan-paketea Elizabeth Glace kideak zuzentzen du.
Bigarren proiektua Hidrogenoaren Erakustaldi eta Garapen Ingurunea (HyDDen) da, non LCC Christian Jaeger ikertzaileak zuzentzen duen. Bi proiektuen helburua karbono-zuntzezko konpositeak erabiliz CGH2 depositu egoki bat egiteko fabrikazio-prozesuaren eskala handiko erakustaldi bat sortzea da.
Bolumen-eraginkortasun mugatua dago diametro txikiko zilindroak bateria-zelula lauetan (ezkerrean) eta altzairuzko forruz eta karbono-zuntz/epoxi konpositezko kanpoko oskolaz egindako 2. motako presio-ontzi kubikoetan (eskuinean) instalatzen direnean. Irudiaren iturria: 3. eta 6. irudiak Ruf eta Zaremba et al.-en "Numerical Design Approach for Type II Pressure Box Vessel with Internal Tension Legs" liburutik datoz.
P4H-k kubo-tanga esperimental bat fabrikatu du, karbono-zuntzez indartutako epoxiz bildutako tentsio-uhal/puntal konposatuekin eta termoplastikozko marko batekin. HyDDen-ek antzeko diseinua erabiliko du, baina zuntz-geruza automatikoa (AFP) erabiliko du termoplastikozko konpositezko tanke guztiak fabrikatzeko.
Thiokol Corp.-ek 1995ean “Composite Conformal Pressure Vessel”-era egindako patente-eskaeratik hasi eta 1997an DE19749950C2 patente alemaniarrera arte, gas konprimituko ontziek “edozein konfigurazio geometriko izan dezakete”, baina batez ere forma lauak eta irregularrak, oskolaren euskarriari lotutako barrunbe batean. Elementuak erabiltzen dira gasaren hedapen-indarra jasan dezaten.
2006ko Lawrence Livermore Laborategi Nazionaleko (LLNL) artikulu batek hiru ikuspegi deskribatzen ditu: harizpi kiribildutako presio-ontzi konformala, barneko sare ortorronbiko egitura bat (2 cm edo gutxiagoko zelula txikiak) duen mikrosare-presio-ontzi bat, horma meheko H2 ontzi batez inguratua, eta erreplikatzaile-ontzi bat, barneko egitura batez (adibidez, plastikozko eraztun hexagonalak) eta kanpoko azal mehe batez osatutakoa. Ontzi bikoiztuak egokienak dira ontzi handiagoetarako, non metodo tradizionalak aplikatzea zaila izan daitekeen.
Volkswagenek 2009an aurkeztutako DE102009057170A patenteak ibilgailuan muntatutako presio-ontzi bat deskribatzen du, pisu-eraginkortasun handia eskainiko duena eta espazioaren erabilera hobetuko duena. Depositu angeluzuzenek tentsio-konektoreak erabiltzen dituzte bi horma angeluzuzen kontrajarrien artean, eta izkinak biribilduak dira.
Goiko kontzeptuak eta beste batzuk Gleissek aipatzen ditu Gleiss et al.-ek ECCM20-n (2022ko ekainaren 26tik 30era, Lausana, Suitza) argitaratutako “Process Development for Cubic Pressure Vessels with Stretch Bars” artikuluan. Artikulu honetan, Michael Roof eta Sven Zarembak argitaratutako TUM ikerketa bat aipatzen du, zeinak aurkitu zuen albo angeluzuzenak lotzen dituzten tentsio-puntalak dituen presio-ontzi kubiko bat eraginkorragoa dela bateria lau baten espazioan sartzen diren hainbat zilindro txiki baino, % 25 biltegiratze-espazio gehiago eskainiz gutxi gorabehera.
Gleissen arabera, 4 motako zilindro txiki kopuru handia kaxa lau batean instalatzearen arazoa da "zilindroen arteko bolumena asko murrizten dela eta sistemak H2 gasaren iragazkortasun-azalera oso handia duela. Oro har, sistemak biltegiratze-ahalmen txikiagoa eskaintzen du ontzi kubikoek baino".
Hala ere, badira beste arazo batzuk deposituaren diseinu kubikoak. «Jakina, gas konprimitua dela eta, horma lauen gaineko flexio-indarrak konpentsatu behar dituzu», esan zuen Gleissek. «Horretarako, deposituaren hormekin barnetik konektatzen den egitura indartu bat behar duzu. Baina hori zaila da konpositeekin egitea».
Glacek eta bere taldeak presio-ontzian indartzeko tentsio-barrak sartzen saiatu ziren, harizpien hari-bihurketa prozesurako egokia izango zen moduan. «Hau garrantzitsua da bolumen handiko ekoizpenerako», azaldu du, «eta, gainera, ontziaren paretak hari-bihurketa eredua diseinatzeko aukera ematen digu, zuntzen orientazioa optimizatzeko eremuko karga bakoitzerako».
P4H proiekturako konpositezko tanke kubiko bat egiteko lau urrats. Irudiaren kreditua: “Presio-ontzi kubikoetarako euskarridun ekoizpen-prozesu baten garapena”, Municheko Unibertsitate Teknikoa, Polymers4Hydrogen proiektua, ECCM20, 2022ko ekaina.
Katean integratua lortzeko, taldeak kontzeptu berri bat garatu du, goian erakusten den bezala, lau urrats nagusi dituena. Mailetan beltzez ageri diren tentsio-puntalak MAI Skelett proiektutik hartutako metodoak erabiliz fabrikatutako aurrefabrikatutako marko-egitura bat dira. Proiektu honetarako, BMWk haizetako-marko "esparru" bat garatu zuen lau zuntz-indartutako pultrusio-haga erabiliz, eta ondoren plastikozko marko batean moldatu ziren.
Esperimentuzko tanke kubiko baten markoa. TUMek 3Dn inprimatutako hezurdura hexagonalak PLA harizpi indartu gabea erabiliz (goian), CF/PA6 pultrusio-hagaxkak tentsio-euskarri gisa txertatuz (erdian) eta gero harizpia euskarrien inguruan bilduz (behean). Irudiaren kreditua: Municheko Unibertsitate Teknikoa LCC.
«Ideia da depositu kubiko baten markoa egitura modular gisa eraiki dezakezula», esan zuen Glacek. «Modulu hauek moldura-tresna batean jartzen dira, tentsio-puntalak marko-moduluetan jartzen dira, eta ondoren MAI Skelett-en metodoa erabiltzen da puntalen inguruan markoaren piezekin integratzeko». ekoizpen masiboko metodoa erabiliz, eta ondorioz, biltegiratze-deposituaren oskola biltzeko mandril edo nukleo gisa erabiltzen den egitura bat sortzen da.
TUMek deposituaren markoa "kuxin" kubiko gisa diseinatu zuen, albo sendoak, izkin biribilduak eta goialdean eta behealdean hexagono-eredua duena, zeinaren bidez lokarriak sartu eta lotu daitezkeen. Euskarri horien zuloak ere 3Dn inprimatu ziren. "Gure hasierako depositu esperimentalerako, 3Dn inprimatu genituen marko hexagonalaren sekzioak azido polilaktikoa [PLA, bio-oinarritutako termoplastikoa] erabiliz, erraza eta merkea zelako", esan zuen Glacek.
Taldeak 68 poliamida 6 (PA6) haga erosi zizkion SGL Carbon-i (Meitingen, Alemania), karbono-zuntzez indartutako pultrusiozko karbono-zuntzez, lokailu gisa erabiltzeko. «Kontzeptua probatzeko, ez genuen moldeaketarik egin», dio Gleissek, «baizik eta tartekatzaileak sartu genituen 3D inprimatutako ezti-orratz nukleoko marko batean eta epoxi kola erabiliz itsatsi genituen. Horrek gero depositua biltzeko mandril bat ematen du». Adierazi duenez, haga hauek nahiko erraz bil daitezkeen arren, geroago deskribatuko diren arazo garrantzitsu batzuk daude.
«Lehenengo fasean, gure helburua diseinuaren fabrikagarritasuna frogatzea eta ekoizpen-kontzeptuko arazoak identifikatzea zen», azaldu zuen Gleissek. «Beraz, tentsio-puntalak eskeleto-egituraren kanpoko gainazaletik irteten dira, eta karbono-zuntzak nukleo horri lotzen dizkiogu harizpi hezeen hari-bilketa erabiliz. Ondoren, hirugarren urratsean, tirante bakoitzaren burua tolestu egiten dugu. Termoplastikoa da, beraz, beroa erabiltzen dugu burua birmoldatzeko, lautu eta lehen bilgarri-geruzan blokeatu dadin. Ondoren, egitura berriro biltzen dugu, bultzada-buru laua geometrikoki deposituaren barruan itxita gera dadin. Laminatua paretetan».
Harilkatzeko tarte-tapoia. TUMek plastikozko tapoiak erabiltzen ditu tentsio-hagatxoen muturretan, zuntzak korapilatzea saihesteko harizpien harilkatzean. Irudiaren kreditua: Municheko Unibertsitate Teknikoa LCC.
Glacek berretsi zuen lehen tanke hau kontzeptuaren froga bat zela. “3D inprimaketaren eta kola erabiltzea hasierako probak egiteko baino ez zen izan eta aurkitu genituen arazo batzuen ideia eman zigun. Adibidez, harilkatzean, harizpiak tentsio-haginen muturretan harrapatuta geratu ziren, zuntz-haustura, zuntz-kalte eta zuntz-kopurua murriztuz hori konpentsatzeko. Fabrikazio-laguntzaile gisa, plastikozko tapoi batzuk erabili genituen, eta lehenengo harilkatzearen aurretik poloetan jarri genituen. Gero, barneko laminatuak egin zirenean, babes-tapoi horiek kendu eta poloen muturrak birmoldatu genituen azken bilketa egin aurretik”.
Taldeak hainbat berreraikuntza-eszenatokirekin esperimentatu zuen. «Ingurura begiratzen dutenek egiten dute lan hobekien», dio Gracek. «Gainera, prototipoen fasean, soldadura-tresna aldatu bat erabili genuen beroa aplikatzeko eta tirante-biralen muturrak birmoldatzeko. Ekoizpen masiboko kontzeptu batean, tresna handiago bat izango zenuke, puntalen mutur guztiak aldi berean barne-akabera laminatu batean moldatu eta eratzeko gai dena».
Barra-buruak birmoldatu dira. TUMek kontzeptu desberdinekin esperimentatu eta soldadurak aldatu ditu konpositezko loturen muturrak lerrokatzeko, deposituaren hormako laminatuari lotzeko. Irudiaren kreditua: “Presio-ontzi kubikoetarako ekoizpen-prozesu baten garapena, tirantearekin”, Municheko Unibertsitate Teknikoa, Polymers4Hydrogen proiektua, ECCM20, 2022ko ekaina.
Horrela, laminatua lehen harilkatze-urratsaren ondoren ontzen da, zutoinak birmoldatzen dira, TUM-ak harizpien bigarren harilkatzea osatzen du, eta ondoren kanpoko deposituaren hormaren laminatua bigarren aldiz ontzen da. Kontuan izan hau 5 motako depositu-diseinua dela, hau da, ez duela plastikozko estalkirik gas-hesi gisa. Ikusi beheko Hurrengo Urratsak ataleko eztabaida.
«Lehenengo demoa zeharkako sekzioetan moztu eta lotutako eremua mapatu genuen», esan zuen Glacek. «Hurrengo plano batek erakusten du kalitate arazo batzuk genituela laminatuarekin, puntalen buruak ez baitziren lauak barneko laminatuan».
Deposituaren barneko eta kanpoko hormen laminatuzko tarteen arazoak konpontzea. Aldatutako tirante-buruak tarte bat sortzen du esperimentu-deposituaren lehen eta bigarren biren artean. Irudiaren kreditua: Municheko Unibertsitate Teknikoa LCC.
Hasierako 450 x 290 x 80 mm-ko depositu hau iazko udan amaitu zen. «Aurrerapen handiak egin ditugu ordutik, baina oraindik hutsune bat dugu barneko eta kanpoko laminatuaren artean», esan zuen Glacek. «Beraz, hutsune horiek erretxina garbi eta biskositate handiko batekin betetzen saiatu ginen. Horrek, hain zuzen ere, takoen eta laminatuaren arteko lotura hobetzen du, eta horrek tentsio mekanikoa asko handitzen du».
Taldeak deposituaren diseinua eta prozesua garatzen jarraitu zuen, nahi zen bihurketa-ereduarentzako irtenbideak barne. «Proba-deposituaren alboak ez zeuden guztiz kizkurtuta, geometria horrek bihurketa-bide bat sortzea zaila zelako», azaldu zuen Glacek. «Gure hasierako bihurketa-angelua 75° zen, baina bagenekien hainbat zirkuitu behar zirela presio-ontzi honetako karga asetzeko. Arazo honi irtenbide baten bila gabiltza oraindik, baina ez da erraza merkatuan dagoen softwarearekin. Jarraipen-proiektu bihur daiteke».
«Ekoizpen-kontzeptu honen bideragarritasuna frogatu dugu», dio Gleissek, «baina gehiago lan egin behar dugu laminatuaren arteko lotura hobetzeko eta tiranteen forma aldatzeko. «Kanpoko probak proba-makina batean. Banatzaileak laminatutik atera eta juntura horiek jasan ditzaketen karga mekanikoak probatzen dituzu».
Polymers4Hydrogen proiektuaren zati hau 2023. urtearen amaieran amaituko da, eta Gleisek garai horretarako bigarren erakustaldi-tangaren amaiera amaituta izatea espero du. Bitxia bada ere, gaur egungo diseinuek termoplastiko indartu garbiak erabiltzen dituzte markoan eta konposite termoegonkorrak deposituaren paretetan. Ikuspegi hibrido hau erabiliko al da azken erakustaldi-tangaren barruan? "Bai", esan zuen Gracek. "Polymers4Hydrogen proiektuko gure bazkideek epoxi erretxinak eta hidrogeno-hesi-propietate hobeak dituzten beste matrize-material konposatu batzuk garatzen ari dira". Lan honetan lanean ari diren bi bazkide zerrendatzen ditu: PCCL eta Tampereko Unibertsitatea (Tampere, Finlandia).
Gleissek eta bere taldeak informazioa trukatu eta ideiak eztabaidatu zituzten Jaegerrekin LCC konposatu-tanga konformaleko bigarren HyDDen proiektuari buruz.
«Ikerketa-droneetarako konpositezko presio-ontzi konformatu bat ekoiztuko dugu», dio Jaegerrek. «Hau TUMeko (LCC) Aeroespazial eta Geodesiko Sailaren eta Helikopteroen Teknologia Sailaren (HT) arteko lankidetza bat da. Proiektua 2024. urtearen amaierarako amaituko da eta une honetan presio-ontzia amaitzen ari gara. Aeroespazial eta automobilgintzako ikuspegi gehiago duen diseinua. Hasierako kontzeptu-etapa honen ondoren, hurrengo urratsa egitura-modelizazio zehatza egitea eta horma-egituraren hesi-errendimendua aurreikustea da».
«Ideia osoa erregai-pila hibrido eta bateria propultsio-sistema duen esplorazio-drone bat garatzea da», jarraitu zuen. Bateria erabiliko du potentzia handiko kargak egiten dituenean (hau da, aireratzean eta lurreratzean) eta gero erregai-pilara aldatuko da karga arineko nabigazioan. «HT taldeak ikerketa-drone bat zuen jada eta potentzia-sistema birdiseinatu zuen bateriak eta erregai-pilak erabiltzeko», esan zuen Yeagerrek. «CGH2 depositu bat ere erosi zuten transmisio hau probatzeko».
«Nire taldeari presio-tanga prototipo bat eraikitzeko ardura eman zioten, egokituko zena, baina ez tanke zilindriko batek sortuko lituzkeen ontziratze arazoengatik», azaldu du. «Tange lauago batek ez du haizearekiko erresistentzia handirik eskaintzen. Beraz, hegaldi-errendimendu hobea lortzen da». Tankearen neurriak gutxi gorabehera 830 x 350 x 173 mm dira.
AFP araudiarekin bat datorren depositu termoplastikoa. HyDDen proiekturako, TUMeko LCC taldeak hasieran Glace-k erabilitakoaren antzeko ikuspegia aztertu zuen (goian), baina gero hainbat egitura-moduluren konbinazioa erabiltzen zuen ikuspegi batera aldatu zen, eta gero gehiegi erabili ziren AFP erabiliz (behean). Irudiaren kreditua: Municheko Unibertsitate Teknikoa LCC.
«Ideia bat Elisabeth-en [Gleiss-en] ikuspegiaren antzekoa da», dio Yagerrek, «tentsio-euskarriak aplikatzea ontziaren horman, flexio-indar handiak konpentsatzeko. Hala ere, depositua egiteko bobinatze-prozesu bat erabili beharrean, AFP erabiltzen dugu. Horregatik, presio-ontziaren atal bereizi bat sortzea pentsatu genuen, non euskarriak dagoeneko integratuta dauden. Ikuspegi honek modulu integratu horietako hainbat konbinatzeko eta gero muturreko tapoi bat aplikatzeko aukera eman zidan, azken AFP bobinatzearen aurretik dena zigilatzeko».
«Kontzeptu hori amaitzen saiatzen ari gara», jarraitu zuen, «eta materialen aukeraketa probatzen ere hasten gara, oso garrantzitsua baita H2 gasaren sartzearen aurkako erresistentzia beharrezkoa bermatzeko. Horretarako, batez ere material termoplastikoak erabiltzen ditugu eta materialak nola eragingo duen iragazkortasun-portaera honetan eta AFP makinan prozesatzeko lanean ari gara. Garrantzitsua da ulertzea tratamenduak eraginik izango duen eta ondorengo prozesamendurik behar den. Jakin nahi dugu, halaber, pila desberdinek presio-ontziaren bidezko hidrogenoaren iragazkortasunean eragingo duten».
Depositua termoplastikoz egina egongo da osorik, eta zerrendak Teijin Carbon Europe GmbH-k (Wuppertal, Alemania) hornituko ditu. «Haien PPS [polifenileno sulfuroa], PEEK [polieter zetona] eta LM PAEK [urtze-puntu baxuko poliaril zetona] materialak erabiliko ditugu», esan zuen Yagerrek. «Ondoren, alderaketak egiten dira zein den onena sartzeko babeserako eta errendimendu hobea duten piezak ekoizteko». Hurrengo urtean probak, egitura- eta prozesu-modelizazioa eta lehen erakustaldiak amaitzea espero du.
Ikerketa-lana "Polymers4Hydrogen" (ID 21647053) COMET moduluan egin zen, Klima Aldaketa, Ingurumen, Energia, Mugikortasun, Berrikuntza eta Teknologia Ministerio Federalaren eta Teknologia Digital eta Ekonomia Ministerio Federalaren COMET programaren barruan. Egileek eskerrak eman nahi dizkiete Polymer Competence Center Leoben GmbH (PCCL, Austria), Montanuniversitaet Leoben (Polimeroen Ingeniaritza eta Zientzia Fakultatea, Polimero Materialen Kimika Saila, Materialen Zientzia eta Polimero Probak Saila), Tampereko Unibertsitatea (Materialen Ingeniaritza Fakultatea), Peak Technology eta Faurecia ikerketa-lan honetan lagundu duten bazkide parte-hartzaileei. COMET-Modulua Austriako gobernuak eta Estiria estatuko gobernuak finantzatzen dute.
Karga-egituretarako aurrez indartutako xaflek zuntz jarraituak dituzte – ez bakarrik beirazkoak, baita karbonozkoak eta aramidazkoak ere.
Konpositezko piezak egiteko modu asko daude. Beraz, pieza jakin baterako metodoaren aukera materialaren, piezaren diseinuaren eta azken erabileraren edo aplikazioaren araberakoa izango da. Hona hemen aukeraketa gida bat.
Shocker Composites eta R&M International-ek birziklatutako karbono-zuntz hornidura-kate bat garatzen ari dira, hilketa zero eskaintzen duena, zuntz birjina baino kostu txikiagoa duena eta, azkenean, egitura-propietateetan zuntz jarraituaren luzerara hurbiltzen direnak eskainiko dituena.
Argitaratze data: 2023ko martxoaren 15a