I serbatoi standard a piattaforma piatta per veicoli elettrici a batteria e a celle a combustibile utilizzano materiali compositi termoplastici e termoindurenti con una struttura scheletrica che fornisce il 25% in più di stoccaggio di H2. #idrogeno #tendenze
Dopo che una collaborazione con BMW ha dimostrato che un serbatoio cubico poteva offrire un'efficienza volumetrica maggiore rispetto a più piccoli cilindri, l'Università Tecnica di Monaco ha avviato un progetto per sviluppare una struttura composita e un processo di produzione scalabile per la produzione in serie. Crediti immagine: TU Dresden (in alto a sinistra), Università Tecnica di Monaco, Dipartimento di Compositi in Carbonio (LCC)
I veicoli elettrici a celle a combustibile (FCEV) alimentati a idrogeno a zero emissioni (H₂) offrono ulteriori strumenti per raggiungere obiettivi ambientali pari a zero. Un'autovettura a celle a combustibile con motore a H₂ può essere rifornita in 5-7 minuti e ha un'autonomia di 500 km, ma è attualmente più costosa a causa dei bassi volumi di produzione. Un modo per ridurre i costi è utilizzare una piattaforma standard per modelli BEV e FCEV. Attualmente, ciò non è possibile perché i serbatoi cilindrici di Tipo 4 utilizzati per immagazzinare gas H₂ compresso (CGH₂) a 700 bar nei veicoli FCEV non sono adatti ai vani batteria sottoscocca, progettati appositamente per i veicoli elettrici. Tuttavia, recipienti a pressione a forma di cuscino e cubo possono essere alloggiati in questo spazio piatto.
Brevetto US5577630A per “Composite Conformal Pressure Vessel”, domanda depositata da Thiokol Corp. nel 1995 (a sinistra) e il recipiente a pressione rettangolare brevettato da BMW nel 2009 (a destra).
Il Dipartimento di Compositi in Carbonio (LCC) dell'Università Tecnica di Monaco (TUM, Monaco, Germania) è coinvolto in due progetti per sviluppare questo concetto. Il primo è Polymers4Hydrogen (P4H), guidato dal Leoben Polymer Competence Center (PCCL, Leoben, Austria). Il work package LCC è guidato dalla Fellow Elizabeth Glace.
Il secondo progetto è l'Hydrogen Demonstration and Development Environment (HyDDen), dove il LCC è guidato dal ricercatore Christian Jaeger. Entrambi mirano a realizzare una dimostrazione su larga scala del processo di produzione di un serbatoio CGH2 idoneo utilizzando compositi in fibra di carbonio.
L'efficienza volumetrica è limitata quando i cilindri di piccolo diametro vengono installati in celle di batterie piatte (a sinistra) e in recipienti a pressione cubici di tipo 2 realizzati con rivestimenti in acciaio e un guscio esterno in composito di fibra di carbonio/epossidica (a destra). Fonte dell'immagine: le figure 3 e 6 sono tratte da "Numerical Design Approach for Type II Pressure Box Vessel with Internal Tension Legs" di Ruf e Zaremba et al.
P4H ha realizzato un serbatoio cubico sperimentale che utilizza un telaio termoplastico con cinghie/montanti di tensione compositi avvolti in resina epossidica rinforzata con fibra di carbonio. HyDDen utilizzerà un design simile, ma utilizzerà la laminazione automatica delle fibre (AFP) per produrre tutti i serbatoi in composito termoplastico.
Da una domanda di brevetto della Thiokol Corp. per "Composite Conformal Pressure Vessel" nel 1995 al brevetto tedesco DE19749950C2 nel 1997, i recipienti per gas compressi "possono avere qualsiasi configurazione geometrica", ma in particolare forme piatte e irregolari, in una cavità collegata al supporto del guscio. Gli elementi vengono utilizzati in modo che possano resistere alla forza di espansione del gas.
Uno studio del Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) del 2006 descrive tre approcci: un recipiente a pressione conforme a filamento avvolto, un recipiente a pressione microreticolare contenente una struttura reticolare ortorombica interna (piccole celle di 2 cm o meno), circondata da un contenitore per H2 a parete sottile, e un contenitore replicatore, costituito da una struttura interna costituita da piccole parti incollate (ad esempio, anelli esagonali di plastica) e da una composizione di sottile rivestimento esterno. I contenitori duplicati sono più adatti per contenitori più grandi, dove i metodi tradizionali possono essere difficili da applicare.
Il brevetto DE102009057170A, depositato da Volkswagen nel 2009, descrive un serbatoio a pressione montato su un veicolo che offre un'elevata efficienza in termini di peso e al contempo migliora l'utilizzo dello spazio. I serbatoi rettangolari utilizzano connettori di tensione tra due pareti opposte rettangolari e gli angoli sono arrotondati.
Questi e altri concetti sono citati da Gleiss nell'articolo "Process Development for Cubic Pressure Vessels with Stretch Bars" di Gleiss et al. all'ECCM20 (26-30 giugno 2022, Losanna, Svizzera). In questo articolo, cita uno studio TUM pubblicato da Michael Roof e Sven Zaremba, che ha scoperto che un recipiente a pressione cubico con montanti di tensione che collegano lati rettangolari è più efficiente di diversi piccoli cilindri che si adattano allo spazio di una batteria scarica, fornendo circa il 25% in più di spazio di stoccaggio.
Secondo Gleiss, il problema dell'installazione di un gran numero di piccole bombole di tipo 4 in un contenitore piatto è che "il volume tra le bombole è notevolmente ridotto e il sistema ha anche una superficie di permeazione del gas H2 molto ampia. Nel complesso, il sistema offre una capacità di stoccaggio inferiore rispetto ai contenitori cubici".
Tuttavia, la struttura cubica del serbatoio presenta altri problemi. "Ovviamente, a causa del gas compresso, è necessario contrastare le forze di flessione sulle pareti piatte", ha affermato Gleiss. "Per questo, è necessaria una struttura rinforzata che si colleghi internamente alle pareti del serbatoio. Ma questo è difficile da ottenere con i materiali compositi".
Glace e il suo team hanno cercato di integrare barre di rinforzo nel recipiente a pressione in un modo che fosse adatto al processo di avvolgimento del filamento. "Questo è importante per la produzione su larga scala", spiega, "e ci consente anche di progettare il modello di avvolgimento delle pareti del contenitore per ottimizzare l'orientamento delle fibre per ogni carico nella zona".
Quattro passaggi per realizzare un serbatoio composito cubico sperimentale per il progetto P4H. Crediti immagine: "Sviluppo di un processo di produzione per recipienti a pressione cubici con rinforzo", Università Tecnica di Monaco, progetto Polymers4Hydrogen, ECCM20, giugno 2022.
Per raggiungere la tecnologia "on-chain", il team ha sviluppato un nuovo concept composto da quattro fasi principali, come mostrato sopra. I montanti di tensione, mostrati in nero sulle fasi, sono una struttura prefabbricata realizzata con metodi derivati dal progetto MAI Skelett. Per questo progetto, BMW ha sviluppato una "struttura" per il telaio del parabrezza utilizzando quattro barre di pultrusione rinforzate con fibre, che sono state poi stampate in un telaio in plastica.
Telaio di un serbatoio cubico sperimentale. Sezioni scheletriche esagonali stampate in 3D da TUM utilizzando filamento PLA non rinforzato (in alto), inserendo barre di pultrusione CF/PA6 come rinforzi di tensione (al centro) e avvolgendo il filamento attorno ai rinforzi (in basso). Crediti immagine: Università Tecnica di Monaco LCC.
"L'idea è che si possa costruire il telaio di un serbatoio cubico come una struttura modulare", ha detto Glace. "Questi moduli vengono poi inseriti in uno stampo, i montanti di tensione vengono inseriti nei moduli del telaio e poi il metodo di MAI Skelett viene utilizzato attorno ai montanti per integrarli con le parti del telaio." metodo di produzione in serie, dando vita a una struttura che viene poi utilizzata come mandrino o nucleo per avvolgere il guscio composito del serbatoio di stoccaggio.
TUM ha progettato il telaio del serbatoio come un "cuscino" cubico con lati solidi, angoli arrotondati e un motivo esagonale sulla parte superiore e inferiore attraverso cui è possibile inserire e fissare i tiranti. Anche i fori per questi supporti sono stati stampati in 3D. "Per il nostro serbatoio sperimentale iniziale, abbiamo stampato in 3D sezioni di telaio esagonali utilizzando acido polilattico [PLA, un termoplastico di origine biologica] perché era facile ed economico", ha affermato Glace.
Il team ha acquistato 68 barre pultruse in poliammide 6 (PA6) rinforzata con fibra di carbonio da SGL Carbon (Meitingen, Germania) da utilizzare come tiranti. "Per testare il concetto, non abbiamo effettuato alcuno stampaggio", afferma Gleiss, "ma abbiamo semplicemente inserito dei distanziali in un telaio a nido d'ape stampato in 3D e li abbiamo incollati con colla epossidica. Questo ha poi fornito un mandrino per avvolgere il serbatoio". Osserva che, sebbene queste barre siano relativamente facili da avvolgere, presentano alcuni problemi significativi che verranno descritti in seguito.
"Nella prima fase, il nostro obiettivo era dimostrare la producibilità del progetto e identificare i problemi nel concetto di produzione", ha spiegato Gleiss. "Quindi i tiranti sporgono dalla superficie esterna della struttura scheletrica e fissiamo le fibre di carbonio a questo nucleo utilizzando l'avvolgimento di filamenti a umido. Successivamente, nella terza fase, pieghiamo la testa di ogni tirante. termoplastico, quindi usiamo solo il calore per rimodellare la testa in modo che si appiattisca e si blocchi nel primo strato di avvolgimento. Quindi procediamo ad avvolgere nuovamente la struttura in modo che la testa di spinta piatta sia geometricamente racchiusa all'interno del serbatoio. laminato sulle pareti.
Tappo distanziatore per l'avvolgimento. TUM utilizza tappi di plastica alle estremità dei tiranti per evitare che le fibre si aggroviglino durante l'avvolgimento del filamento. Credito immagine: Università Tecnica di Monaco LCC.
Glace ha ribadito che questo primo carro armato era una prova di fattibilità. "L'uso della stampa 3D e della colla è stato solo per i test iniziali e ci ha dato un'idea di alcuni dei problemi che abbiamo riscontrato. Ad esempio, durante l'avvolgimento, i filamenti rimanevano incastrati nelle estremità dei tiranti, causando la rottura e il danneggiamento delle fibre e riducendone la quantità per contrastare questo problema. Abbiamo utilizzato alcuni tappi di plastica come ausili di produzione, che sono stati posizionati sui poli prima della prima fase di avvolgimento. Poi, quando sono stati realizzati i laminati interni, abbiamo rimosso questi tappi protettivi e rimodellato le estremità dei poli prima dell'avvolgimento finale."
Il team ha sperimentato diversi scenari di ricostruzione. "Chi si guarda intorno è quello che funziona meglio", afferma Grace. "Inoltre, durante la fase di prototipazione, abbiamo utilizzato uno strumento di saldatura modificato per applicare calore e rimodellare le estremità dei tiranti. In un progetto di produzione di massa, si avrebbe a disposizione un unico strumento più grande in grado di modellare e dare forma a tutte le estremità dei montanti, trasformandole in un laminato di finitura interna contemporaneamente..."
Rimodellazione delle teste dei timoni. TUM ha sperimentato diversi concetti e modificato le saldature per allineare le estremità dei tiranti compositi per il fissaggio al laminato della parete del serbatoio. Crediti immagine: "Sviluppo di un processo di produzione per recipienti a pressione cubici con rinforzo", Università Tecnica di Monaco, progetto Polymers4Hydrogen, ECCM20, giugno 2022.
Pertanto, il laminato viene polimerizzato dopo la prima fase di avvolgimento, i montanti vengono rimodellati, il TUM completa il secondo avvolgimento dei filamenti e quindi il laminato della parete esterna del serbatoio viene polimerizzato una seconda volta. Si noti che si tratta di un serbatoio di tipo 5, il che significa che non è dotato di rivestimento in plastica come barriera ai gas. Si veda la discussione nella sezione "Passaggi successivi" di seguito.
"Abbiamo tagliato la prima demo in sezioni trasversali e mappato l'area di collegamento", ha detto Glace. "Un primo piano mostra che avevamo alcuni problemi di qualità con il laminato, con le teste dei montanti che non adagiavano perfettamente sul laminato interno."
Risoluzione dei problemi di intercapedine tra il laminato delle pareti interne ed esterne del serbatoio. La testa del tirante modificata crea un'intercapedine tra la prima e la seconda spira del serbatoio sperimentale. Crediti immagine: Università Tecnica di Monaco LCC.
Questo serbatoio iniziale da 450 x 290 x 80 mm è stato completato la scorsa estate. "Da allora abbiamo fatto molti progressi, ma c'è ancora uno spazio vuoto tra il laminato interno ed esterno", ha detto Glace. "Quindi abbiamo cercato di colmare questi spazi vuoti con una resina pulita e ad alta viscosità. Questo migliora effettivamente la connessione tra i montanti e il laminato, aumentando notevolmente lo stress meccanico".
Il team ha continuato a sviluppare il design e il processo del serbatoio, comprese le soluzioni per il modello di avvolgimento desiderato. "I lati del serbatoio di prova non erano completamente arricciati perché era difficile per questa geometria creare un percorso di avvolgimento", ha spiegato Glace. "Il nostro angolo di avvolgimento iniziale era di 75°, ma sapevamo che erano necessari più circuiti per soddisfare il carico in questo recipiente a pressione. Stiamo ancora cercando una soluzione a questo problema, ma non è facile con il software attualmente sul mercato. Potrebbe diventare un progetto di follow-up.
"Abbiamo dimostrato la fattibilità di questo concetto di produzione", afferma Gleiss, "ma dobbiamo lavorare ulteriormente per migliorare la connessione tra il laminato e rimodellare i tiranti. "Test esterni su una macchina di prova. Si estraggono i distanziali dal laminato e si testano i carichi meccanici che quei giunti possono sopportare."
Questa parte del progetto Polymers4Hydrogen sarà completata alla fine del 2023, data entro la quale Gleis spera di ultimare il secondo serbatoio dimostrativo. È interessante notare che oggi i progetti utilizzano termoplastiche rinforzate per il telaio e compositi termoindurenti per le pareti del serbatoio. Questo approccio ibrido verrà utilizzato nel serbatoio dimostrativo finale? "Sì", ha risposto Grace. "I nostri partner del progetto Polymers4Hydrogen stanno sviluppando resine epossidiche e altri materiali compositi a matrice con migliori proprietà di barriera all'idrogeno". Elenca due partner che lavorano a questo lavoro: PCCL e l'Università di Tampere (Tampere, Finlandia).
Gleiss e il suo team hanno anche scambiato informazioni e discusso idee con Jaeger sul secondo progetto HyDDen del serbatoio composito conforme LCC.
"Produrremo un recipiente a pressione in composito conformato per droni da ricerca", afferma Jaeger. "Si tratta di una collaborazione tra i due dipartimenti del Dipartimento Aerospaziale e Geodetico della TUM – LCC e il Dipartimento di Tecnologia Elicotteri (HT). Il progetto sarà completato entro la fine del 2024 e stiamo attualmente completando il recipiente a pressione. Un progetto che si avvicina maggiormente al mondo aerospaziale e automobilistico. Dopo questa fase concettuale iniziale, il passo successivo sarà eseguire una modellazione strutturale dettagliata e prevedere le prestazioni di barriera della struttura muraria".
"L'idea è quella di sviluppare un drone esplorativo con un sistema di propulsione ibrido a celle a combustibile e batteria", ha continuato. Utilizzerà la batteria durante i carichi ad alta potenza (ad esempio, decollo e atterraggio) e poi passerà alle celle a combustibile durante la crociera a basso carico. "Il team HT aveva già un drone di ricerca e ha riprogettato il gruppo propulsore per utilizzare sia batterie che celle a combustibile", ha detto Yeager. "Hanno anche acquistato un serbatoio CGH2 per testare questa trasmissione".
"Il mio team è stato incaricato di costruire un prototipo di serbatoio a pressione che si adattasse, ma non a causa dei problemi di imballaggio che un serbatoio cilindrico avrebbe creato", spiega. "Un serbatoio più piatto offre meno resistenza al vento. Quindi si ottengono migliori prestazioni di volo". Dimensioni del serbatoio: circa 830 x 350 x 173 mm.
Serbatoio completamente termoplastico conforme allo standard AFP. Per il progetto HyDDen, il team LCC del TUM ha inizialmente esplorato un approccio simile a quello utilizzato da Glace (sopra), per poi passare a un approccio che prevedeva una combinazione di diversi moduli strutturali, poi ampiamente utilizzati con l'AFP (sotto). Crediti immagine: Università Tecnica di Monaco LCC.
"Un'idea è simile all'approccio di Elisabeth [Gleiss]", afferma Yager, "per applicare rinforzi di tensione alla parete del recipiente per compensare le elevate forze di flessione. Tuttavia, invece di utilizzare un processo di avvolgimento per realizzare il serbatoio, utilizziamo l'AFP. Pertanto, abbiamo pensato di creare una sezione separata del recipiente a pressione, in cui i rack sono già integrati. Questo approccio mi ha permesso di combinare diversi di questi moduli integrati e quindi applicare un tappo terminale per sigillare il tutto prima dell'avvolgimento AFP finale".
"Stiamo cercando di finalizzare questo concetto", ha continuato, "e anche di iniziare a testare la selezione dei materiali, che è molto importante per garantire la necessaria resistenza alla penetrazione del gas H2. Per questo, utilizziamo principalmente materiali termoplastici e stiamo studiando come il materiale influenzerà il comportamento di permeazione e la lavorazione nella macchina AFP. È importante capire se il trattamento avrà effetto e se sarà necessaria una post-lavorazione. Vogliamo anche sapere se diverse pile influenzeranno la permeazione dell'idrogeno attraverso il recipiente a pressione".
Il serbatoio sarà interamente realizzato in materiale termoplastico e le strisce saranno fornite da Teijin Carbon Europe GmbH (Wuppertal, Germania). "Utilizzeremo i loro materiali PPS [polifenilensolfuro], PEEK [polietere chetone] e LM PAEK [poliaril chetone bassofondente]", ha affermato Yager. "Verranno poi effettuati confronti per vedere quale sia il migliore in termini di protezione dalla penetrazione e per produrre componenti con prestazioni migliori". Spera di completare i test, la modellazione strutturale e di processo e le prime dimostrazioni entro il prossimo anno.
Il lavoro di ricerca è stato svolto nell'ambito del modulo COMET "Polymers4Hydrogen" (ID 21647053) nell'ambito del programma COMET del Ministero Federale per i Cambiamenti Climatici, l'Ambiente, l'Energia, la Mobilità, l'Innovazione e la Tecnologia e del Ministero Federale per la Tecnologia Digitale e l'Economia. Gli autori ringraziano i partner partecipanti: Polymer Competence Center Leoben GmbH (PCCL, Austria), Montanuniversitaet Leoben (Facoltà di Ingegneria e Scienza dei Polimeri, Dipartimento di Chimica dei Materiali Polimerici, Dipartimento di Scienza dei Materiali e Test sui Polimeri), Università di Tampere (Facoltà di Ingegneria dei Materiali). Science), Peak Technology e Faurecia hanno contribuito a questo lavoro di ricerca. Il modulo COMET è finanziato dal governo austriaco e dal governo del Land della Stiria.
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Data di pubblicazione: 15-03-2023