Os tanques padrão de plataforma plana para BEVs e FCEVs utilizam compósitos termoplásticos e termofixos com uma estrutura de suporte que proporciona 25% mais armazenamento de H2. #hidrogênio #tendências
Após uma colaboração com a BMW demonstrar que um tanque cúbico poderia oferecer maior eficiência volumétrica do que múltiplos cilindros pequenos, a Universidade Técnica de Munique embarcou em um projeto para desenvolver uma estrutura composta e um processo de fabricação escalável para produção em série. Crédito da imagem: TU Dresden (acima à esquerda), Universidade Técnica de Munique, Departamento de Compósitos de Carbono (LCC).
Os veículos elétricos com células de combustível (FCEVs) movidos a hidrogênio (H2) com zero emissões oferecem meios adicionais para atingir as metas ambientais de emissão zero. Um carro de passeio com célula de combustível e motor a H2 pode ser abastecido em 5 a 7 minutos e tem uma autonomia de 500 km, mas atualmente é mais caro devido aos baixos volumes de produção. Uma maneira de reduzir custos é usar uma plataforma padrão para modelos BEV e FCEV. Isso não é possível atualmente porque os tanques cilíndricos Tipo 4 usados para armazenar gás H2 comprimido (CGH2) a 700 bar em FCEVs não são adequados para os compartimentos de baterias sob a carroceria, que foram cuidadosamente projetados para veículos elétricos. No entanto, recipientes pressurizados em formato de almofadas e cubos podem se encaixar nesse espaço plano.
Patente US5577630A para “Vaso de Pressão Conforme Compósito”, pedido apresentado pela Thiokol Corp. em 1995 (esquerda) e o vaso de pressão retangular patenteado pela BMW em 2009 (direita).
O Departamento de Compósitos de Carbono (LCC) da Universidade Técnica de Munique (TUM, Munique, Alemanha) está envolvido em dois projetos para desenvolver esse conceito. O primeiro é o Polymers4Hydrogen (P4H), liderado pelo Centro de Competência em Polímeros de Leoben (PCCL, Leoben, Áustria). O pacote de trabalho do LCC é liderado pela pesquisadora Elizabeth Glace.
O segundo projeto é o Ambiente de Demonstração e Desenvolvimento de Hidrogênio (HyDDen), liderado pelo pesquisador Christian Jaeger, da LCC. Ambos têm como objetivo criar uma demonstração em larga escala do processo de fabricação de um tanque CGH2 adequado, utilizando compósitos de fibra de carbono.
A eficiência volumétrica é limitada quando cilindros de pequeno diâmetro são instalados em células de bateria planas (esquerda) e em vasos de pressão cúbicos do tipo 2, feitos de revestimentos de aço e uma camada externa de compósito de fibra de carbono/epóxi (direita). Fonte da imagem: As figuras 3 e 6 são de “Numerical Design Approach for Type II Pressure Box Vessel with Internal Tension Legs” de Ruf e Zaremba et al.
A P4H fabricou um tanque cúbico experimental que utiliza uma estrutura termoplástica com cintas/hastes de tensão compostas revestidas com epóxi reforçado com fibra de carbono. A HyDDen utilizará um projeto semelhante, mas empregará a tecnologia de laminação automática de fibras (AFP) para fabricar todos os tanques de compósito termoplástico.
Desde um pedido de patente da Thiokol Corp. para "Vaso de Pressão Conformal Compósito" em 1995 até a patente alemã DE19749950C2 em 1997, os vasos de gás comprimido "podem ter qualquer configuração geométrica", mas especialmente formas planas e irregulares, em uma cavidade conectada ao suporte da carcaça. Elementos são usados de forma a suportar a força de expansão do gás.
Um artigo de 2006 do Laboratório Nacional Lawrence Livermore (LLNL) descreve três abordagens: um vaso de pressão conformal com filamentos enrolados, um vaso de pressão com microestrutura contendo uma estrutura interna de rede ortorrômbica (células pequenas de 2 cm ou menos), circundado por um recipiente de H2 de paredes finas, e um recipiente replicador, constituído por uma estrutura interna composta por pequenas peças coladas (por exemplo, anéis hexagonais de plástico) e uma fina camada externa. Recipientes duplicados são mais adequados para recipientes maiores, onde os métodos tradicionais podem ser difíceis de aplicar.
A patente DE102009057170A, registrada pela Volkswagen em 2009, descreve um reservatório de pressão montado em veículo que proporciona alta eficiência de peso, ao mesmo tempo que melhora o aproveitamento do espaço. Os tanques retangulares utilizam conectores de tensão entre duas paredes retangulares opostas, e os cantos são arredondados.
Os conceitos acima e outros são citados por Gleiss no artigo “Process Development for Cubic Pressure Vessels with Stretch Bars” de Gleiss et al., apresentado na ECCM20 (26 a 30 de junho de 2022, Lausanne, Suíça). Neste artigo, ela cita um estudo da TUM publicado por Michael Roof e Sven Zaremba, que constatou que um vaso de pressão cúbico com hastes de tensão conectando lados retangulares é mais eficiente do que vários cilindros pequenos que cabem no espaço de uma bateria plana, proporcionando aproximadamente 25% mais espaço de armazenamento.
Segundo Gleiss, o problema de instalar um grande número de pequenos cilindros tipo 4 em uma caixa plana é que “o volume entre os cilindros é bastante reduzido e o sistema também apresenta uma superfície de permeação de gás H2 muito grande. No geral, o sistema oferece menos capacidade de armazenamento do que recipientes cúbicos.”
No entanto, existem outros problemas com o design cúbico do tanque. "Obviamente, devido ao gás comprimido, é preciso contrabalançar as forças de flexão nas paredes planas", disse Gleiss. "Para isso, é necessária uma estrutura reforçada que se conecte internamente às paredes do tanque. Mas isso é difícil de fazer com materiais compósitos."
Glace e sua equipe tentaram incorporar barras de reforço de tensão no vaso de pressão de uma forma adequada ao processo de enrolamento de filamentos. "Isso é importante para a produção em larga escala", explica ela, "e também nos permite projetar o padrão de enrolamento das paredes do recipiente para otimizar a orientação das fibras para cada carga na zona."
Quatro etapas para a fabricação de um tanque cúbico de compósito para o projeto P4H. Crédito da imagem: “Desenvolvimento de um processo de produção para vasos de pressão cúbicos com reforço”, Universidade Técnica de Munique, projeto Polymers4Hydrogen, ECCM20, junho de 2022.
Para alcançar a integração em cadeia, a equipe desenvolveu um novo conceito composto por quatro etapas principais, conforme mostrado acima. As hastes de tensão, representadas em preto nas etapas, são uma estrutura de quadro pré-fabricada, produzida utilizando métodos do projeto MAI Skelett. Para este projeto, a BMW desenvolveu uma "estrutura" para o para-brisa utilizando quatro hastes de pultrusão reforçadas com fibra, que foram então moldadas em uma estrutura de plástico.
Estrutura de um tanque cúbico experimental. Seções hexagonais impressas em 3D pela TUM usando filamento PLA não reforçado (acima), com a inserção de hastes de pultrusão de CF/PA6 como reforços de tensão (no meio) e, em seguida, o filamento enrolado ao redor dos reforços (abaixo). Crédito da imagem: Technical University of Munich LCC.
“A ideia é construir a estrutura de um tanque cúbico como uma estrutura modular”, disse Glace. “Esses módulos são então colocados em um molde, as hastes de tensão são inseridas nos módulos da estrutura e, em seguida, o método da MAI Skelett é utilizado ao redor das hastes para integrá-las às peças da estrutura.” Esse método de produção em massa resulta em uma estrutura que é então usada como um mandril ou núcleo para envolver o revestimento composto do tanque de armazenamento.
A TUM projetou a estrutura do tanque como uma "almofada" cúbica com laterais sólidas, cantos arredondados e um padrão hexagonal na parte superior e inferior, através do qual as amarras podem ser inseridas e fixadas. Os orifícios para essas estruturas também foram impressos em 3D. "Para o nosso tanque experimental inicial, imprimimos em 3D seções hexagonais da estrutura usando ácido polilático [PLA, um termoplástico de base biológica] porque era fácil e barato", disse Glace.
A equipe adquiriu 68 hastes de poliamida 6 (PA6) reforçadas com fibra de carbono, fabricadas por pultrudação, da SGL Carbon (Meitingen, Alemanha) para serem usadas como tirantes. "Para testar o conceito, não fizemos nenhuma moldagem", diz Gleiss, "mas simplesmente inserimos espaçadores em uma estrutura de núcleo alveolar impressa em 3D e os colamos com cola epóxi. Isso fornece um mandril para enrolar o tanque." Ela observa que, embora essas hastes sejam relativamente fáceis de enrolar, existem alguns problemas significativos que serão descritos posteriormente.
“Na primeira etapa, nosso objetivo era demonstrar a viabilidade de fabricação do projeto e identificar problemas no conceito de produção”, explicou Gleiss. “Assim, as hastes de tensão se projetam da superfície externa da estrutura esquelética, e fixamos as fibras de carbono a esse núcleo usando enrolamento úmido de filamentos. Depois disso, na terceira etapa, dobramos a cabeça de cada haste de tração. Como o material é termoplástico, usamos calor para remodelar a cabeça, de modo que ela se achate e se encaixe na primeira camada de revestimento. Em seguida, procedemos a revestir a estrutura novamente para que a cabeça plana de impulso fique geometricamente envolvida dentro do tanque. [A frase seguinte parece estar incompleta e sem contexto suficiente para tradução precisa. A tradução literal seria: "Aqui, a tradução literal seria: "Envolvemos a estrutura novamente para que a cabeça de impulso plana fique geometricamente envolvida dentro do tanque. A tradução literal seria: "Usamos um laminado nas paredes. A tradução literal seria: "No primeiro passo, envolvemos a estrutura novamente para que a cabeça de impulso plana fique geometricamente envolvida dentro do tanque. A tradução literal seria: "Usamos um laminado nas paredes. A tradução literal seria: "Esse é o processo de fabricação do projeto e identifica problemas no conceito de produção", e não foi traduzida. "Assim, as hastes de tensão se projetam da superfície externa da estrutura esquelética, e nós fixamos as fibras de carbono a esse núcleo usando enrolamento úmido de filamentos. Depois disso, na terceira etapa, dobramos a cabeça de impulso de cada haste de tração. A tradução literal seria: "Usamos um laminado nas paredes e nós fixamos as fibras de carbono a esse núcleo."]
Tampa espaçadora para enrolamento. A TUM utiliza tampas de plástico nas extremidades das hastes de tensão para evitar que as fibras se enrolem durante o enrolamento dos filamentos. Crédito da imagem: Universidade Técnica de Munique LCC.
Glace reiterou que este primeiro tanque foi uma prova de conceito. “O uso de impressão 3D e cola foi apenas para testes iniciais e nos deu uma ideia de alguns dos problemas que encontramos. Por exemplo, durante o enrolamento, os filamentos ficavam presos nas extremidades das hastes de tensão, causando quebra e danos às fibras, além de reduzir a quantidade de fibra necessária para compensar isso. Para solucionar o problema, usamos algumas tampas de plástico como auxiliares de fabricação, que foram colocadas nas hastes antes da primeira etapa de enrolamento. Depois, quando os laminados internos foram feitos, removemos essas tampas protetoras e remodelamos as extremidades das hastes antes do enrolamento final.”
A equipe experimentou vários cenários de reconstrução. "Quem observa o ambiente ao redor trabalha melhor", diz Grace. "Além disso, durante a fase de prototipagem, usamos uma ferramenta de soldagem modificada para aplicar calor e remodelar as extremidades das barras de direção. Em um conceito de produção em massa, teríamos uma ferramenta maior que pudesse moldar e dar forma a todas as extremidades das barras de direção em um laminado de acabamento interno simultaneamente."
Cabeças da barra de tração remodeladas. A TUM experimentou diferentes conceitos e modificou as soldas para alinhar as extremidades das barras de ligação compostas para fixação ao laminado da parede do tanque. Crédito da imagem: “Desenvolvimento de um processo de produção para vasos de pressão cúbicos com reforço”, Universidade Técnica de Munique, projeto Polymers4Hydrogen, ECCM20, junho de 2022.
Assim, o laminado é curado após a primeira etapa de enrolamento, os postes são remodelados, o TUM completa o segundo enrolamento dos filamentos e, em seguida, o laminado da parede externa do tanque é curado pela segunda vez. Observe que este é um projeto de tanque tipo 5, o que significa que não possui revestimento plástico como barreira de gás. Veja a discussão na seção Próximos Passos abaixo.
“Cortamos a primeira demolição em seções transversais e mapeamos a área conectada”, disse Glace. “Um close-up mostra que tivemos alguns problemas de qualidade com o laminado, com as cabeças dos suportes não assentando completamente sobre o laminado interno.”
Solução para problemas com folgas entre o laminado das paredes interna e externa do tanque. A cabeça da barra de ligação modificada cria uma folga entre a primeira e a segunda voltas do tanque experimental. Crédito da imagem: Universidade Técnica de Munique LCC.
Este tanque inicial de 450 x 290 x 80 mm foi concluído no verão passado. "Fizemos muitos progressos desde então, mas ainda temos uma lacuna entre o laminado interno e o externo", disse Glace. "Então, tentamos preencher essas lacunas com uma resina limpa e de alta viscosidade. Isso, na verdade, melhora a conexão entre os montantes e o laminado, o que aumenta consideravelmente a resistência mecânica."
A equipe continuou a desenvolver o projeto e o processo do tanque, incluindo soluções para o padrão de enrolamento desejado. "As laterais do tanque de teste não foram totalmente enroladas porque era difícil para essa geometria criar um caminho sinuoso", explicou Glace. "Nosso ângulo de enrolamento inicial era de 75°, mas sabíamos que vários circuitos seriam necessários para atender à carga neste vaso de pressão. Ainda estamos buscando uma solução para esse problema, mas não é fácil com o software atualmente disponível no mercado. Pode se tornar um projeto futuro."
“Demonstramos a viabilidade deste conceito de produção”, diz Gleiss, “mas precisamos trabalhar mais para melhorar a conexão entre o laminado e remodelar as barras de ligação. “Testes externos em uma máquina de ensaio. Retiramos os espaçadores do laminado e testamos as cargas mecânicas que essas juntas podem suportar.”
Esta parte do projeto Polymers4Hydrogen será concluída no final de 2023, altura em que Gleis espera finalizar o segundo tanque de demonstração. Curiosamente, os projetos atuais utilizam termoplásticos reforçados puros na estrutura e compósitos termofixos nas paredes do tanque. Será esta abordagem híbrida utilizada no tanque de demonstração final? "Sim", afirmou Grace. "Os nossos parceiros no projeto Polymers4Hydrogen estão a desenvolver resinas epóxi e outros materiais de matriz compósita com melhores propriedades de barreira ao hidrogénio." Ela menciona dois parceiros que trabalham neste projeto: o PCCL e a Universidade de Tampere (Tampere, Finlândia).
Gleiss e sua equipe também trocaram informações e discutiram ideias com Jaeger sobre o segundo projeto HyDDen, do tanque composto conforme LCC.
“Produziremos um vaso de pressão composto conforme para drones de pesquisa”, diz Jaeger. “Esta é uma colaboração entre os departamentos de Engenharia Aeroespacial e Geodésica da TUM – LCC e o Departamento de Tecnologia de Helicópteros (HT). O projeto será concluído até o final de 2024 e estamos atualmente finalizando o vaso de pressão, um projeto com uma abordagem mais voltada para os setores aeroespacial e automotivo. Após esta fase inicial de conceito, o próximo passo é realizar a modelagem estrutural detalhada e prever o desempenho da barreira da estrutura da parede.”
“A ideia principal é desenvolver um drone exploratório com um sistema de propulsão híbrido, que combina célula de combustível e bateria”, continuou ele. O drone utilizará a bateria durante períodos de alta demanda de energia (como decolagem e pouso) e, em seguida, a célula de combustível durante voos de cruzeiro com baixa carga. “A equipe da HT já possuía um drone de pesquisa e redesenhou o sistema de propulsão para utilizar tanto baterias quanto células de combustível”, disse Yeager. “Eles também adquiriram um tanque CGH2 para testar essa transmissão.”
“Minha equipe recebeu a tarefa de construir um protótipo de tanque de pressão que coubesse, mas não por causa dos problemas de espaço que um tanque cilíndrico criaria”, explica ele. “Um tanque mais achatado oferece menos resistência ao vento. Assim, você obtém um melhor desempenho de voo.” As dimensões aproximadas do tanque são 830 x 350 x 173 mm.
Tanque totalmente termoplástico em conformidade com a norma AFP. Para o projeto HyDDen, a equipe LCC da TUM explorou inicialmente uma abordagem semelhante à utilizada pela Glace (acima), mas depois optou por uma abordagem que combina diversos módulos estruturais, os quais foram então sobrepostos utilizando a norma AFP (abaixo). Crédito da imagem: Technical University of Munich LCC.
“Uma das ideias é semelhante à abordagem de Elisabeth [Gleiss]”, diz Yager, “aplicar reforços de tensão na parede do vaso para compensar as elevadas forças de flexão. No entanto, em vez de usar um processo de enrolamento para fabricar o tanque, usamos AFP (Aplicação de Fibra Óptica). Portanto, pensamos em criar uma seção separada do vaso de pressão, na qual as estruturas já estão integradas. Essa abordagem me permitiu combinar vários desses módulos integrados e, em seguida, aplicar uma tampa para selar tudo antes do enrolamento final por AFP.”
“Estamos tentando finalizar esse conceito”, continuou ele, “e também começar a testar a seleção de materiais, o que é muito importante para garantir a resistência necessária à penetração do gás H2. Para isso, utilizamos principalmente materiais termoplásticos e estamos estudando como o material afetará o comportamento da permeação e o processamento na máquina AFP. É importante entender se o tratamento terá algum efeito e se algum pós-processamento será necessário. Também queremos saber se diferentes configurações de camadas afetarão a permeação de hidrogênio através do vaso de pressão.”
O tanque será inteiramente feito de termoplástico e as tiras serão fornecidas pela Teijin Carbon Europe GmbH (Wuppertal, Alemanha). "Usaremos seus materiais PPS [sulfeto de polifenileno], PEEK [poliéter cetona] e LM PAEK [poliaril cetona de baixo ponto de fusão]", disse Yager. "Em seguida, faremos comparações para ver qual deles oferece a melhor proteção contra penetração e produz peças com melhor desempenho." Ele espera concluir os testes, a modelagem estrutural e de processo e as primeiras demonstrações no próximo ano.
O trabalho de pesquisa foi realizado no âmbito do módulo COMET “Polymers4Hydrogen” (ID 21647053), dentro do programa COMET do Ministério Federal das Alterações Climáticas, do Ambiente, da Energia, da Mobilidade, da Inovação e da Tecnologia e do Ministério Federal da Tecnologia Digital e da Economia. Os autores agradecem aos parceiros participantes Polymer Competence Center Leoben GmbH (PCCL, Áustria), Montanuniversitaet Leoben (Faculdade de Engenharia e Ciência de Polímeros, Departamento de Química de Materiais Poliméricos, Departamento de Ciência dos Materiais e Testes de Polímeros), Universidade de Tampere (Faculdade de Engenharia de Materiais), Peak Technology e Faurecia, que contribuíram para este trabalho de pesquisa. O módulo COMET é financiado pelo governo da Áustria e pelo governo do estado da Estíria.
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Data da publicação: 15 de março de 2023