Rezervoarele standard cu platformă plată pentru vehicule electrice cu combustibil lichid (BEV) și vehicule electrice cu combustibil lichid (FCEV) utilizează compozite termoplastice și termorezistente cu o construcție tip schelet care oferă o stocare de H2 cu 25% mai mare. #hidrogen #tendințe
După ce o colaborare cu BMW a demonstrat că un rezervor cubic poate oferi o eficiență volumetrică mai mare decât mai multe cilindri mici, Universitatea Tehnică din München a demarat un proiect de dezvoltare a unei structuri compozite și a unui proces de fabricație scalabil pentru producția de serie. Credit imagine: TU Dresden (sus) stânga), Universitatea Tehnică din München, Departamentul de Compozite din Carbon (LCC)
Vehiculele electrice cu pile de combustie (FCEV) alimentate cu hidrogen cu emisii zero (H2) oferă mijloace suplimentare pentru atingerea zero obiective de mediu. Un autoturism cu pilă de combustie și motor H2 poate fi alimentat în 5-7 minute și are o autonomie de 500 km, dar este în prezent mai scump din cauza volumelor reduse de producție. O modalitate de a reduce costurile este utilizarea unei platforme standard pentru modelele BEV și FCEV. Acest lucru nu este posibil în prezent deoarece rezervoarele cilindrice de tip 4 utilizate pentru stocarea gazului H2 comprimat (CGH2) la 700 bar în FCEV-uri nu sunt potrivite pentru compartimentele bateriilor de sub caroserie, care au fost proiectate cu atenție pentru vehiculele electrice. Cu toate acestea, recipientele sub presiune sub formă de perne și cuburi se pot potrivi în acest spațiu plat de ambalare.
Brevetul US5577630A pentru „Recipient sub presiune conform compozit”, cerere depusă de Thiokol Corp. în 1995 (stânga) și recipientul sub presiune dreptunghiular brevetat de BMW în 2009 (dreapta).
Departamentul de Compozite din Carbon (LCC) al Universității Tehnice din München (TUM, München, Germania) este implicat în două proiecte pentru dezvoltarea acestui concept. Primul este Polymers4Hydrogen (P4H), condus de Centrul de Competență în Polimeri Leoben (PCCL, Leoben, Austria). Pachetul de lucru LCC este condus de bursiera Elizabeth Glace.
Al doilea proiect este Mediul de Demonstrare și Dezvoltare a Hidrogenului (HyDDen), unde LCC este condus de cercetătorul Christian Jaeger. Ambele își propun să creeze o demonstrație la scară largă a procesului de fabricație pentru realizarea unui rezervor CGH2 adecvat folosind compozite din fibră de carbon.
Există o eficiență volumetrică limitată atunci când buteliile cu diametru mic sunt instalate în celule de baterie plate (stânga) și recipiente sub presiune cubice de tip 2, realizate din căptușeli de oțel și o carcasă exterioară compozită din fibră de carbon/epoxid (dreapta). Sursa imaginii: Figurile 3 și 6 sunt din „Abordarea numerică de proiectare pentru recipiente sub presiune de tip II cu picioare de tensiune internă” de Ruf și Zaremba și colab.
P4H a fabricat un rezervor cubic experimental care folosește un cadru termoplastic cu benzi/lonjeroane de tensiune compozite înfășurate în epoxid armat cu fibră de carbon. HyDDen va folosi un design similar, dar va folosi așezarea automată a fibrelor (AFP) pentru a fabrica toate rezervoarele compozite termoplastice.
De la o cerere de brevet a Thiokol Corp. pentru „Recipient sub presiune conform compozit” în 1995, până la brevetul german DE19749950C2 în 1997, recipientele cu gaz comprimat „pot avea orice configurație geometrică”, dar în special forme plate și neregulate, într-o cavitate conectată la suportul carcasei. Elementele sunt utilizate astfel încât să poată rezista forței de expansiune a gazului.
Un articol din 2006 al Laboratorului Național Lawrence Livermore (LLNL) descrie trei abordări: un vas sub presiune conformal cu filament înfășurat, un vas sub presiune cu microrețea care conține o structură internă de rețea ortorombică (celule mici de 2 cm sau mai puțin), înconjurat de un recipient de H2 cu pereți subțiri și un recipient replicator, format dintr-o structură internă formată din piese mici lipite (de exemplu, inele hexagonale din plastic) și o compoziție de înveliș exterior subțire. Recipientele duplicate sunt cele mai potrivite pentru recipientele mai mari, unde metodele tradiționale pot fi dificil de aplicat.
Brevetul DE102009057170A depus de Volkswagen în 2009 descrie un recipient sub presiune montat pe un vehicul care va oferi o eficiență ridicată a greutății, îmbunătățind în același timp utilizarea spațiului. Rezervoarele dreptunghiulare utilizează conectori de tensiune între doi pereți opuși dreptunghiulari, iar colțurile sunt rotunjite.
Conceptele de mai sus, precum și altele, sunt citate de Gleiss în lucrarea „Dezvoltarea proceselor pentru recipiente sub presiune cubice cu bare elastice” de Gleiss și colab. la ECCM20 (26-30 iunie 2022, Lausanne, Elveția). În acest articol, ea citează un studiu TUM publicat de Michael Roof și Sven Zaremba, care a constatat că un recipient sub presiune cubic cu lonjere de tensiune care conectează laturile dreptunghiulare este mai eficient decât mai mulți cilindri mici care se potrivesc în spațiul unei baterii plate, oferind cu aproximativ 25% mai mult spațiu de stocare.
Potrivit lui Gleiss, problema instalării unui număr mare de butelii mici de tip 4 într-o carcasă plată este că „volumul dintre butelii este mult redus, iar sistemul are, de asemenea, o suprafață foarte mare de permeabilitate a gazului H2. Per total, sistemul oferă o capacitate de stocare mai mică decât recipientele cubice.”
Există însă și alte probleme legate de designul cubic al rezervorului. „Evident, din cauza gazului comprimat, trebuie să contracarezi forțele de încovoiere de pe pereții plani”, a spus Gleiss. „Pentru aceasta, ai nevoie de o structură ranforsată care să se conecteze intern la pereții rezervorului. Dar acest lucru este greu de făcut cu materialele compozite.”
Glace și echipa sa au încercat să încorporeze bare de tensionare a armaturii în vasul sub presiune într-un mod care să fie potrivit pentru procesul de înfășurare a filamentului. „Acest lucru este important pentru producția de volum mare”, explică ea, „și ne permite, de asemenea, să proiectăm modelul de înfășurare al pereților recipientului pentru a optimiza orientarea fibrelor pentru fiecare sarcină din zonă.”
Patru pași pentru realizarea unui rezervor compozit cubic de probă pentru proiectul P4H. Credit imagine: „Dezvoltarea unui proces de producție pentru recipiente sub presiune cubice cu contravântuire”, Universitatea Tehnică din München, proiectul Polymers4Hydrogen, ECCM20, iunie 2022.
Pentru a realiza „on-chain”, echipa a dezvoltat un nou concept format din patru etape principale, așa cum se arată mai sus. Lonjeroanele de tensionare, reprezentate cu negru pe trepte, reprezintă o structură prefabricată, fabricată folosind metode preluate din proiectul MAI Skelett. Pentru acest proiect, BMW a dezvoltat un „cadru” pentru parbriz, folosind patru tije pultrusionate armate cu fibre, care au fost apoi turnate într-un cadru din plastic.
Cadrul unui rezervor cubic experimental. Secțiuni scheletice hexagonale imprimate 3D de TUM folosind filament PLA neranforsat (sus), inserând tije de pultrudare CF/PA6 ca bretele de tensionare (mijloc) și apoi înfășurând filamentul în jurul bretelelor (jos). Credit imagine: Universitatea Tehnică din München LCC.
„Ideea este că poți construi cadrul unui rezervor cubic ca o structură modulară”, a spus Glace. „Aceste module sunt apoi plasate într-o unealtă de turnare, lonjeroanele de tensiune sunt plasate în modulele cadrului, iar apoi metoda MAI Skelett este utilizată în jurul lonjeroanelor pentru a le integra cu piesele cadrului.” metodă de producție în masă, rezultând o structură care este apoi utilizată ca dorn sau miez pentru a înfășura învelișul compozit al rezervorului de stocare.
TUM a proiectat cadrul rezervorului ca o „pernă” cubică cu laturi solide, colțuri rotunjite și un model hexagonal în partea superioară și inferioară prin care se pot introduce și atașa legături. Găurile pentru aceste suporturi au fost, de asemenea, imprimate 3D. „Pentru rezervorul nostru experimental inițial, am imprimat 3D secțiuni hexagonale ale cadrului folosind acid polilactic [PLA, un termoplastic pe bază de biomasă], deoarece era ușor și ieftin”, a spus Glace.
Echipa a achiziționat 68 de tije din poliamidă 6 (PA6) armată cu fibră de carbon pultrudată de la SGL Carbon (Meitingen, Germania) pentru a fi utilizate ca legături. „Pentru a testa conceptul, nu am făcut nicio turnare”, spune Gleiss, „ci pur și simplu am introdus distanțiere într-un cadru cu miez de tip fagure imprimat 3D și le-am lipit cu adeziv epoxidic. Acest lucru oferă apoi un dorn pentru înfășurarea rezervorului.” Ea observă că, deși aceste tije sunt relativ ușor de înfășurat, există unele probleme semnificative care vor fi descrise mai târziu.
„În prima etapă, obiectivul nostru a fost să demonstrăm fabricabilitatea designului și să identificăm problemele din conceptul de producție”, a explicat Gleiss. „Așadar, lonjeroanele de tensiune ies din suprafața exterioară a structurii scheletice, iar noi atașăm fibrele de carbon la acest miez folosind înfășurarea filamentului umed. După aceea, în a treia etapă, îndoim capul fiecărei tije de legătură. Termoplastic, deci folosim doar căldură pentru a remodela capul, astfel încât acesta să se aplatizeze și să se blocheze în primul strat de înfășurare. Apoi, procedăm la înfășurarea din nou a structurii, astfel încât capul plat de împingere să fie închis geometric în interiorul rezervorului laminat pe pereți.”
Capac distanțier pentru înfășurare. TUM folosește capace de plastic la capetele tijelor de tensiune pentru a preveni încurcarea fibrelor în timpul înfășurării filamentului. Credit imagine: Universitatea Tehnică din München LCC.
Glace a reiterat că acest prim rezervor a fost o dovadă a conceptului. „Utilizarea imprimării 3D și a lipiciului a fost doar pentru testarea inițială și ne-a oferit o idee despre câteva dintre problemele pe care le-am întâmpinat. De exemplu, în timpul înfășurării, filamentele au fost prinse de capetele tijelor de tensiune, provocând ruperea fibrelor, deteriorarea fibrelor și reducerea cantității de fibră pentru a contracara acest lucru. Am folosit câteva capace de plastic ca adjuvante de fabricație care au fost plasate pe stâlpi înainte de prima etapă de înfășurare. Apoi, când au fost realizate laminatele interne, am îndepărtat aceste capace de protecție și am remodelat capetele stâlpilor înainte de înfășurarea finală.”
Echipa a experimentat diverse scenarii de reconstrucție. „Cei care se uită în jur lucrează cel mai bine”, spune Grace. „De asemenea, în timpul fazei de prototipare, am folosit o unealtă de sudură modificată pentru a aplica căldură și a remodela capetele barelor de direcție. Într-un concept de producție în masă, am avea o unealtă mai mare care poate modela și transforma toate capetele barelor de direcție într-un laminat de finisaj interior în același timp.”
Capetele barei de tractare au fost remodelate. TUM a experimentat cu diferite concepte și a modificat sudurile pentru a alinia capetele legăturilor compozite pentru atașarea la laminatul peretelui rezervorului. Credit imagine: „Dezvoltarea unui proces de producție pentru recipiente sub presiune cubice cu contravântuire”, Universitatea Tehnică din München, proiectul Polymers4Hydrogen, ECCM20, iunie 2022.
Astfel, laminatul este întărit după prima etapă de înfășurare, stâlpii sunt remodelați, TUM completează a doua înfășurare a filamentelor, iar apoi laminatul peretelui exterior al rezervorului este întărit a doua oară. Vă rugăm să rețineți că acesta este un design de rezervor de tip 5, ceea ce înseamnă că nu are o căptușeală din plastic ca barieră de gaz. Consultați discuția din secțiunea Pașii următori de mai jos.
„Am tăiat prima demonstrație în secțiuni transversale și am cartografiat zona conectată”, a spus Glace. „O imagine de aproape arată că am avut unele probleme de calitate cu laminatul, deoarece capetele lonjeroanelor nu stăteau plat pe laminatul interior.”
Rezolvarea problemelor legate de golurile dintre laminatul pereților interiori și exteriori ai rezervorului. Capul tijei de legătură modificat creează un spațiu între prima și a doua spirală a rezervorului experimental. Credit imagine: Universitatea Tehnică din München LCC.
Acest rezervor inițial de 450 x 290 x 80 mm a fost finalizat vara trecută. „Am făcut multe progrese de atunci, dar încă mai avem un spațiu între laminatul interior și cel exterior”, a spus Glace. „Așa că am încercat să umplem acele goluri cu o rășină curată, cu vâscozitate ridicată. Acest lucru îmbunătățește de fapt conexiunea dintre știfturi și laminat, ceea ce crește considerabil stresul mecanic.”
Echipa a continuat să dezvolte designul și procesul rezervorului, inclusiv soluții pentru modelul de înfășurare dorit. „Pereții laterali ai rezervorului de testare nu au fost complet curbați deoarece era dificil pentru această geometrie să creeze o traiectorie de înfășurare”, a explicat Glace. „Unghiul nostru inițial de înfășurare a fost de 75°, dar știam că sunt necesare mai multe circuite pentru a face față sarcinii din acest vas sub presiune. Încă căutăm o soluție la această problemă, dar nu este ușor cu software-ul disponibil în prezent pe piață. Ar putea deveni un proiect ulterior.”
„Am demonstrat fezabilitatea acestui concept de producție”, spune Gleiss, „dar trebuie să lucrăm în continuare pentru a îmbunătăți conexiunea dintre laminat și a remodela tijele de legătură. Testarea externă se face pe o mașină de testare. Se scot distanțierii din laminat și se testează încărcările mecanice pe care le pot suporta acele îmbinări.”
Această parte a proiectului Polymers4Hydrogen va fi finalizată la sfârșitul anului 2023, moment în care Gleis speră să finalizeze cel de-al doilea rezervor demonstrativ. Interesant este că, în prezent, proiectele utilizează termoplastice ranforsate în cadru și compozite termorezistente în pereții rezervorului. Va fi utilizată această abordare hibridă în rezervorul demonstrativ final? „Da”, a spus Grace. „Partenerii noștri din proiectul Polymers4Hydrogen dezvoltă rășini epoxidice și alte materiale matriceale compozite cu proprietăți mai bune de barieră la hidrogen.” Ea enumeră doi parteneri care lucrează la această lucrare, PCCL și Universitatea din Tampere (Tampere, Finlanda).
Gleiss și echipa sa au făcut, de asemenea, schimb de informații și au discutat idei cu Jaeger cu privire la al doilea proiect HyDDen din rezervorul compozit conformal LCC.
„Vom produce un recipient sub presiune compozit conform pentru drone de cercetare”, spune Jaeger. „Aceasta este o colaborare între cele două departamente ale Departamentului Aerospațial și Geodezic al TUM – LCC și Departamentul de Tehnologie a Elicopterelor (HT). Proiectul va fi finalizat până la sfârșitul anului 2024, iar în prezent finalizăm recipientul sub presiune, un design care se bazează mai mult pe o abordare aerospațială și auto. După această etapă inițială de concept, următorul pas este efectuarea unei modelări structurale detaliate și prezicerea performanței de barieră a structurii peretelui.”
„Întreaga idee este de a dezvolta o dronă exploratorie cu un sistem de propulsie hibrid cu pile de combustie și baterie”, a continuat el. Aceasta va folosi bateria în timpul sarcinilor mari (adică la decolare și aterizare), apoi va trece la pila de combustie în timpul zborului cu sarcină ușoară. „Echipa HT avea deja o dronă de cercetare și a reproiectat grupul motopropulsor pentru a utiliza atât baterii, cât și pile de combustie”, a spus Yeager. „De asemenea, au achiziționat un rezervor CGH2 pentru a testa această transmisie.”
„Echipa mea a fost însărcinată cu construirea unui prototip de rezervor sub presiune care să se potrivească, dar nu din cauza problemelor de ambalare pe care le-ar crea un rezervor cilindric”, explică el. „Un rezervor mai plat nu oferă la fel de multă rezistență la vânt. Așadar, se obține o performanță de zbor mai bună.” Dimensiunile rezervorului sunt de aproximativ 830 x 350 x 173 mm.
Rezervor complet termoplastic, compatibil cu AFP. Pentru proiectul HyDDen, echipa LCC de la TUM a explorat inițial o abordare similară cu cea utilizată de Glace (sus), dar apoi a trecut la o abordare care utilizează o combinație de mai multe module structurale, care au fost apoi utilizate în exces folosind AFP (jos). Credit imagine: Universitatea Tehnică din München LCC.
„O idee este similară cu abordarea lui Elisabeth [Gleiss]”, spune Yager, „de a aplica contravântuiri de tensiune pe peretele vasului pentru a compensa forțele mari de încovoiere. Cu toate acestea, în loc să folosim un proces de înfășurare pentru a realiza rezervorul, folosim AFP. Prin urmare, ne-am gândit să creăm o secțiune separată a vasului sub presiune, în care rafturile sunt deja integrate. Această abordare mi-a permis să combin mai multe dintre aceste module integrate și apoi să aplic un capac de capăt pentru a etanșa totul înainte de înfășurarea finală a AFP.”
„Încercăm să finalizăm un astfel de concept”, a continuat el, „și, de asemenea, să începem testarea selecției materialelor, ceea ce este foarte important pentru a asigura rezistența necesară la penetrarea gazului H2. Pentru aceasta, folosim în principal materiale termoplastice și lucrăm la diverse moduri în care materialul va afecta acest comportament de permeabilitate și procesarea în mașina AFP. Este important să înțelegem dacă tratamentul va avea un efect și dacă este necesară vreo post-procesare. De asemenea, vrem să știm dacă diferite coșuri vor afecta permeabilitatea hidrogenului prin vasul sub presiune.”
Rezervorul va fi fabricat în întregime din termoplastic, iar benzile vor fi furnizate de Teijin Carbon Europe GmbH (Wuppertal, Germania). „Vom folosi materialele lor PPS [sulfură de polifenilen], PEEK [polieter cetonă] și LM PAEK [poliaril cetonă cu punct de topire scăzut]”, a spus Yager. „Apoi se fac comparații pentru a vedea care este cel mai bun pentru protecția la penetrare și pentru producerea de piese cu performanțe mai bune.” El speră să finalizeze testarea, modelarea structurală și de proces și primele demonstrații în cursul anului următor.
Lucrarea de cercetare a fost realizată în cadrul modulului COMET „Polymers4Hydrogen” (ID 21647053) în cadrul programului COMET al Ministerului Federal pentru Schimbări Climatice, Mediu, Energie, Mobilitate, Inovație și Tehnologie și al Ministerului Federal pentru Tehnologie Digitală și Economie. Autorii mulțumesc partenerilor participanți Polymer Competence Center Leoben GmbH (PCCL, Austria), Montanuniversitaet Leoben (Facultatea de Inginerie și Știința Polimerilor, Departamentul de Chimie a Materialelor Polimerice, Departamentul de Știința Materialelor și Testarea Polimerilor), Universitatea din Tampere (Facultatea de Inginerie a Materialelor), Peak Technology și Faurecia pentru contribuțiile la această lucrare de cercetare. Modulul COMET este finanțat de guvernul Austriei și de guvernul landului Styria.
Tablele pre-armate pentru structuri portante conțin fibre continue – nu numai din sticlă, ci și din carbon și aramidă.
Există multe modalități de a realiza piese compozite. Prin urmare, alegerea metodei pentru o anumită piesă va depinde de material, designul piesei și utilizarea sau aplicația finală. Iată un ghid de selecție.
Shocker Composites și R&M International dezvoltă un lanț de aprovizionare cu fibră de carbon reciclată care oferă zero sacrificări, costuri mai mici decât fibra virgină și, în cele din urmă, va oferi lungimi care se apropie de fibra continuă în ceea ce privește proprietățile structurale.
Data publicării: 15 martie 2023