Standardni rezervoarji z ravno platformo za električna vozila (BEV) in vozila na paljenje goriv (FCEV) uporabljajo termoplastične in duroplastične kompozite s skeletno konstrukcijo, ki zagotavlja 25 % več shranjevanja H2. #vodik #trendi
Potem ko je sodelovanje z BMW pokazalo, da lahko kubični rezervoar doseže večjo volumetrično učinkovitost kot več majhnih valjev, se je Tehniška univerza v Münchnu lotila projekta razvoja kompozitne strukture in prilagodljivega proizvodnega procesa za serijsko proizvodnjo. Avtor slike: TU Dresden (zgoraj levo), Tehniška univerza v Münchnu, Oddelek za ogljikove kompozite (LCC)
Električna vozila na gorivne celice (FCEV), ki jih poganja vodik z ničelnimi emisijami (H2), zagotavljajo dodatna sredstva za doseganje ničelnih okoljskih ciljev. Osebni avtomobil na gorivne celice z motorjem H2 se lahko napolni v 5–7 minutah in ima doseg 500 km, vendar je trenutno dražji zaradi nizkih proizvodnih količin. Eden od načinov za zmanjšanje stroškov je uporaba standardne platforme za modele BEV in FCEV. To trenutno ni mogoče, ker valjasti rezervoarji tipa 4, ki se uporabljajo za shranjevanje stisnjenega plina H2 (CGH2) pri 700 barih v FCEV, niso primerni za predelke za akumulatorje pod karoserijo, ki so bili skrbno zasnovani za električna vozila. Vendar pa se v ta raven prostor za pakiranje lahko prilegajo tlačne posode v obliki blazin in kock.
Patent US5577630A za »kompozitno konformno tlačno posodo«, prijavo, ki jo je leta 1995 vložilo podjetje Thiokol Corp. (levo), in pravokotno tlačno posodo, ki jo je leta 2009 patentiral BMW (desno).
Oddelek za ogljikove kompozite (LCC) Tehniške univerze v Münchnu (TUM, München, Nemčija) sodeluje v dveh projektih za razvoj tega koncepta. Prvi je Polymers4Hydrogen (P4H), ki ga vodi Leoben Polymer Competence Center (PCCL, Leoben, Avstrija). Delovni paket LCC vodi sodelavka Elizabeth Glace.
Drugi projekt je Vodikovo demonstracijsko in razvojno okolje (HyDDen), kjer LCC vodi raziskovalec Christian Jaeger. Oba si prizadevata ustvariti obsežno demonstracijo proizvodnega procesa za izdelavo ustreznega rezervoarja CGH2 z uporabo kompozitov iz ogljikovih vlaken.
Volumetrični izkoristek je omejen, ko so v ploščate baterijske celice (levo) in kubične tlačne posode tipa 2, izdelane iz jeklenih oblog in zunanje lupine iz kompozita iz ogljikovih vlaken/epoksi smole (desno), nameščene valje majhnega premera. Vir slike: Sliki 3 in 6 sta iz knjige »Numerični pristop k načrtovanju tlačne posode tipa II z notranjimi nateznimi nogami« avtorjev Ruf in Zaremba et al.
P4H je izdelal eksperimentalni rezervoar v obliki kocke, ki uporablja termoplastični okvir s kompozitnimi napenjalnimi trakovi/oporniki, ovitimi v epoksi smolo, ojačano z ogljikovimi vlakni. HyDDen bo uporabil podobno zasnovo, vendar bo za izdelavo vseh termoplastičnih kompozitnih rezervoarjev uporabljal samodejno polaganje vlaken (AFP).
Od patentne prijave podjetja Thiokol Corp. do »Kompozitne konformne tlačne posode« leta 1995 do nemškega patenta DE19749950C2 leta 1997 imajo lahko posode za stisnjen plin »poljubno geometrijsko konfiguracijo«, zlasti pa ravne in nepravilne oblike, v votlini, ki je povezana z nosilcem lupine. Elementi se uporabljajo tako, da lahko prenesejo silo raztezanja plina.
Članek Nacionalnega laboratorija Lawrence Livermore (LLNL) iz leta 2006 opisuje tri pristope: konformno tlačno posodo, navito z nitkami, mikromrežasto tlačno posodo, ki vsebuje notranjo ortorombsko mrežno strukturo (majhne celice velikosti 2 cm ali manj), obdano s tankostensko posodo H2, in replikacijsko posodo, ki jo sestavlja notranja struktura, sestavljena iz lepljenih majhnih delov (npr. šesterokotnih plastičnih obročev) in sestave tanke zunanje lupine. Podvojene posode so najbolj primerne za večje posode, kjer je tradicionalne metode morda težko uporabiti.
Patent DE102009057170A, ki ga je Volkswagen vložil leta 2009, opisuje tlačno posodo, nameščeno na vozilo, ki zagotavlja visoko učinkovitost teže in hkrati izboljšuje izkoriščenost prostora. Pravokotni rezervoarji uporabljajo natezne priključke med dvema pravokotnima nasprotnima stenama, vogali pa so zaobljeni.
Zgornje in druge koncepte Gleiss navaja v članku »Razvoj procesov za kubične tlačne posode z raztegljivimi palicami« avtorjev Gleiss in sodelavcev na ECCM20 (26.–30. junij 2022, Lausanne, Švica). V tem članku navaja študijo TUM, ki sta jo objavila Michael Roof in Sven Zaremba, v kateri je bilo ugotovljeno, da je kubična tlačna posoda z nateznimi oporniki, ki povezujejo pravokotne stranice, učinkovitejša od več majhnih valjev, ki se prilegajo prostoru ploščate baterije, saj zagotavlja približno 25 % več prostora za shranjevanje.
Po Gleissovih besedah je težava pri namestitvi velikega števila majhnih jeklenk tipa 4 v ravno ohišje ta, da se »prostornina med jeklenkami močno zmanjša, sistem pa ima tudi zelo veliko površino za prepustnost plina H2. Na splošno sistem zagotavlja manjšo prostornino shranjevanja kot kubični kozarci.«
Vendar pa obstajajo tudi druge težave s kubično zasnovo rezervoarja. »Očitno je treba zaradi stisnjenega plina preprečiti upogibne sile na ravnih stenah,« je dejal Gleiss. »Za to potrebujete ojačano strukturo, ki se notranje povezuje s stenami rezervoarja. Toda to je s kompoziti težko narediti.«
Glace in njena ekipa sta poskušali v tlačno posodo vgraditi ojačitvene napenjalne palice na način, ki bi bil primeren za postopek navijanja filamentov. »To je pomembno za proizvodnjo velikih količin,« pojasnjuje, »in nam omogoča tudi, da oblikujemo vzorec navijanja sten posode za optimizacijo orientacije vlaken za vsako obremenitev v coni.«
Štirje koraki za izdelavo poskusnega kubičnega kompozitnega rezervoarja za projekt P4H. Avtor slike: »Razvoj proizvodnega procesa za kubične tlačne posode z opornikom«, Tehnična univerza v Münchnu, projekt Polymers4Hydrogen, ECCM20, junij 2022.
Za dosego verižnega sistema je ekipa razvila nov koncept, ki ga sestavljajo štirje glavni koraki, kot je prikazano zgoraj. Napenjalne opore, ki so na korakih prikazane s črno barvo, so montažna okvirna konstrukcija, izdelana z metodami, prevzetimi iz projekta MAI Skelett. Za ta projekt je BMW razvil "ogrodje" vetrobranskega stekla z uporabo štirih z vlakni ojačanih pultruzijskih palic, ki so bile nato oblikovane v plastični okvir.
Okvir eksperimentalnega kubičnega rezervoarja. Šesterokotni skeletni odseki, natisnjeni s 3D-tiskalnikom TUM z uporabo neojačanega filamenta PLA (zgoraj), vstavljene pultruzijske palice CF/PA6 kot natezne opore (na sredini) in nato ovijanje filamenta okoli opor (spodaj). Avtor slike: Tehnična univerza v Münchnu LCC.
»Ideja je, da lahko ogrodje kubičnega rezervoarja zgradite kot modularno strukturo,« je dejal Glace. »Ti moduli se nato namestijo v orodje za oblikovanje, napenjalne opore se namestijo v module okvirja, nato pa se okoli opor uporabi metoda MAI Skelett, da se integrirajo z deli okvirja.« To je metoda množične proizvodnje, zaradi česar nastane struktura, ki se nato uporabi kot trn ali jedro za ovijanje kompozitne lupine rezervoarja za shranjevanje.
TUM je okvir rezervoarja zasnoval kot kubično »blazino« s trdnimi stranicami, zaobljenimi vogali in šesterokotnim vzorcem na vrhu in dnu, skozi katerega je mogoče vstaviti in pritrditi vezi. Tudi luknje za te stojala so bile natisnjene s 3D-tiskalnikom. »Za naš začetni eksperimentalni rezervoar smo s 3D-tiskalnikom natisnili šesterokotne dele okvirja z uporabo polimlečne kisline [PLA, biološko zasnovan termoplast], ker je bilo to enostavno in poceni,« je dejal Glace.
Ekipa je pri podjetju SGL Carbon (Meitingen, Nemčija) kupila 68 palic iz poliamida 6 (PA6), ojačanega z ogljikovimi vlakni, ki jih bodo uporabili kot vezi. »Za preizkus koncepta nismo izvedli nobenega oblikovanja,« pravi Gleiss, »ampak smo preprosto vstavili distančnike v 3D-natisnjen okvir s satjastim jedrom in jih zlepili z epoksi lepilom. To nato zagotovi trn za navijanje rezervoarja.« Opozarja, da čeprav je te palice relativno enostavno naviti, obstajajo nekatere pomembne težave, ki bodo opisane kasneje.
»V prvi fazi je bil naš cilj dokazati izvedljivost zasnove in prepoznati težave v konceptu proizvodnje,« je pojasnil Gleiss. »Natezne opore torej štrlijo iz zunanje površine skeletne strukture, na to jedro pa pritrdimo ogljikova vlakna z mokrim navijanjem filamentov. Nato v tretjem koraku upognemo glavo vsake vezne palice. termoplastika, torej s toploto preoblikujemo glavo, tako da se splošči in zaskoči v prvo plast ovoja. Nato nadaljujemo z ponovnim ovijanjem strukture, tako da je ravna potisna glava geometrijsko zaprta znotraj rezervoarja. laminat na stenah.«
Distančni pokrovček za navijanje. TUM uporablja plastične pokrovčke na koncih napenjalnih palic, da prepreči zapletanje vlaken med navijanjem filamentov. Avtor slike: Tehnična univerza v Münchnu LCC.
Glace je ponovil, da je bil ta prvi rezervoar dokaz koncepta. »Uporaba 3D-tiskanja in lepila je bila namenjena le začetnemu testiranju in nam je dala predstavo o nekaterih težavah, s katerimi smo se srečali. Na primer, med navijanjem so se nitke ujele za konce napenjalnih palic, kar je povzročilo pretrganje vlaken, poškodbe vlaken in zmanjšanje količine vlaken, da bi to preprečili. Kot pripomočke za proizvodnjo smo uporabili nekaj plastičnih pokrovčkov, ki smo jih namestili na drogove pred prvim korakom navijanja. Nato, ko so bili notranji laminati izdelani, smo te zaščitne pokrovčke odstranili in pred končnim ovijanjem preoblikovali konce drogov.«
Ekipa je eksperimentirala z različnimi scenariji rekonstrukcije. »Tisti, ki se ozrejo naokoli, delajo najbolje,« pravi Grace. »Tudi med fazo izdelave prototipov smo uporabili spremenjeno varilno orodje za nanašanje toplote in preoblikovanje koncev jarmov. V konceptu množične proizvodnje bi imeli eno večje orodje, ki lahko hkrati oblikuje in preoblikuje vse konce opornikov v laminat za notranjo obdelavo ...«
Preoblikovanje glav ojnic. Univerza v Münchnu (TUM) je eksperimentirala z različnimi koncepti in spremenila varjene spoje, da bi poravnala konce kompozitnih vezi za pritrditev na laminat stene rezervoarja. Avtor slike: »Razvoj proizvodnega procesa za kubične tlačne posode z opornikom«, Tehnična univerza v Münchnu, projekt Polymers4Hydrogen, ECCM20, junij 2022.
Tako se laminat po prvem koraku navijanja strdi, stebrički se preoblikujejo, TUM zaključi drugo navijanje filamentov, nato pa se laminat zunanje stene rezervoarja strdi še enkrat. Upoštevajte, da gre za zasnovo rezervoarja tipa 5, kar pomeni, da nima plastične obloge kot plinske pregrade. Glejte razpravo v spodnjem razdelku Naslednji koraki.
»Prvo predstavitev smo razrezali na prečne prereze in preslikali povezano območje,« je dejal Glace. »Posnetek od blizu kaže, da smo imeli nekaj težav s kakovostjo laminata, saj glave opornikov niso ležale ravno na notranjem laminatu.«
Reševanje težav z režami med laminatom notranje in zunanje stene rezervoarja. Spremenjena glava vezne palice ustvarja režo med prvim in drugim zavojem eksperimentalnega rezervoarja. Avtor slike: Tehnična univerza v Münchnu LCC.
Ta začetni rezervoar dimenzij 450 x 290 x 80 mm je bil dokončan lansko poletje. »Od takrat smo dosegli velik napredek, vendar še vedno obstaja vrzel med notranjim in zunanjim laminatom,« je dejal Glace. »Zato smo poskušali te vrzeli zapolniti s čisto, visoko viskozno smolo. To dejansko izboljša povezavo med nosilci in laminatom, kar močno poveča mehanske obremenitve.«
Ekipa je nadaljevala z razvojem zasnove in postopka rezervoarja, vključno z rešitvami za želeni vzorec navijanja. »Stranice testnega rezervoarja niso bile popolnoma zavite, ker je bilo za to geometrijo težko ustvariti pot navijanja,« je pojasnil Glace. »Naš začetni kot navijanja je bil 75°, vendar smo vedeli, da je za zadostitev obremenitve v tej tlačni posodi potrebnih več vezij. Še vedno iščemo rešitev za to težavo, vendar to s programsko opremo, ki je trenutno na trgu, ni enostavno. Morda bo to postal nadaljnji projekt.«
»Dokazali smo izvedljivost tega proizvodnega koncepta,« pravi Gleiss, »vendar moramo še naprej delati na izboljšanju povezave med laminatom in preoblikovanju veznih palic.« Zunanje testiranje na preskusnem stroju. Distančnike izvlečete iz laminata in preizkusite mehanske obremenitve, ki jih ti spoji lahko prenesejo.«
Ta del projekta Polymers4Hydrogen bo zaključen konec leta 2023, do takrat pa Gleis upa, da bo dokončal tudi drugi demonstracijski rezervoar. Zanimivo je, da danes modeli uporabljajo čiste ojačane termoplastike v okvirju in termoreaktivne kompozite v stenah rezervoarja. Ali bo ta hibridni pristop uporabljen v končnem demonstracijskem rezervoarju? »Da,« je rekla Grace. »Naši partnerji v projektu Polymers4Hydrogen razvijajo epoksidne smole in druge kompozitne matrične materiale z boljšimi lastnostmi vodikove bariere.« Našteje dva partnerja, ki delata na tem delu, PCCL in Univerzo v Tampereju (Tampere, Finska).
Gleissova in njena ekipa sta si z Jaegerjem izmenjali tudi informacije in razpravljali o idejah o drugem projektu HyDDen iz konformnega kompozitnega rezervoarja LCC.
»Izdelovali bomo konformno kompozitno tlačno posodo za raziskovalne drone,« pravi Jaeger. »To je sodelovanje med oddelkoma za vesoljsko in geodetsko tehnologijo Univerze v Teksasu (TUM – LCC) in oddelkom za helikoptersko tehnologijo (HT). Projekt bo zaključen do konca leta 2024 in trenutno dokončujemo tlačno posodo. Gre za zasnovo, ki je bolj vesoljski in avtomobilski pristop. Po tej začetni fazi koncepta je naslednji korak podrobno strukturno modeliranje in napoved delovanja stenske konstrukcije kot pregrade.«
»Celotna ideja je razviti raziskovalni dron s hibridnim pogonskim sistemom na gorivne celice in baterije,« je nadaljeval. Baterijo bo uporabljal med velikimi obremenitvami (tj. vzletom in pristankom), nato pa bo med križarjenjem z lažjimi obremenitvami preklopil na gorivne celice. »Ekipa HT je že imela raziskovalni dron in je preoblikovala pogonski sklop, da bi uporabljal tako baterije kot gorivne celice,« je dejal Yeager. »Kupili so tudi rezervoar CGH2 za testiranje tega menjalnika.«
»Moja ekipa je dobila nalogo izdelati prototip tlačne posode, ki bi ustrezala, vendar ne zaradi težav z embalažo, ki bi jih ustvarila valjasta posoda,« pojasnjuje. »Ploščatija posoda ne nudi toliko odpornosti na veter. Zato dobite boljšo letalsko zmogljivost.« Dimenzije posode so približno 830 x 350 x 173 mm.
Popolnoma termoplastičen rezervoar, skladen z AFP. Za projekt HyDDen je ekipa LCC na TUM sprva raziskala podoben pristop kot Glace (zgoraj), nato pa je prešla na pristop s kombinacijo več strukturnih modulov, ki so bili nato prekomerno uporabljeni z AFP (spodaj). Avtor slike: Tehniška univerza v Münchnu LCC.
»Ena ideja je podobna pristopu Elisabeth [Gleiss],« pravi Yager, »da se na steno posode namestijo natezne opore, da se kompenzirajo visoke upogibne sile. Vendar pa namesto navijanja za izdelavo rezervoarja uporabljamo AFP. Zato smo razmišljali o ustvarjanju ločenega dela tlačne posode, v katerega so že integrirani regali. Ta pristop mi je omogočil, da sem združil več teh integriranih modulov in nato pred končnim navijanjem AFP namestil končni pokrov, da bi vse zatesnil.«
»Trudimo se dokončati takšen koncept,« je nadaljeval, »in začeti testirati tudi izbiro materialov, kar je zelo pomembno za zagotovitev potrebne odpornosti na prodiranje plina H2. Za to uporabljamo predvsem termoplastične materiale in preučujemo različne načine, kako bo material vplival na to vedenje pri prepustnosti in obdelavo v stroju AFP. Pomembno je razumeti, ali bo obdelava imela učinek in ali je potrebna kakšna naknadna obdelava. Prav tako želimo vedeti, ali bodo različni skladi vplivali na prepustnost vodika skozi tlačno posodo.«
Rezervoar bo v celoti izdelan iz termoplastike, trakove pa bo dobavilo podjetje Teijin Carbon Europe GmbH (Wuppertal, Nemčija). »Uporabljali bomo njihove materiale PPS [polifenilen sulfid], PEEK [polieter keton] in LM PAEK [nizko tališče poliaril keton],« je dejal Yager. »Nato se opravijo primerjave, da se ugotovi, kateri je najboljši za zaščito pred prebadanjem in izdelavo delov z boljšo zmogljivostjo.« Upa, da bo testiranje, strukturno in procesno modeliranje ter prve demonstracije zaključil v naslednjem letu.
Raziskovalno delo je bilo izvedeno v okviru modula COMET »Polymers4Hydrogen« (ID 21647053) v okviru programa COMET Zveznega ministrstva za podnebne spremembe, okolje, energijo, mobilnost, inovacije in tehnologijo ter Zveznega ministrstva za digitalno tehnologijo in gospodarstvo. Avtorji se zahvaljujejo sodelujočim partnerjem Polymer Competence Center Leoben GmbH (PCCL, Avstrija), Montanuniversitaet Leoben (Fakulteta za polimerno inženirstvo in znanost, Oddelek za kemijo polimernih materialov, Oddelek za znanost o materialih in testiranje polimerov), Univerzi v Tampereju (Fakulteta za inženirske materiale), Peak Technology in Faurecia, ki so prispevali k temu raziskovalnemu delu. Modul COMET financirata vlada Avstrije in vlada dežele Štajerske.
Predarmirane plošče za nosilne konstrukcije vsebujejo neprekinjena vlakna – ne le iz stekla, temveč tudi iz ogljika in aramida.
Obstaja veliko načinov za izdelavo kompozitnih delov. Zato bo izbira metode za določen del odvisna od materiala, zasnove dela in končne uporabe oziroma aplikacije. Tukaj je vodnik za izbiro.
Shocker Composites in R&M International razvijata dobavno verigo recikliranih ogljikovih vlaken, ki zagotavlja ničelno klanje, nižje stroške kot pri deviških vlaknih in bo sčasoma ponudila dolžine, ki se po strukturnih lastnostih približujejo neskončnim vlaknom.
Čas objave: 15. marec 2023