I serbatoi standard a piattaforma piatta per BEV e FCEV utilizzano compositi termoplastici e termoindurenti con una struttura a scheletro che offre il 25% in più di capacità di stoccaggio di H2. #idrogeno #tendenze
Dopo che una collaborazione con BMW ha dimostrato che un serbatoio cubico poteva offrire un'efficienza volumetrica superiore 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 Dresda (in alto a sinistra), Università Tecnica di Monaco, Dipartimento di Compositi di Carbonio (LCC)
I veicoli elettrici a celle a combustibile (FCEV) alimentati a idrogeno (H2) a zero emissioni offrono un ulteriore mezzo per raggiungere gli obiettivi ambientali di zero emissioni. 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 attualmente è più costosa a causa dei bassi volumi di produzione. Un modo per ridurre i costi è utilizzare una piattaforma standard per i modelli BEV e FCEV. Ciò non è attualmente possibile perché i serbatoi cilindrici di tipo 4 utilizzati per immagazzinare gas H2 compresso (CGH2) a 700 bar negli FCEV non sono adatti ai vani batteria sottoscocca, progettati con cura per i veicoli elettrici. Tuttavia, i recipienti a pressione a forma di cuscino e cubo possono essere alloggiati in questo spazio di ingombro piatto.
Brevetto US5577630A per "Recipiente a pressione conformale composito", domanda depositata da Thiokol Corp. nel 1995 (a sinistra) e recipiente a pressione rettangolare brevettato da BMW nel 2009 (a destra).
Il Dipartimento di Compositi di Carbonio (LCC) dell'Università Tecnica di Monaco (TUM, Monaco di Baviera, Germania) è coinvolto in due progetti per sviluppare questo concetto. Il primo è Polymers4Hydrogen (P4H), guidato dal Centro di Competenza sui Polimeri di Leoben (PCCL, Leoben, Austria). Il pacchetto di lavoro LCC è coordinato dalla ricercatrice Elizabeth Glace.
Il secondo progetto è l'Hydrogen Demonstration and Development Environment (HyDDen), guidato dal ricercatore Christian Jaeger presso LCC. Entrambi i progetti mirano a realizzare una dimostrazione su larga scala del processo di produzione di un serbatoio CGH2 idoneo, utilizzando materiali compositi in fibra di carbonio.
L'efficienza volumetrica è limitata quando i cilindri di piccolo diametro vengono installati in celle di batteria 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 in materiale termoplastico con cinghie/montanti di tensione in materiale composito avvolti in resina epossidica rinforzata con fibra di carbonio. HyDDen utilizzerà un design simile, ma impiegherà la laminazione automatica delle fibre (AFP) per produrre serbatoi interamente in materiale composito termoplastico.
Da una domanda di brevetto presentata dalla Thiokol Corp. per un "Recipiente a pressione conformale composito" nel 1995 al brevetto tedesco DE19749950C2 del 1997, i recipienti per gas compressi "possono avere qualsiasi configurazione geometrica", ma soprattutto forme piatte e irregolari, in una cavità collegata al supporto del guscio, vengono utilizzati elementi in modo da poter resistere alla forza di espansione del gas.
Un articolo del 2006 del Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) descrive tre approcci: un recipiente a pressione conformale avvolto da filamenti, un recipiente a pressione a microreticolo contenente una struttura reticolare ortorombica interna (celle piccole di 2 cm o meno), circondata da un contenitore di H2 a pareti sottili, e un contenitore replicatore, costituito da una struttura interna composta da piccole parti incollate (ad esempio, anelli di plastica esagonali) e da un sottile rivestimento esterno. I contenitori duplicati sono più adatti per contenitori di grandi dimensioni dove i metodi tradizionali possono essere difficili da applicare.
Il brevetto DE102009057170A, depositato da Volkswagen nel 2009, descrive un serbatoio a pressione montato su veicolo che offre un'elevata efficienza in termini di peso, migliorando al contempo l'utilizzo dello spazio. I serbatoi rettangolari utilizzano connettori a tensione tra due pareti rettangolari opposte e gli angoli sono arrotondati.
I concetti sopracitati e altri ancora sono menzionati da Gleiss nell'articolo "Process Development for Cubic Pressure Vessels with Stretch Bars" di Gleiss et al. presentato all'ECCM20 (26-30 giugno 2022, Losanna, Svizzera). In questo articolo, cita uno studio della TUM pubblicato da Michael Roof e Sven Zaremba, il quale ha rilevato che un recipiente a pressione cubico con tiranti che collegano i lati rettangolari è più efficiente di diversi piccoli cilindri che si adattano allo spazio di una batteria piatta, fornendo circa il 25% di spazio di stoccaggio in più.
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 si riduce notevolmente e il sistema presenta 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, il design cubico del serbatoio presenta altri problemi. "Ovviamente, a causa del gas compresso, è necessario contrastare le forze di flessione sulle pareti piane", ha affermato Gleiss. "Per questo, serve una struttura rinforzata che si colleghi internamente alle pareti del serbatoio. Ma questo è difficile da realizzare con i materiali compositi."
Glace e il suo team hanno cercato di integrare delle barre di rinforzo nel recipiente a pressione in modo che fossero adatte al processo di avvolgimento dei filamenti. "Questo è importante per la produzione ad alto volume", spiega, "e ci permette anche di progettare lo schema di avvolgimento delle pareti del contenitore per ottimizzare l'orientamento delle fibre per ogni carico nella zona."
Quattro fasi per realizzare un serbatoio cubico di prova in materiale composito 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 l'obiettivo on-chain, il team ha sviluppato un nuovo concetto composto da quattro fasi principali, come mostrato sopra. I tiranti di tensione, mostrati in nero nelle fasi, sono una struttura prefabbricata realizzata utilizzando metodi mutuati dal progetto MAI Skelett. Per questo progetto, BMW ha sviluppato un telaio per il parabrezza utilizzando quattro barre di pultrusione rinforzate con fibre, che sono state poi stampate in un telaio di plastica.
Struttura di un serbatoio cubico sperimentale. Sezioni scheletriche esagonali stampate in 3D dalla TUM utilizzando filamento PLA non rinforzato (in alto), con inserimento di barre di pultrusione in CF/PA6 come tiranti (al centro) e successivo avvolgimento del filamento attorno ai tiranti (in basso). Crediti immagine: Università Tecnica di Monaco LCC.
"L'idea è quella di poter costruire la struttura di un serbatoio cubico come una struttura modulare", ha affermato Glace. "Questi moduli vengono quindi posizionati in uno stampo, i tiranti vengono inseriti nei moduli della struttura e poi il metodo MAI Skelett viene utilizzato attorno ai tiranti per integrarli con le parti della struttura." Questo metodo di produzione in serie dà origine a una struttura che viene poi utilizzata come mandrino o nucleo per avvolgere il guscio composito del serbatoio di stoccaggio.
TUM ha progettato la struttura del serbatoio come un "cuscino" cubico con lati pieni, angoli arrotondati e un motivo esagonale sulla parte superiore e inferiore attraverso il quale 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 esagonali della struttura utilizzando acido polilattico [PLA, un termoplastico di origine biologica] perché era facile ed economico", ha affermato Glace.
Il team ha acquistato 68 barre di poliammide 6 (PA6) rinforzate con fibra di carbonio pultrusa 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 distanziatori in una struttura a nido d'ape stampata in 3D e li abbiamo incollati con colla epossidica. Questo funge da mandrino per avvolgere il serbatoio". Sottolinea 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 fattibilità del progetto e identificare i problemi nel concetto di produzione”, ha spiegato Gleiss. “Quindi i tiranti sporgono dalla superficie esterna della struttura scheletrica e noi fissiamo le fibre di carbonio a questo nucleo utilizzando l'avvolgimento a filamento umido. Successivamente, nella terza fase, pieghiamo la testa di ogni tirante. Il materiale è termoplastico, quindi utilizziamo semplicemente il calore per rimodellare la testa in modo che si appiattisca e si blocchi nel primo strato di avvolgimento. Procediamo quindi ad avvolgere nuovamente la struttura in modo che la testa di spinta piatta sia geometricamente racchiusa all'interno del serbatoio. Laminato sulle pareti.
Cappuccio distanziatore per l'avvolgimento. La TUM utilizza cappucci di plastica alle estremità delle barre di tensione per impedire che le fibre si aggroviglino durante l'avvolgimento del filamento. Crediti immagine: Università Tecnica di Monaco LCC.
Glace ha ribadito che questo primo carro armato era una prova di concetto. "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 incontrato. Ad esempio, durante l'avvolgimento, i filamenti si impigliavano alle estremità delle barre di tensione, causando rotture e danni alle fibre e riducendo la quantità di fibre disponibili. Per ovviare a questo problema, abbiamo utilizzato alcuni cappucci di plastica come ausili per la produzione, posizionandoli sui pali prima della prima fase di avvolgimento. Successivamente, una volta realizzati i laminati interni, abbiamo rimosso questi cappucci protettivi e rimodellato le estremità dei pali prima dell'avvolgimento finale."
Il team ha sperimentato diversi scenari di ricostruzione. "Chi si guarda intorno è quello che lavora meglio", afferma Grace. "Inoltre, durante la fase di prototipazione, abbiamo utilizzato uno strumento di saldatura modificato per applicare calore e rimodellare le estremità del tirante. In un progetto di produzione di massa, si disporrebbe di un unico strumento più grande in grado di modellare e sagomare contemporaneamente tutte le estremità dei montanti in un laminato di finitura interna."
Teste del timone rimodellate. La TUM ha sperimentato diversi concetti e modificato le saldature per allineare le estremità dei tiranti in composito 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 ha un rivestimento in plastica come barriera ai gas. Vedere la discussione nella sezione "Passaggi successivi" di seguito.
"Abbiamo sezionato la prima demo e mappato l'area di collegamento", ha detto Glace. "Un primo piano mostra che abbiamo avuto alcuni problemi di qualità con il laminato, con le teste dei montanti che non aderivano perfettamente al laminato interno."
Risoluzione dei problemi relativi agli spazi tra il laminato delle pareti interne ed esterne del serbatoio. La testa del tirante modificata crea uno spazio tra la prima e la seconda spira del serbatoio sperimentale. Crediti immagine: Università Tecnica di Monaco LCC.
Questa prima vasca di 450 x 290 x 80 mm è stata completata la scorsa estate. "Da allora abbiamo fatto molti progressi, ma c'è ancora uno spazio tra il laminato interno ed esterno", ha detto Glace. "Quindi abbiamo cercato di riempire questi spazi con una resina pulita ad alta viscosità. Questo migliora effettivamente il collegamento tra i montanti e il laminato, il che aumenta 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 sono stati 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 disponibile sul mercato. Potrebbe diventare un progetto successivo."
"Abbiamo dimostrato la fattibilità di questo concetto di produzione", afferma Gleiss, "ma dobbiamo lavorare ulteriormente per migliorare il collegamento tra i laminati e rimodellare i tiranti. "Eseguiamo test esterni su una macchina di prova. Estraiamo i distanziali dal laminato e testiamo i carichi meccanici che quei giunti possono sopportare."
Questa parte del progetto Polymers4Hydrogen sarà completata entro la fine del 2023, data entro la quale Gleis spera di completare il secondo serbatoio dimostrativo. È interessante notare che i progetti attuali utilizzano termoplastici rinforzati puri per la struttura e compositi termoindurenti per le pareti del serbatoio. Questo approccio ibrido verrà utilizzato nel serbatoio dimostrativo finale? "Sì", ha affermato Grace. "I nostri partner nel progetto Polymers4Hydrogen stanno sviluppando resine epossidiche e altri materiali a matrice composita con migliori proprietà di barriera all'idrogeno". Ha citato due partner che lavorano a questo progetto: PCCL e l'Università di Tampere (Tampere, Finlandia).
Gleiss e il suo team hanno inoltre scambiato informazioni e discusso idee con Jaeger sul secondo progetto HyDDen relativo al serbatoio composito conformale LCC.
"Realizzeremo un recipiente a pressione in materiale composito conformabile per droni da ricerca", afferma Jaeger. "Si tratta di una collaborazione tra i due dipartimenti del Dipartimento di Ingegneria Aerospaziale e Geodetica della TUM – LCC e il Dipartimento di Tecnologia Elicotteristica (HT). Il progetto sarà completato entro la fine del 2024 e attualmente stiamo ultimando il recipiente a pressione, un design che si ispira maggiormente al settore aerospaziale e automobilistico. Dopo questa fase concettuale iniziale, il passo successivo sarà quello di eseguire una modellazione strutturale dettagliata e prevedere le prestazioni di barriera della struttura della parete."
"L'idea di base è sviluppare un drone esplorativo con un sistema di propulsione ibrido a celle a combustibile e batterie", ha continuato. Utilizzerà la batteria durante i carichi di potenza elevati (ad esempio, decollo e atterraggio) per poi passare alla cella a combustibile durante la crociera a basso carico. "Il team HT aveva già un drone di ricerca e ha riprogettato il sistema di propulsione per utilizzare sia batterie che celle a combustibile", ha affermato Yeager. "Hanno anche acquistato un carro armato CGH2 per testare questa trasmissione."
"Il mio team aveva il compito di costruire un prototipo di serbatoio a pressione che si adattasse, ma non per i problemi di ingombro 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 interamente termoplastico conforme alla normativa AFP. Per il progetto HyDDen, il team LCC della TUM ha inizialmente esplorato un approccio simile a quello utilizzato da Glace (sopra), per poi passare a una soluzione che combina diversi moduli strutturali, sovradimensionati grazie alla tecnologia AFP (sotto). Crediti immagine: Technical University of Munich LCC.
"Un'idea è simile all'approccio di Elisabeth [Gleiss]", afferma Yager, "ovvero applicare dei tiranti 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 la tecnica AFP (Automatic Forming). Pertanto, abbiamo pensato di creare una sezione separata del recipiente a pressione, in cui le strutture di supporto siano già integrate. Questo approccio mi ha permesso di combinare diversi di questi moduli integrati e poi di applicare un tappo terminale per sigillare il tutto prima dell'avvolgimento finale con la tecnica AFP."
“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 lavorando su vari aspetti relativi a come il materiale influenzerà questo comportamento di permeazione e il processo nella macchina AFP. È importante capire se il trattamento avrà un effetto e se sarà necessario un post-trattamento. Vogliamo anche sapere se diverse configurazioni 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 [polifenilene solfuro], PEEK [polietere chetone] e LM PAEK [poliaril chetone a basso punto di fusione]", ha affermato Yager. "Verranno quindi effettuati dei confronti per valutare quale sia il migliore in termini di protezione dalla penetrazione e per la produzione di componenti con prestazioni superiori". Yager 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) del programma COMET del Ministero federale per il cambiamento climatico, 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 Prove sui Polimeri), Università di Tampere (Facoltà di Ingegneria dei Materiali), Peak Technology e Faurecia per il loro contributo a questo lavoro di ricerca. Il modulo COMET è finanziato dal governo austriaco e dal governo dello stato della Stiria.
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Data di pubblicazione: 15 marzo 2023