STELIA Aerospace Composites Innovateert in Waterstofopslag

CW lezers zullen weten over STELIA Aerospace (Toulouse, Frankrijk) van onze dekking van zijn thermoplastische composite vliegrumpf demonstrator in het ARCHES TP project en mijn tour van de Méaulte faciliteit in 2019. Het bedrijf heeft echter een diepe put aan composietexpertise, verspreid over meerdere locaties, onderdelen en processen. STELIA Aerospace Composites (Salaunes, Frankrijk) ligt buiten Bordeaux. De site emploieert 330 mensen met 40.000 vierkante meter werkplaatsen en een eigen geïntegreerd testlaboratorium. Het omvat ook drie kernzaken: vliegtuigstructuren, vliegtuigcabine componenten en filament-gewonden gasopslagsysteem. De laatste kan gebruikt worden voor alles van zuurstof tot stikstof tot waterstof, en is al meer dan 35 jaar een kernzaken.

Ervaring in Luchtvaart Tanks

Als dochter van STELIA Aerospace, is de meeste productieervaring van STELIA Aerospace Composites met drukvatten voor luchtvaart- en defensietoepassingen. "We hebben industriële filament winding capaciteit voor tanks tot 5.000 liter," zegt Blois, "en specialiseren ons in het complete ontwerp van tanks, afgestemd op de technische behoeften van onze klant. Dit omvat dimensionering, materialentesten en selectie en finite element analyse (FEA) modellering, alsmede kwalificatie testen (zoals drukcycli en barst) en monitoring van certificeringscampagnes om te voldoen aan de diverse industriestandaarden en regulaties."

Hij wijst erop dat in minder dan 18 maanden, STELIA Aerospace Composites het ontwerp voor een belangrijke satelliettank toepassing voltooide, compliant met de ruimtevaartindustrie's kwalificatiestandaarden en met volledig geoptimaliseerde productiekosten. "We hebben het gekwalificeerd, geïndustrialiseerd en we zijn nu bezig met het voltooien van vier productieseries."

Waterstof Tanks Vooruitgang

STELIA Aerospace Composites heeft composiet tanks voor waterstofopslag geproduceerd variërend van 2,4 tot 143 liter en drukken van 100 tot 700 bar. "We zijn een leider in tankontwerp en we hebben een heel groot ecosysteem waarmee we werken," zegt Blois.

In november 2016 kondigde STELIA Aerospace Composites aan dat het een nieuwe 140-liter koolstofvezel/epoxy composiet opslagtank voor waterstof had ontwikkeld gericht op verbetering van bereik voor brandstofcel elektrische voertuigen (FCEV's). Dit is ruwweg hetzelfde volume waterstof opgeslagen in de 2021 Toyota Mirai en Honda Clarity FCEV's, zoals te zien is in de tabel in Fig. 1. Echter, alleen de Clarity gebruikt een enkele tank. De andere twee FCEV's momenteel in productie — de Mirai en de Hyundai Nexo — gebruiken allebei drie tanks.

Faurecia kondigde in een mei 2017 persbericht aan dat het een exclusieve licentie had verworven op de intellectuele eigendom en proces know-how betreffende composiet waterstoftanks van STELIA Aerospace Composites. In april 2018 toonden de twee bedrijven gezamenlijk een high-tech waterstofopslag tank prototype op het Hyvolution evenement in Parijs. Faurecia legde uit dat het streefde om een leider te worden in brandstofceltechnologie, voorspellend dat 5 miljoen FCEV's operationeel zullen zijn tot 2035.

Zoals ik uitlegde met mijn co-auteur Mike Favaloro in het 2021 SAMPE papier getiteld, "Projected growth rate of carbon fiber usage in hydrogen powered vehicles", is het hoofdkwestie voor gecomprimeerde gastanks de lage volumetrische dichtheid van waterstofgas. Zelfs bij een druk van 700 bar, moeten gecomprimeerde gas (CGH₂) tanks groter zijn dan vloeibare waterstof (LH₂) tanks. Bijvoorbeeld, 5 kilogram waterstof gas kan opgeslagen worden in een 125-liter tank bij 700 bar en kamertemperatuur terwijl 5 kilogram vloeibare waterstof kan opgeslagen worden in een 75-liter tank bij atmosferische druk en een cryogene -252,87°C (bron: "How is Hydrogen Stored?" door Air Liquide). Dit is waarom de luchtvaartindustrie kijkt naar LH₂ voor vliegtuigen en waar automakers oplozingen zoeken voor de ruimte- en gewichtsproblemen van CGH₂ tanks. Ook de hogere druk en grote grootte nodig om het vereiste voertuigbereik te halen door verschillende auto- en vrachtwfabricanten vergroot de hoeveelheid koolstofvezel-versterkt composiet nodig, en dus tankkosten.

Kijkend op de grafiek en tabel hierboven, bereikt de 69-liter tank ontwikkeld door Faurecia een hogere massafractie dan de drie 2021 FCEV auto's momenteel in productie. Let op: de massafractie is de verhouding van waterstofgasmassa tot het tanksysteemmassa en ook aangeduid als de opslagefficiëntie. Het enige systeem met een hogere opslagefficiëntie dan die gerapporteerd door Faurecia is een prototype cryo-gecomprimeerde (CcH₂) tank/CGH₂ tank combinatie ontwikkeld door BMW en gerapporteerd op van 2012-2015. Dat systeem — wat momenteel niet beschikbaar is voor productievoertuigen — is een hybride tussen LH₂ en CGH₂ systemen. Door gebruik te maken van koude temperaturen (bijv. 233°C tot -193°C) maar ook druk (bijv. 350 bar), claimde BMW dat het mogelijk is om uitkookproblemen in traditionele LH₂ tanks te elimineren terwijl opslagdichtheden veel hoger worden bereikt dan CGH₂ en zelfs LH₂ systemen.

Toekomstige H₂ Tank Ontwikkeling

Als chief technical officer voor STELIA Aerospace Composites, is Blois al 30 jaar bij het bedrijf. Ik vraag hem over het werk van zijn bedrijf met Air Liquide en of het wereldwijde industriële gasbedrijf serieus kan zijn over het ontwikkelen van composiet opslagtanks. "Ze zijn geïnteresseerd in composiet tanks voor waterstof, en we hebben met ze gewerkt," zegt hij. "In het algemeen worden composieten echt alleen gebruikt voor mobiele systemen vanwege de hoeveelheid waterstof nodig voor voertuigbereik en een duw om gewicht te verminderen om dat bereik te verlengen. Voor stationaire toepassingen is er niet veel belangstelling voor een composietoplossing." Blois wijst erop dat de meeste stationaire waterstofopslag toepassingen bij lagere drukken werken. "Composiet tanks maken zin als je werkt bij 700 bar, maar niet als je werkt bij drukken tot 200 bar. Daarvoor kun je een metalen tank gebruiken."

Kunnen grote tanks drukken groter dan 700 bar gebruiken? "Drukken tot 1.000 bar kunnen overwogen worden," zegt Blois. "De dikte van de composietwanden in de tank is direct gekoppeld aan de dienst-druk en de tankdiameter. Momenteel is er een limiet in de tankwanddikte waarbuiten de prestaties van de composieten afnemen."

Wat over vloeibare versus gecomprimeerde gas waterstof voor luchtvaart? "Vanwege de grote hoeveelheid waterstof nodig in een vliegtuig, is de hogere dichtheid van cryogeen gas interessanter dan gecomprimeerd gas," zegt Blois. "Echter, het is moeilijk om een temperatuur van 40 K tot 80 K [-233°C tot -193°C] in tanks voor zo'n lange tijd te behouden. Het is nog steeds nodig om aan technische oplossingen te werken."

Is er een kans om thermoplastische composieten in waterstoftanks te gebruiken? "Voor de structuur van het vat in toekomstige tanks, maar niet voor vandaag," zegt Blois. "Voor 700-bar tanks op grote schaal vandaag, is het niet efficiënt om thermoplastische composieten te gebruiken en de prestaties in het tankvat te bereiken. Echter, de technologie van de thermoplastische liners (voor type IV tanks) is inderdaad cruciaal voor de tankprestaties, en in de toekomst kan een globaal thermoplastische tank de recycleerbaarheid en duurzaamheid vergroten."

Waar zie je de markt voor composiet waterstofopslagtanks in de komende vijf tot tien jaar? "In de eerste vijf jaar denken we dat het werk zal doorgaan aan waterstofgastanks, en er is nog veel huiswerk voor ons om te doen," zegt Blois. "Wetende dat de eerste tests in vliegtuigen nu worden uitgevoerd met waterstofgasopslag, zal er enige tijd nodig zijn om de benodigde technologie te ontwikkelen en rijpgereidheid te bereiken op vloeibare waterstofopslag, maar dat zou in enkele jaren mogelijk moeten zijn."

Waar zal STELIA Aerospace Composites doorgaan met het vooruitgang van waterstofopslag? "Onze sleutelfocus is luchtvaart en ruimtevaart," zegt Blois, "maar we zijn open voor discussies en we voelen ons heel verantwoordelijk om te helpen met de overgang naar nul emissies. We zijn ook in staat om operatie te starten voor mid-seriële productie van hoge-druk (700 bar) tanks en alle kansen te evalueren."