Geavanceerde Koolstofvezel Drukvaten: Optimaliseren Waterstofopslag voor een Duurzame Toekomst

Waterstof als een CO2-vrije alternatief voor fossiele brandstoffen is al decennia op de horizon, en groei in koolstofvezel-versterkte kunststof (CFRP) drukvaten voor waterstofopslag is zeker op de rijst. Maar in 2020 werd waterstof een mandaat, geïdentificeerd door de Europese Commissie (EC) als een sleutelprioriteit om de European Green Deal voor een duurzame economie en klimaatneutrale EU tot 2050 te halen. Sleutelgebeurtenissen voor waterstof in de luchtvaart omvatten:

• Mei 2020 — Clean Sky 2 en The Fuel Cells and Hydrogen Joint Undertaking (FCH JU) publiceerden "Hydrogen-powered aviation," detailrend hoe kortafstand (85-165 passagiers) waterstof-aangedreven vliegtuigen entry into service (EIS) kunnen bereiken tot 2030-2035.
• Juni 2020 — Frankrijk's $17 miljard pandemie herstelprogramma is gekoppeld aan doelen uit het "Hydrogen-powered aviation" rapport; Air France zegt CO2 emissies te halveren voor binnenlandse vluchten tot 2024.
• Juli 2020 — EC publiceert "A hydrogen strategy for a climate-neutral Europe," roepende op een €65 miljard investering voor waterstoftransport, distributie, opslag en tankstations, vermeldend ondersteunende beleidsregels en financieringsmechanismen inclusief de Clean Hydrogen Partnership en ETS Innovation Fund (€10 miljard tijdens 2020-2030).
• Juli 2020 — Airbus CEO Guillaume Faury, in een interview met Aviation Week editor Graham Warwick, committeert tot de eerste gedecarboniseerde vliegtuig EIS tot 2035; hij voorspelt programmalancering tot 2027-28 en rijping van noodzakelijke technologieën tot 2025.
• Juli 2020 — ZeroAvia (Hollister, Californië, VS) voltooit testvlucht van eenmotorige, zes-zitplaats Piper vliegtuig gemodificeerd om gecomprimeerde waterstof (H2) gas te gebruiken en onthult VS-gebaseerde testvluchten voor een vergelijkbaar gemodificeerde twin-turboprop, 19-zitplaats Dornier Do 228 per zijn roadmap om een 20-zitplaats, H2-aangedreven vliegtuig met 500 mijl bereik te certificeren tot 2023.
• Augustus 2020 — Universal Hydrogen (Los Angeles, Californië, VS) kondigt twin tank modules aan voor een 50-zitplaats vliegtuig (zie foto), plus tanklogistiek en infrastructuur voor regionale luchtvaartmaatschappijen/operators om commercieel te zijn tot 2024.

Waterstof's levensvatbaarheid als brandstofbron — ongeacht industrie — hangt af van snelle ontwikkeling van een verscheidenheid aan transport, levering en opslagtechnologieën die jong maar snel evolueren. Het commercialiseren van deze technologieën zal niet simpel zijn, maar ze worden aangepakt. Hieronder een samenvatting van sommige werkzaamheden.

Universal Hydrogen

Opgericht in 2020 door Paul Eremenko, ex-CTO voor Airbus SE (Leiden, Nederland) en United Technologies Corp. (Farmington, Connecticut, VS), is Universal Hydrogen's doel om de overgang naar waterstof-aangedreven luchtvaart te helpen door een waterstof tankinfrastructuur te leveren. Een sleutelcomponent is zijn brandstofmodule bestaande uit tweeling H2 opslagtanks in een koolstofvezel-versterkte polymer (CFRP) frame. "We zullen de modules naar de locatie leveren zoals nodig, dus er is geen behoefte aan waterstofopslaginfrastructuur," legt Universal Hydrogen CTO J.P. Clarke uit. "De modules worden gewoon in het vliegtuig geladen als een batterij of galley voorraden."

Modules zijn eerst ontwikkeld voor de 50-zitplaats Dash 8 en ATR turboprop regionale vliegtuigen. Deze modules zullen 7-voet lange bij 3-voet diameter tanks hebben, die ofwel koolstofvezel gebruiken om H2 gas op 850 bar te houden met een dichtheid van 50 kg/m³, of geïsoleerde metalen tanks om vloeibare H2 (LH2) standaard druk en temperatuur te houden met een dichtheid van 71 kg/m³. Hoewel de LH2 tanks hogere volumetrische efficiëntie bieden, moeten de geïsoleerde maar ongekkoelde tanks binnen 42 uur gebruikt worden omdat LH2 verdampt als niet bij -253°C gehouden. "Beide type tanks zullen zitten binnen een lichtgewicht, structureel-geoptimaliseerd composiet frame dat ook impactweerstand en enige lastdragende capaciteiten leent," zegt Clarke.

De H2 gas tanks zullen een impermeabele polymer liner omvatten gewikkeld met lagen droge koolstofvezel vlecht en een Kevlar aramide vezel beschermende buitenlaag. "Er is geen behoefte aan hars," legt Clarke uit. "De liner adresses permeabiliteit, terwijl de koolstofvezel de hoop- en axiale lasten aanneemt en de buitenlaag plus frame schade voorkomt; dus gewicht en dikte worden gereduceerd. Dit geïntegreerde tank en frame ontwerp, gecombineerd met de mapping van functies naar elk van de tanklagen, heeft ons toegestaan om enkele significante verbeteringen in de massafractie te krijgen."

Massafractie wordt berekend door de massa van de opgeslagen waterstofmassa te delen door die van de hele module, dus hoe groter de massafractie, hoe beter. "We deden een zeer uitgebreide trade-off studie kijkend naar massafractie en volumetrische efficiëntie in de context van de Dash 8 en ATR vliegtuigen," merkt Clarke op. "Dus, u kijkt naar volume en gewicht van brandstof versus wat in deze vliegtuigen past, bereikbare bereik en maximum afvanggewicht, gewichtsverdeling, etc. Met H2 gas op 850 bar, kunnen we ongeveer 400 zeemijlen vliegen met een 45-minuten reserve en ongeveer 550 zeemijlen met de LH2 tanks. Echter, de gemiddelde etapelenngte voor een turboprop missie is rond 300 zeemijlen, dus de overgrote meerderheid van deze vluchten kan gedaan worden met een gasvormige H2 systeem met CFRP tanks."

Zal Universal Hydrogen partner worden met een composiet tank fabrikant? "Onze strategie is om te partneren waar het zinvol is en vast te houden aan ons core business," zegt Clarke. Herhaalt Universal Hydrogen's focus: "We willen de leverancier zijn van de brandstof en de infrastructuur. We zullen de modules leveren, en we zullen ze daar brengen waar ze nodig zijn zodat onze partners zich kunnen focussen op de rest van het vliegtuigontwerp en operatie. Ons doel is om een enabler te zijn van waterstof-aangedreven luchtvaart."

SpaceTech4Sea

Net als luchtvaart, komt scheepvaart ook onder regulaties ontworpen om CO2 en andere broeikasgas (GHG) emissies te reduceren. Vanaf januari 2018 moeten schepen van meer dan 5.000 bruto ton die laden of lossen goederen of passagiers in havens in de Europese Economische Ruimte (EER) hun CO2 emissies monitoren en rapporteren. Nog verder, als deel van zijn MARPOL conventie om vervuiling van schepen te reduceren, heeft de International Maritime Organization (IMO) gemandateerd vanaf januari 2020 dat zwavel in brandstofolie moet worden gereduceerd van 3,50% m/m (massa per massa) naar 0,50%. De IMO heeft ook zich gecommitteerd tot een initiële GHG strategie om een 50% reductie na te streven tot 2050 vergeleken met 2008 niveaus.

"De beste mogelijkheid om in compliance te zijn is om initieel over te schakelen naar vloeibaar aardgas (LNG)," zegt Dr. Panayotis Zacharioudakis, managing director van Ocean Finance (Athene, Griekenland), een adviseursbureau dat maritieme duurzaamheid bevordert en coördinator van de EC projecten SuperGreen en SpaceTech4Sea. SuperGreen zal een duurzaam en groen transportsysteem in Griekenland creëren bestaande uit elektrische commuterschpen en twee hybride LNG/elektrische catamarans die de haven van Piraeus verbinden met andere havens in het oostelijk Mediterraan netwerk. "Voor dit project bouwen we een high-speed ferry in CFRP," legt Zacharioudakis uit. "Als we een state-of-the-art metalen LNG tank gebruikten, zou het zeven metriek ton wegen, wat gelijkstaat aan een beetje meer dan 70 passagiers [100 kilogram per persoon met bagage]. Dus, we zouden de passagierscapaciteit met 70 moeten verminderen."

Waarom het extra gewicht? "Vergeleken met diesel, moet LNG opgeslagen worden bij cryogene -163°C en de metalen tanks moeten materialen, constructie, isolatie en operatiesystemen gebruiken die voldoen aan de IMO's eisen voor gasvormige brandstoffen, of IGF code," zegt Zacharioudakis. Voor Ocean Finance was het extra gewicht niet acceptabel, dus het begon met het onderzoeken van mogelijke oplossingen en vond een rapport over cryotanks die Cimarron Composites (Huntsville, Alabama, VS) ontwikkelde met NASA.

"Dit is toen we het EASME (European Agency for SMEs) SpaceTech4Sea project startten," zegt Zacharioudakis. "Het idee is om luchtvaarttechnologie te modificeren voor maritieme toepassingen." De derde projectpartner is classificatie-maatschappij American Bureau of Shipping (ABS, Houston, Texas, VS), die de technologie zal valideren en kwalificeren. In september 2019 verleende ABS approval in principle (AIP) voor Cimarron's conceptuele ontwerp van een ultralicht, cryo-capabel composiet LNG tank. Sindsdien heeft het sub- en full-scale tanks gebouwd en getest voor certificering. "Ze hebben net de laatste testen afgerond," zegt Zacharioudakis. "Over een beetje meer dan twee maanden zullen we een volledige certificering hebben voor composiet LNG tanks voor de mariene markt. Deze tank zal gewichtsbesparing van meer dan 85% bieden versus een conventionele metalen tank."

Hoewel de meeste van de tank specificaties eigendom zijn, zegt Cimarron Composites oprichter en president Tom DeLay dat het gemaakt is met koolstofvezel en een geavanceerde thermoharder hars met behulp van enige harsinfusie en nat filament winding. "We hebben 25-inch en 40-inch diameter tanks getest en praten met de CFRP ferry bouwer voor SuperGreen over tanks met een capaciteit van vijf kubieke meter [5.000 liter], wat bereikt kan worden met een tank van 2 meter diameter en 2,5 meter lang." Ocean Finance ziet een markt voor meer dan duizend dergelijke tanks en zal met Cimarron samenwerken om geautomatiseerde productie tot stand te brengen, mogelijk in Griekenland.

En wat met waterstof? "Zelfs terwijl we deze LNG projecten afronden, hebben we begonnen naar waterstof te kijken," merkt Zacharioudakis op. "Er is zoveel interesse, activiteit en nu financiering beschikbaar in Europa. Een issue is echter dat maritieme regulaties specificeren dat tanks een houduur van maximaal 15 dagen voor LNG moeten bieden. Dit zal hetzelfde zijn voor LH2." DeLay geeft toe dat het ontwikkelen van een cryo-capabel tank voor LH2 (-253°C, zie boven) veel moeilijker is dan voor LNG (-196°C); onder de uitdagingen is het vinden van materialen die ontrekking en barsting kunnen weerstaan. Hij werkt nu met Ocean Finance om een trade-off studie te voltooien, kijkend naar de technische en economische factoren van het gebruik van vloeibare versus gasvormige H2 voor maritieme schepen.

Neptune tanks voor H2 gas

Opvallend, heeft Cimarron Composites al een Type IV CFRP tank ontwikkeld voor high-pressure opslag van waterstof en andere gassen. "Onze oorspronkelijke Jupiter tank was ontwikkeld voor het transport van de meeste industriële gassen, inclusief waterstof, bij een druk van 4.350 psi [300 bar]," zegt DeLay. "Waterstof wordt echter effectiever getransporteerd bij hogere drukken, waarom we de 7.500 psi [517 bar] Neptune tank ontwikkelden."

Zowel Jupiter als Neptune tanks hebben de talloze tests per UN ISO 11515 eisen gehaald en zijn beschikbaar in een reeks diameters en lengtes tot 26 voet. "Deze tanks zijn ontwikkeld voor verzending in standaard modules per vrachtwagon, trein of schip," merkt DeLay op. "We hebben gevonden dat een 30-inch diameter een ideale pakefficiëntie heeft, ons toelatend meer waterstof te transporteren dan met grotere diameter cylinders. Met een 19-voet lengte, kunnen we negen tanks in een standaard 20-voet container passen. Bij 67 kilogram waterstofgas per tank, kunnen we 600 kilogram in een 20-voet container en 1.200 kilogram in een standaard 40-voet container verplaatsen."

"We kopen koolstofvezel van alle hoofdlevers, inclusief Toray [Tokyo, Japan], Mitsubishi Rayon [Tokyo], Teijin [Rockwood, Tennessee, VS] en Hyosung [Seoel, Zuid-Korea]," voegt DeLay toe, "maar voor Neptune hebben we gekwalificeerd met drie verschillende leveranciers tegelijkertijd. We formuleren de hars zelf met commercieel beschikbare producten en controleren het vezel- en harsgehalte alsook de spanning tijdens filament winding en oven cure cyclus heel strak om thermische spanning te voorkomen. Al dit voegt toe aan de mechanische prestaties van de tanks."

Ongeacht of de behoefte is voor cryogene vloeistofopslag of high-pressure gasopslag, ziet DeLay de kansen groeien. "Het heeft ons jaren gekost om onze expertise te ontwikkelen," zegt hij, "startend van brandstoftanks voor raketten tot de grote opslag- en transporttanks die we nu ontwikkelen en produceren. Een jaar geleden was ik sceptisch over waterstof, denkend dat de enige reden ervoor een push door de overheid was. Maar nu krijgen we heel grote bestellingen en allerhande verzoeken. We kunnen zien dat, wereldwijd, een wijd bereik aan industrieën serieus investeert in waterstof en regeringen deze ontwikkeling ondersteunen. Het lijkt alsof we klaar zijn met de juiste producten op het juiste moment."