STELIA Aerospace Composites инновирует в хранении водорода

Читатели CW знают о STELIA Aerospace (Тулуза, Франция) из нашего освещения демонстратора фюзеляжа из термопластиковых композитов в проекте ARCHES TP и моего тура по объекту Меольт в 2019 году. Однако у компании глубокий резерв экспертизы в композитах, охватывающий множество локаций, деталей и процессов. STELIA Aerospace Composites (Салон, Франция) находится за пределами Бордо. Объект нанимает 330 человек с 40 000 кв. м мастерских и собственной интегрированной тестовой лабораторией. Он также включает три основных бизнес-сегмента: аэроструктуры, компоненты кабины самолетов и нитевитые газовые накопительные системы. Последние могут использоваться для чего угодно — от кислорода до азота и водорода, и являются основным бизнес-сегментом уже более 35 лет.

STELIA Aerospace Composites была основана в 1984 году как часть Aerospatiale. С 1985 года этот объект в Салоне произвел более 70 000 композитных обмотанных (Тип II, III и IV) высокодавленных баллонов для различных применений. Работа компании с хранением водорода началась в 1998 году с разработки баллона 9 литров / 700 бар для Французского комиссии по альтернативной энергии и атомной энергии (CEA, Париж). STELIA Aerospace Composites также работала с французским автопроизводителем Groupe PSA (Париж) — теперь объединенным с Fiat Chrysler в Stellantis — и глобальной промышленной газовой компанией Air Liquide (Париж, Франция). Она также работала с автомобильным поставщиком 1-го уровня Faurecia (Нантерр, Франция), который стремится стать лидером в системах топливных элементов.

«STELIA Aerospace Composites хорошо известна в области газовых накопительных систем под давлением», — говорит Кристоф Блуа, технический директор STELIA Aerospace Composites. «Но теперь, со всеми различными объявлениями о зеленых самолетах и переходом к нулевым выбросам, поддерживаемым французским и ЕС правительствами, мы получаем все больше и больше обращений от компаний».

Опыт в аэрокосмических баках

Как дочерняя компания STELIA Aerospace, большинство производственного опыта STELIA Aerospace Composites касается сосудов под давлением для аэрокосмических и оборонных применений. «У нас есть производственная мощность нитевития для баков до 5000 литров», — говорит Блуа, «и мы специализируемся на полном дизайне баков, адаптированном под технические потребности клиента. Это включает размерность, тестирование материалов и выбор, моделирование конечных элементов (FEA), а также квалификационное тестирование (такое как циклическое давление и разрыв) и мониторинг кампаний сертификации для соответствия различным отраслевым стандартам и регулированиям».

Он указывает, что за менее чем 18 месяцев STELIA Aerospace Composites завершила дизайн для важного спутникового бака, соответствующего стандартам квалификации космической отрасли и с полностью оптимизированными производственными затратами. «Мы квалифицировали его, промышленно освоили и сейчас находимся в процессе завершения четырех производственных серий».

Продвижение водородных баков

STELIA Aerospace Composites произвела композитные баки для хранения водорода объемом от 2,4 до 143 литров и давлением от 100 до 700 бар. «Мы лидеры в дизайне баков и у нас очень большая экосистема, с которой мы работаем», — говорит Блуа.

В ноябре 2016 года STELIA Aerospace Composites объявила, что разработала новый 140-литровый композитный бак для хранения водорода из углеродного волокна/эпоксидной смолы, направленный на увеличение пробега автомобилей на топливных элементах (FCEV). Это примерно тот же объем водорода, что хранится в FCEV Toyota Mirai 2021 года и Honda Clarity, как видно в таблице на Рис. 1. Однако только Clarity использует один бак. Другие два FCEV, находящиеся в производстве — Mirai и Hyundai Nexo — оба используют три бака.

Faurecia объявила в пресс-релизе мая 2017 года, что приобрела эксклюзивную лицензию на интеллектуальную собственность и процессное ноу-хау касательно композитных водородных баков от STELIA Aerospace Composites. В апреле 2018 года две компании совместно представили прототип передового водородного бака на мероприятии Hyvolution в Париже. Faurecia объяснила, что стремится стать лидером в топливной элементной технологии, предсказывая, что к 2035 году будет работально 5 миллионов FCEV.

Как я объяснял с моим соавтором Майком Фавалором в статье SAMPE 2021 года «Проектируемый темп роста использования углеродного волокна в водородных автомобилях», главная проблема для сжатых газовых баков — низкая объемная плотность водородного газа. Даже при давлении 700 бар, сжатые газовые (CGH₂) баки должны быть больше, чем баки жидкого водорода (LH₂). Например, 5 кг водородного газа можно хранить в 125-литровом баке при 700 бар и комнатной температуре, в то время как 5 кг жидкого водорода можно хранить в 75-литровом баке при атмосферном давлении и криогенной температуре -252,87 °C (источник: «Как хранится водород?» Air Liquide). Именно поэтому авиационная отрасль смотрит на LH₂ для самолетов, а автопроизводители ищут решения проблем пространства и веса CGH₂ баков. Также более высокое давление и большой размер, необходимые для достижения требуемого пробега разными авто- и грузовиками, увеличивают количество композита с углеродным волокном, а значит и стоимость бака.

Смотря на график и таблицу выше, 69-литровый бак, разработанный Faurecia, достигает более высокой массовой доли, чем три FCEV 2021 года в производстве. Примечание: массовая доля — это отношение массы водородного газа к массе баковой системы, также называемое эффективностью хранения. Единственная система с более высокой эффективностью хранения, чем у Faurecia, — прототип крио-сжатого (CcH₂) бака / CGH₂ бака, разработанный BMW и сообщаемый с 2012 по 2015 год. Эта система — гибрид между системами LH₂ и CGH₂. Используя низкие температуры (например, 233 °C до -193 °C) но также давление (например, 350 бар), BMW утверждала, что возможно устранить проблемы кипения в традиционных LH₂ баках, достигая плотностей хранения намного выше систем CGH₂ и даже LH₂.

Обсуждение будущего развития H₂ баков

Как технический директор STELIA Aerospace Composites, Блуа находится в компании 30 лет. Я спрашиваю его о работе компании с Air Liquide и может ли глобальная промышленная газовая компания быть серьезной в разработке композитных накопительных баков. «Они заинтересованы в композитных баках для водорода, и мы работали с ними», — говорит он. «В общем, композиты действительно используются только для подвижных систем из-за количества водорода, необходимого для пробега автомобиля, и стремления снизить вес для увеличения этого пробега. Для стационарных применений не было большого интереса к композитным решениям». Блуа также указывает, что большинство стационарных применений хранения водорода работают при более низких давлениях. «Композитные баки имеют смысл, если вы работаете при 700 бар, но не если вы работаете при давлениях до 200 бар. Для этого можно использовать металлический бак».

Могут ли большие баки использовать давления выше 700 бар? «Давления до 1000 бар могут рассматриваться», — говорит Блуа. «Толщина композитных стенок бака напрямую связана с рабочим давлением и диаметром бака. В настоящее время есть предел толщины стенки бака, за которым производительность композитов снижается».

Что насчет использования жидкого против сжатого газа водорода для авиации? «Из-за большого количества водорода, необходимого в самолете, более высокая плотность криогенического газа более интересна, чем сжатый газ», — говорит Блуа. «Однако трудно поддерживать температуру 40 К до 80 К [-233 °C до -193 °C] в баках так долго. Все еще необходимо работать над техническими решениями».

Есть ли возможность использовать термопластиковые композиты в водородных баках? «Для структуры сосуда в будущих баках, но не для сегодня», — говорит Блуа. «Для 700-барных баков в большом масштабе сегодня неэффективно использовать термопластиковые композиты и достигать производительности в сосуде бака. Однако технология термопластиковых лайнеров (для баков типа IV) действительно ключева для производительности бака, и в будущем глобальный термопластиковый бак может увеличить перерабатываемость и устойчивость».

Где вы видите рынок композитных водородных накопительных баков в ближайшие 5–10 лет? «В первые пять лет мы думаем, что работа продолжится над сжатыми газовыми баками, и у нас еще много домашней работы», — говорит Блуа. «Зная, что первые тесты в авиации теперь проводятся с использованием сжатых газовых баков, потребуется время для разработки необходимой технологии и достижения зрелости хранения жидкого водорода, но это должно быть возможно через несколько лет».

Где STELIA Aerospace Composites продолжит работу по продвижению хранения водорода? «Наш ключевой фокус — аэронавтика и космос», — говорит Блуа, «но мы открыты для обсуждений и чувствуем себя очень ответственными за помощь в переходе к нулевым выбросам. Мы также способны начать операцию для среднесерийного производства высокодавленных (700 бар) баков и продолжать оценивать все возможности».