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水素用圧力容器内の炭素繊維

CO 2 としての水素 -化石燃料に代わる無料の代替燃料が何十年にもわたって注目されており、水素貯蔵用の炭素繊維強化プラスチック(CFRP)圧力容器の成長は確実に高まっています。しかし2020年に、水素は義務となり、欧州委員会(EC)によって、2050年までに持続可能な経済と気候に中立なEUのための欧州グリーンディールを達成するための重要な優先事項として特定されました。航空における水素の主要なイベントは次のとおりです。

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燃料源としての水素の実行可能性は、業界に関係なく、若いが急速に進化しているさまざまな輸送、配送、保管技術の急速な発展にかかっています。これらの技術の商業化は簡単ではありませんが、対処されています。以下は、行われているいくつかの作業の要約です。

ユニバーサル水素

エアバスSE(オランダ、ライデン)とユナイテッドテクノロジーズコーポレーション(米国、コネチカット州ファーミントン)の元CTOであるポールエレメンコによって2020年に共同設立されたユニバーサルハイドロジェンの目標は、水素を供給することで水素を動力源とする航空への移行を支援することです。燃料供給インフラ。重要なコンポーネントの1つは、ツインH 2 で構成される燃料モジュールです。 炭素繊維強化ポリマー(CFRP)フレームの貯蔵タンク。 「モジュールは必要に応じて現場に供給されるため、水素貯蔵インフラストラクチャは必要ありません」と、Universal Hydrogen CTO J.P.Clarke氏は説明します。 「モジュールは、バッテリーやギャレー用品のように飛行機に簡単に搭載されます。」

写真提供者:ユニバーサル水素

モジュールは、50席のダッシュ用に最初に開発されました。 8および ATR ターボプロップリージョナル航空機。これらのモジュールは、長さ7フィート、直径3フィートのタンクを備え、いずれかの炭素繊維を使用してH 2 を保持します。 50 kg / m 3 の密度を達成する850バールのガス 、または液体H 2 を保持するための断熱金属タンク (LH 2 )標準の圧力と温度で71 kg / m 3 を達成 密度。 LH 2 タンクはより高い体積効率を提供します。LH 2 であるため、断熱されているが冷却されていないタンクは42時間以内に使用する必要があります。 -253°Cに保たないと気化する。 「どちらのタイプのタンクも、軽量で構造的に最適化された複合フレーム内に配置され、耐衝撃性と耐荷重性も備えています」とクラーク氏は言います。

H 2 ガスタンクには、乾燥炭素繊維ブレードの層で包まれた不浸透性のポリマーライナーとケブラーアラミド繊維保護外層が含まれます。 「樹脂は必要ありません」とクラークは説明します。 「ライナーは透過性に対応し、カーボンはフープとアキシアル荷重を処理し、外層とフレームは損傷を防ぎます。したがって、重量と厚さが減少します。この統合されたタンクとフレームの設計を、各タンク層への機能のマッピングと組み合わせると、質量分率を大幅に改善することができました。」

質量分率は、貯蔵された水素の質量をモジュール全体の質量で割って計算されます。したがって、質量分率が大きいほど良いです。 「ダッシュのコンテキストで質量分率と体積効率を調べた非常に広範な貿易調査を行いました。 8および ATR 航空機」とクラークは述べています。 「つまり、燃料の量と重量と、これらの航空機に収まるもの、達成可能な範囲と最大離陸重量、重量配分などを調べています。H 2 ガスが850バールの場合、45分の予備で約400海里、LH 2 で約550海里を飛行できます。 タンク。ただし、ターボプロップミッションの平均ステージ長は約300海里であるため、広大 これらの飛行の大部分は、ガス状のH 2 で行うことができます。 CFRPタンクを使用したシステム。」

ユニバーサル水素は複合タンクメーカーと提携しますか? 「私たちの戦略は、それが理にかなっているところで提携し、私たちのコアビジネスに固執することです」とクラークは言います。彼はユニバーサル水素の焦点を繰り返します。「私たちは燃料とインフラストラクチャのプロバイダーになりたいです。モジュールを提供し、パートナーが航空機の設計と運用の残りの部分に集中できるように、モジュールを必要な場所に配置します。私たちの目標は、水素を動力源とする航空を実現することです。」

SpaceTech4Sea

航空と同様に、輸送もCO 2 を削減するように設計された規制の下にあります。 およびその他の温室効果ガス(GHG)排出量。 2018年1月から、欧州経済領域(EEA)の港で貨物または乗客を積み降ろしする5,000総トンを超える船舶は、CO 2 を監視および報告する必要があります。 排出量。さらに、船舶による汚染を削減するためのMARPOL条約の一環として、国際海事機関(IMO)は、2020年1月から、燃料油中の硫黄を3.50%m / m(質量質量)から0.50%に削減することを義務付けています。 IMOはまた、2008年のレベルと比較して2050年までに50%の削減を追求するための初期のGHG戦略に取り組んでいます。

「コンプライアンスを遵守するための最善の可能性は、最初に液化天然ガス(LNG)に移行することです」と、海洋の持続可能性を推進し、ECプロジェクトのコーディネーターであるOcean Finance(ギリシャ、アテネ)のマネージングディレクターであるDr. PanayotisZacharioudakisは述べています。 SuperGreenとSpaceTech4Sea。 SuperGreenは、ギリシャに持続可能なグリーン輸送システムを構築します。これは、電気通勤船と、ピレウス港を地中海東岸ネットワークの他の港に接続する2つのハイブリッドLNG /電気カタマランで構成されます。 「このプロジェクトでは、CFRPで高速フェリーを建造しています」とZacharioudakis氏は説明します。 「最先端の金属製LNGタンクを使用した場合、重量は7メートルトンになります。これは、乗客70人強[手荷物1人あたり100キログラム]に相当します。したがって、乗客定員を70人減らす必要があります。」

なぜ余分な重量? 「ディーゼルと比較して、LNGは極低温-163°Cで保管する必要があり、金属タンクは、ガス燃料またはIGFコードに対するIMOの要件を満たす材料、構造、断熱材、およびオペレーティングシステムを使用する必要があります」とZacharioudakis氏は述べています。 Ocean Financeの場合、余分な重量は受け入れられなかったため、考えられる解決策の調査を開始し、NASAで開発されたクライオタンクCimarron Composites(米国アラバマ州ハンツビル)に関するレポートを見つけました。

「これは、EASME(European Agency for SMEs)SpaceTech4Seaプロジェクトを開始したときです」とZacharioudakis氏は言います。 「アイデアは、海事アプリケーション向けに航空宇宙技術を変更することです。」 3番目のプロジェクトパートナーは、米国船級協会(ABS、ヒューストン、テキサス州、米国)であり、この技術を検証および認定します。 2019年9月、ABSは、Cimarronによる超軽量のクライオ対応複合LNGタンクの概念設計の原則(AIP)を承認しました。それ以来、認証のためにサブスケールおよびフルスケールのタンクを構築およびテストしてきました。 「彼らは最後のテストを終えたところです」とZacharioudakisは言います。 「2か月強で、海洋市場向けの複合LNGタンクの完全な認証を取得します。このタンクは、従来の金属製タンクと比較して85%以上の軽量化を実現します。」

タンクの仕様のほとんどは独自のものですが、CimarronCompositesの創設者兼社長のTomDeLayは、カーボンファイバーと、樹脂注入とウェットフィラメントワインディングを使用した高度な熱硬化性樹脂で作られていると述べています。 「私たちは直径25インチと40インチのタンクをテストし、直径2メートルのタンクで達成できる5立方メートル[5,000リットル]のタンクについて、SuperGreenのCFRPフェリービルダーと話し合っています。長さは2.5メートルです。」 Ocean Financeは、このようなタンクが1,000台以上市場に出回っていると考えており、Cimarronと協力して、おそらくギリシャで自動生産を確立する予定です。

そして、水素はどうですか? 「これらのLNGプロジェクトを終えている間も、水素の調査を開始しました」とZacharioudakis氏は述べています。 「ヨーロッパでは非常に多くの関心、活動、そして現在利用可能な資金があります。ただし、1つの問題は、海事規則では、タンクがLNGの保持時間を最大15日間提供する必要があることを指定していることです。これはLH 2 でも同じです。 。」 DeLayは、LH 2 用の低温対応タンクの開発を認めています。 (-253ºC、上記を参照)LNG用の低温対応タンク(-196ºC)を開発するよりもはるかに困難です。課題の中には、脆化や亀裂に耐えることができる材料を見つけることがあります。彼は現在、Ocean Financeと協力して、液体と気体のH 2 を使用することの技術的および経済的要因を調べて、貿易調査の完了を支援しています。 船舶用。

H 2 用のネプチューン戦車 ガス

特に、Cimarron Compositesは、水素やその他のガスを高圧で貯蔵するためのタイプIVCFRPタンクをすでに開発しています。 「当社のオリジナルのジュピタータンクは、水素を含むほとんどの工業用ガスを4,350 psi [300bar]の圧力で輸送するために開発されました」とDeLay氏は言います。 「しかし、水素はより高い圧力でより効果的に輸送されるため、7,500 psi [517bar]のネプチューンタンクを開発しました。」

ジュピタータンクとネプチューンタンクはどちらも、UN ISO 11515要件に基づく無数のテストに合格しており、最大26フィートの直径と長さの範囲で利用できます。 「これらのタンクは、トラック、鉄道、または船による標準モジュールでの輸送用に開発されました」とDelay氏は述べています。 「直径30インチには理想的な充填効率があり、直径の大きいシリンダーよりも多くの水素を運ぶことができることがわかりました。 19フィートの長さで、9つのタンクを標準の20フィートのコンテナに収めることができます。タンクあたり67キログラムの水素ガスで、20フィートのコンテナで600キログラム、標準の40フィートのコンテナで1,200キログラムを移動できます。」

「東レ[東京]、三菱ラヨン[東京]、帝人[ロックウッド、テネシー州]、暁星[ソウル、韓国]を含むすべての主要サプライヤーから炭素繊維を購入しています」とDeLay氏は付け加えます。ネプチューンについては、3つの異なるサプライヤーと同時に資格を取得しています。市販の製品を使用して独自に樹脂を配合し、繊維と樹脂の含有量、およびフィラメントワインディングとオーブン硬化サイクル中の張力を非常に厳密に制御して、熱ストレスを防ぎます。これらすべてが、タンクの機械的性能を向上させます。」

極低温液体貯蔵または高圧ガス貯蔵のどちらが必要かに関わらず、DeLayは機会が拡大していると考えています。 「私たちの専門知識を開発するのに何年もかかりました」と彼は言います。「ロケット用の燃料タンクから、現在開発および生産している大型の貯蔵および輸送タンクまで。一年前、私は水素に懐疑的でした。それの唯一の理由は政府によるプッシュであると考えていました。しかし今、私たちは非常に大量の注文とあらゆる種類の要求を受け取っています。世界的に、さまざまな産業が水素に真剣に投資しており、政府がこの開発を支援していることがわかります。適切な製品を適切なタイミングで準備できているようです。」


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