先進炭素繊維圧力容器：水素貯蔵の最適化で持続可能な未来へ

CO2フリーの化石燃料代替としての水素は数十年来の課題であり、炭素繊維強化プラスチック（CFRP）圧力容器による水素貯蔵の成長は確実に進んでいました。しかし2020年、水素は欧州委員会（EC）によって、2050年までに持続可能な経済と気候中立のEUを実現する「欧州グリーンディール」の重要優先事項として特定され、義務化されました。航空分野における水素の主要イベントには以下があります：

• 2020年5月 — Clean Sky 2と燃料電池・水素合同事業（FCH JU）が「水素動力航空」を発表、短距離（85〜165名乗り）水素動力航空機が2030〜2035年までに就航（EIS）可能と詳細に説明。
• 2020年6月 — フランスの170億ドルパンデミック救済プログラムが「水素動力航空」レポートの目標と連動；エールフランスは国内線CO2排出を2024年までに半減させると表明。
• 2020年7月 — ECが「気候中立ヨーロッパのための水素戦略」を発表、水素輸送・配布・貯蔵・充填ステーションに650億ユーロ投資を要請、支援策と資金メカニズム（クリーン水素パートナーシップ、ETSイノベーションファンド：2020〜2030年に100億ユーロ）を列挙。
• 2020年7月 — Airbus CEOギヨーム・フォーリー氏が『Aviation Week』編集者グレアム・ウォリック氏のインタビューで、初の脱炭素航空機就航を2035年までにコミット；プログラム立ち上げを2027〜28年、必要技術の成熟を2025年までに予測。
• 2020年7月 — ZeroAvia（米国カリフォルニア州ホリスター）が圧縮水素（H2）ガスを使用するよう改造した単発6座席『Piper』機の試験飛行を完了、同様に改造した双発ターボプロップ19座席『Dornier Do 228』の米国飛行試験を発表、2023年までに航続500マイルの20座席H2動力航空機認証を目指すロードマップ。
• 2020年8月 — Universal Hydrogen（米国カリフォルニア州ロサンゼルス）が50座席機用ツインタンクモジュールを発表（写真参照）、地域航空会社/オペレーター向け充填ロジスティクスとインフラを2024年までに商用化予定。

業界を問わず水素の燃料としての実現性は、若いが急速に進化する多様な輸送・配送・貯蔵技術の迅速な開発にかかっています。これらの技術の商業化は簡単ではありませんが、取り組まれています。以下に取り組みの一部をまとめます。

Universal Hydrogen

2020年にPaul Eremenko氏（元Airbus SE CTO、元United Technologies Corp. CTO）らによって共同設立されたUniversal Hydrogenの目標は、水素燃料インフラを提供することで水素動力航空への移行を支援することです。キーとなるコンポーネントの一つは、CFRP（炭素繊維強化ポリマー）フレーム内のツインH2貯蔵タンクで構成される燃料モジュールです。「必要に応じてモジュールを現場に供給するため、水素貯蔵インフラは不要です」とUniversal Hydrogen CTOのJ.P.クラーク氏は説明します。「モジュールはバッテリーやギャレー備品のように飛行機に積み込むだけです。」

写真提供：Universal Hydrogen

モジュールはまず、50座席の『Dash 8』と『ATR』ターボプロップ地域航空機向けに開発されました。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、炭素繊維で850 barでH2ガスを保持し密度50 kg/m³を達成するか、または断熱金属タンクで液体H2（LH2）を標準圧力・温度で保持し71 kg/m³の密度を達成します。LH2タンクは体積効率が高いものの、-253℃で保持しないと気化するため、断熱だが非冷却のタンクは42時間以内に使用しなければなりません。「両タイプのタンクは、衝撃耐性と一部荷重負担能力も付与する軽量で構造的に最適化されたコンポジットフレーム内に収まります」とクラーク氏。

H2ガスタンクには、不透過性ポリマーライナー、ドライカーボンファイバーブレイドの層、ケブラーアラミド繊維の保護外層が巻かれています。「樹脂は不要です」とクラーク氏は説明します。「ライナーが透過性を対処し、炭素繊維が周方向と軸方向の荷重を担い、外層とフレームが損傷を防ぐため、重量と厚みを削減できます。この統合タンク・フレーム設計と、各タンク層への機能マッピングの組み合わせにより、質量分率で大幅な改善を達成できました。」

質量分率は、貯蔵水素質量をモジュール全体の質量で割ったもので、大きいほど優れています。「『Dash 8』と『ATR』航空機の文脈で、質量分率と体積効率について非常に広範なトレードスタディを行いました」とクラーク氏。「燃料の体積と重量、これらの航空機に収まるもの、達成可能な航続距離、最大離陸重量、重量配分などを見ています。H2ガス850 barでは、45分リザーブで約400海里、LH2タンクでは約550海里飛行可能です。しかし、ターボプロップミッションの平均ステージ長は約300海里なので、これらのフライトの『大半』はCFRPタンクを用いた気体H2システムで賄えます。」

Universal Hydrogenはコンポジットタンクメーカーと提携するのか？「戦略は、理にかなうところで提携し、コアビジネスに集中することです」とクラーク氏。「我々は燃料とインフラのプロバイダーになりたい。モジュールを提供し、必要な場所に届ける。パートナーが航空機設計と運用の残りに集中できるようにする。水素動力航空のイネーブラーになるのが目標です。」

SpaceTech4Sea

航空と同様、海運もCO2やその他温室効果ガス（GHG）排出削減のための規制対象となっています。2018年1月から、欧州経済領域（EEA）の港で貨物や乗客を積み下ろしする5,000総トン超の船舶はCO2排出量を監視・報告しなければなりません。さらに、船舶からの汚染削減のための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（質量比）から0.50%に削減することを義務付けました。IMOはまた、2008年比で2050年までに50%削減を目指す初期GHG戦略にもコミットしています。

「コンプライアンスの最善策は、まず液化天然ガス（LNG）へシフトすることです」と、ギリシャの海事持続可能性推進アドバイザリーファームOcean Finance（アテネ）のマネージングディレクター、パナヨティス・ザカリオダキス博士は言います。同氏はECプロジェクトSuperGreenとSpaceTech4Seaのコーディネーターです。SuperGreenは、ピレウス港と東地中海ネットワークの他港を結ぶ電動通勤船とハイブリッドLNG/電動カタマラン2隻で構成される、ギリシャにおける持続可能でグリーンな輸送システムを構築します。「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」とザカリオダキス氏。「最先端の金属LNGタンクを使うと7トンの重量になり、これは約70名の乗客（荷物込みで1人100kg）に相当します。したがって乗客定員を70名減らさなければなりません。」

なぜ余分な重量なのか？「ディーゼルと比較して、LNGは-163℃の極低温で貯蔵する必要があり、金属タンクはIMOのガス燃料要件（IGFコード）を満たす材料、構造、断熱、運用システムを使用しなければならないからです」とザカリオダキス氏。Ocean Financeにとってこの追加重量は受け入れられず、解決策の研究を始め、NASAと共同でCimarron Composites（米国アラバマ州ハンツビル）が開発した極低温タンクに関する報告書を見つけました。

「ここでEASME（欧州中小企業機関）SpaceTech4Seaプロジェクトが始まりました」とザカリオダキス氏。「アイデアは航空宇宙技術を海洋用途に転用することです。」第3のプロジェクトパートナーは、技術を検証・認定する分類協会American Bureau of Shipping（ABS、米国テキサス州ヒューストン）です。2019年9月、ABSはCimarronの超軽量・極低温対応コンポジットLNGタンクの概念設計に原則承認（AIP）を与えました。以来、サブスケールとフルスケールタンクを建造・試験し認証に向けています。「最後の試験がちょうど終わりました」とザカリオダキス氏。「あと2ヶ月ほどで、海洋市場向けコンポジットLNGタンクの完全認証が得られます。このタンクは従来の金属タンク比で85%以上の軽量化を提供します。」

タンクの詳細はほぼ企業秘密ですが、Cimarron Composites創業者兼社長のトム・ディレイ氏によると、炭素繊維と先進熱硬化性樹脂を使用し、一部樹脂注入とウェットフィラメントワインディングで製造されています。「25インチと40インチ径のタンクを試験し、SuperGreenのCFRPフェリー建造者と、5立方メートル（5,000リットル）容量のタンクについて話し合っています。直径2メートル、長さ2.5メートルのタンクで達成可能です。」Ocean Financeは1,000基以上の市場を見込み、Cimarronと協力して自動化生産を確立する予定で、ギリシャでの生産も視野に入れています。

水素については？「これらのLNGプロジェクトを完了しながら、水素にも着手し始めています」とザカリオダキス氏。「ヨーロッパではこれほどの関心、活動、資金が利用可能になっています。しかし一つ問題があります。海事規制ではタンクがLNGで最大15日の保持時間を提供することを要求します。これはLH2でも同じです。」ディレイ氏は、LH2（-253℃、上記参照）用の極低温対応タンクを開発するのは、LNG（-196℃）用よりはるかに難しいと認めます。課題の一つは、脆化とクラッキングに耐える材料を見つけることです。現在、Ocean Financeと協力して、海洋船舶での液体vs気体H2の技術的・経済的要因を検討するトレードスタディを完了させようとしています。

H2ガス用ネプチューンタンク

特筆すべきことに、Cimarron Compositesはすでに水素やその他ガスの高圧貯蔵用タイプIV CFRPタンク「ネプチューン」を開発しています。「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産業ガスを4,350 psi（300 bar）で輸送するために開発されました」とディレイ氏。「しかし水素はより高圧で輸送する方が効果的なため、7,500 psi（517 bar）のネプチューンタンクを開発しました。」

ジュピターとネプチューンの両タンクは、UN ISO 11515要件に基づく無数の試験をパスし、最大26フィートの長さまで様々な直径で提供されています。「これらのタンクは、トラック、鉄道、船舶での標準モジュール輸送向けに開発されました」とディレイ氏。「30インチ径が理想的な梱包効率を持ち、より大径シリンダーより多くの水素を輸送できます。19フィート長で、標準20フィートコンテナに9本収納可能。1本あたり67kgの水素ガスで、20フィートコンテナで600kg、標準40フィートコンテナで1,200kgを輸送できます。」

「カーボンファイバーはToray（東京）、三菱レイヨン（東京）、Teijin（米国テネシー州ロックウッド）、Hyosung（韓国ソウル）など主要サプライヤーすべてから購入しています」とディレイ氏。「しかしネプチューンでは、3社のサプライヤーを同時に認定しています。樹脂は市販製品を使用し自社で処方、フィラメントワインディング時の繊維・樹脂含有量とテンション、オーブン硬化サイクルを非常に厳密に管理し熱応力を防止しています。これらすべてがタンクの機械的性能に寄与しています。」

極低温液体貯蔵であれ高圧ガス貯蔵であれ、ディレイ氏は機会が拡大していると見ています。「専門知識の開発に数年かかりました。ロケット燃料タンクから、現在開発・生産している大型貯蔵・輸送タンクまで。1年前は水素に懐疑的で、政府の後押しだけだと思っていました。しかし今、非常に大規模な受注とあらゆる種類の問い合わせが来ています。世界的に幅広い産業が水素に真剣に投資し、政府もこの開発を支援しています。適切な製品を適切なタイミングで用意できたようです。」