STELIA Aerospace Composites innova en almacenamiento de hidrógeno

Los lectores de CW conocerán STELIA Aerospace (Toulouse, Francia) por nuestra cobertura de su demostrador de fuselaje de compuestos termoplásticos en el proyecto ARCHES TP y mi visita a la instalación de Méaulte en 2019. La empresa, sin embargo, tiene un profundo conocimiento en compuestos, abarcando múltiples ubicaciones, piezas y procesos. STELIA Aerospace Composites (Salaunes, Francia) está ubicada a las afueras de Burdeos. El sitio emplea a 330 personas con 40.000 metros cuadrados de talleres y su propio laboratorio de pruebas integrado. También comprende tres segmentos de negocio principales: aeroestructuras, componentes de cabina de avión y sistemas de almacenamiento de gas filament-wound. Estos últimos pueden usarse para oxígeno, nitrógeno o hidrógeno, y han sido un segmento de negocio principal durante más de 35 años.

Experiencia en tanques aeroespaciales

Como filial de STELIA Aerospace, la mayor parte de la experiencia de fabricación de STELIA Aerospace Composites ha sido con vasijas de presión para aplicaciones aeroespaciales y de defensa. "Tenemos capacidad industrial de filament winding para tanques hasta 5.000 litros", dice Blois, "y nos especializamos en el diseño completo de tanques, adaptados a las necesidades técnicas de nuestros clientes. Esto incluye dimensionamiento, pruebas y selección de materiales y modelado por elementos finitos (FEA), así como pruebas de cualificación (ciclado de presión y rotura) y seguimiento de campañas de certificación para cumplir diversos estándares y regulaciones industriales."

Señala que en menos de 18 meses, STELIA Aerospace Composites completó el diseño para una importante aplicación de tanque satelital, conforme a los estándares de cualificación de la industria espacial y con costes de producción totalmente optimizados. "Lo cualificamos, industrializamos y ahora estamos en medio de completar cuatro series de fabricación."

Avance en tanques de hidrógeno

STELIA Aerospace Composites ha producido tanques compuestos para almacenamiento de hidrógeno de 2,4 a 143 litros y presiones de 100 a 700 bar. "Somos líderes en diseño de tanques y tenemos un ecosistema muy grande con el que trabajamos", dice Blois.

En noviembre de 2016, STELIA Aerospace Composites anunció que había desarrollado un nuevo tanque de almacenamiento de hidrógeno de 140 litros de fibra de carbono/epoxi compuesto destinado a mejorar la autonomía de vehículos eléctricos de pila de combustible (FCEV). Este es aproximadamente el mismo volumen de hidrógeno almacenado en los FCEV Toyota Mirai 2021 y Honda Clarity, como se ve en la tabla de la Fig. 1. Sin embargo, solo el Clarity usa un solo tanque. Los otros dos FCEV en producción —el Mirai y el Hyundai Nexo— ambos usan tres tanques.

Faurecia anunció en un comunicado de mayo de 2017 que había adquirido una licencia exclusiva de la propiedad intelectual y know-how de proceso sobre tanques de hidrógeno compuestos de STELIA Aerospace Composites. En abril de 2018, las dos empresas exhibieron conjuntamente un prototipo de tanque de almacenamiento de hidrógeno de vanguardia en el evento Hyvolution en París. Faurecia explicó que aspiraba a ser líder en tecnología de pila de combustible, prediciendo que 5 millones de FCEV estarán operativos para 2035.

Como expliqué con mi coautor Mike Favaloro en el artículo SAMPE 2021 "Projected growth rate of carbon fiber usage in hydrogen powered vehicles", el principal problema para tanques de gas comprimido es la baja densidad volumétrica del gas hidrógeno. Incluso a 700 bar, los tanques de gas comprimido (CGH₂) deben ser más grandes que los de hidrógeno líquido (LH₂). Por ejemplo, 5 kg de hidrógeno gas pueden almacenarse en un tanque de 125 litros a 700 bar y temperatura ambiente, mientras que 5 kg de hidrógeno líquido pueden almacenarse en un tanque de 75 litros a presión ambiente y -252,87 °C criogénico (fuente: "How is Hydrogen Stored?" por Air Liquide). Por eso la industria aeronáutica mira LH₂ para aviones y los fabricantes de automóviles buscan soluciones a los problemas de espacio y peso de tanques CGH₂. Además, la mayor presión y gran tamaño necesarios para alcanzar la autonomía requerida por diferentes fabricantes aumenta la cantidad de compuesto reforzado con fibra de carbono necesario, y por tanto el coste del tanque.

Mirando el gráfico y tabla arriba, el tanque de 69 litros desarrollado por Faurecia logra una fracción de masa más alta que los tres coches FCEV 2021 en producción. Nota: la fracción de masa es la relación entre la masa de gas hidrógeno y la masa del sistema de tanque, también llamada eficiencia de almacenamiento. El único sistema con mayor eficiencia de almacenamiento que el reportado por Faurecia es un prototipo de tanque crio-comprimido (CcH₂)/CGH₂ combinado desarrollado por BMW y reportado 2012-2015. Ese sistema —que actualmente no está disponible para vehículos de producción— es un híbrido entre sistemas LH₂ y CGH₂. Usando temperaturas frías (ej. -233 °C a -193 °C) pero también presión (ej. 350 bar), BMW afirmó que es posible eliminar problemas de boil-off en tanques LH₂ tradicionales mientras se logran densidades de almacenamiento mucho mayores que sistemas CGH₂ e incluso LH₂.

Discusión sobre desarrollo futuro de tanques H₂

Como director técnico de STELIA Aerospace Composites, Blois lleva 30 años en la empresa. Le pregunto sobre el trabajo de su empresa con Air Liquide y si el gigante de gases industriales podría estar serio sobre desarrollar tanques compuestos de almacenamiento. "Están interesados en tanques compuestos para hidrógeno, y hemos trabajado con ellos", dice. "En general, los compuestos se usan realmente solo para sistemas móviles debido a la cantidad de hidrógeno necesaria para la autonomía del vehículo y el empuje para reducir peso y extender esa autonomía. Para aplicaciones estacionarias, no ha habido mucho interés en una solución de compuestos." Blois también señala que la mayoría de aplicaciones de almacenamiento de hidrógeno estacionario operan a presiones más bajas. "Los tanques compuestos tienen sentido si trabajas a 700 bar, pero no si trabajas a presiones hasta 200 bar. Para eso, puedes usar un tanque metálico."

¿Pueden tanques grandes usar presiones mayores a 700 bar? "Presiones hasta 1.000 bar pueden considerarse", dice Blois. "El grosor de las paredes compuestas del tanque está directamente ligado a la presión de servicio y al diámetro del tanque. Actualmente hay un límite en el grosor de pared del tanque más allá del cual el rendimiento de los compuestos disminuye."

¿Qué hay de usar hidrógeno líquido versus gas comprimido para aviación? "Debido a la gran cantidad de hidrógeno necesaria en un avión, la mayor densidad del gas criogénico es más interesante que el gas comprimido", dice Blois. "Sin embargo, es difícil mantener una temperatura de 40 K a 80 K [-233 °C a -193 °C] en tanques por tanto tiempo. Todavía es necesario trabajar en soluciones técnicas."

¿Hay oportunidad para usar compuestos termoplásticos en tanques de hidrógeno? "Para la estructura de la vasija en tanques futuros, pero no para hoy", dice Blois. "Para tanques de 700 bar a gran escala hoy, no es eficiente usar compuestos termoplásticos y lograr el rendimiento en la vasija del tanque. Sin embargo, la tecnología de liners termoplásticos (para tanques tipo IV) es clave para el rendimiento del tanque, y en el futuro, un tanque termoplástico global podría aumentar reciclabilidad y sostenibilidad."

¿Dónde ve el mercado para tanques compuestos de almacenamiento de hidrógeno en los próximos 5-10 años? "En los primeros cinco años pensamos que el trabajo continuará en tanques de almacenamiento de gas hidrógeno, y todavía hay mucha tarea para nosotros", dice Blois. "Sabiendo que las primeras pruebas en aviones se están realizando ahora usando almacenamiento de gas hidrógeno, se requerirá tiempo para desarrollar la tecnología necesaria y alcanzar madurez en almacenamiento de hidrógeno líquido, pero eso debería ser posible en varios años."

¿Dónde continuará STELIA Aerospace Composites trabajando para avanzar en almacenamiento de hidrógeno? "Nuestro foco clave es aeronáutica y espacio", dice Blois, "pero estamos abiertos a discusiones y nos sentimos muy responsables de ayudar con la transición a cero emisiones. También somos capaces de iniciar operación para producción de media serie de tanques de alta presión (700 bar) y continuar evaluando todas las oportunidades."