Recipientes a presión avanzados de fibra de carbono: Optimizando el almacenamiento de hidrógeno para un futuro sostenible

El hidrógeno como alternativa libre de CO₂ a los combustibles fósiles ha estado en el horizonte durante décadas, y el crecimiento en recipientes a presión de plástico reforzado con fibra de carbono (PRFC) para almacenamiento de hidrógeno definitivamente ha ido en aumento. Pero en 2020, el hidrógeno se convirtió en un mandato, identificado por la Comisión Europea (CE) como una prioridad clave para lograr el Pacto Verde Europeo para una economía sostenible y una UE neutra en carbono para 2050. Eventos clave para el hidrógeno en aviación incluyen:

• Mayo 2020 — Clean Sky 2 y The Fuel Cells and Hydrogen Joint Undertaking (FCH JU) publicaron "Aviación propulsada por hidrógeno", detallando cómo aviones de corto alcance (85-165 pasajeros) propulsados por hidrógeno podrían lograr entrada en servicio (EIS) para 2030-2035.
• Junio 2020 — El programa de alivio pandémico de $17 mil millones de Francia está vinculado a objetivos del informe "Aviación propulsada por hidrógeno"; Air France dice que reducirá emisiones de CO₂ a la mitad para vuelos domésticos para 2024.
• Julio 2020 — La CE publica "Una estrategia del hidrógeno para una Europa neutra en carbono", pidiendo una inversión de €65 mil millones para transporte, distribución, almacenamiento y estaciones de recarga de hidrógeno, listando políticas de apoyo y mecanismos de financiación incluyendo la Clean Hydrogen Partnership y el Fondo de Innovación ETS (€10 mil millones durante 2020-2030).
• Julio 2020 — El CEO de Airbus, Guillaume Faury, en una entrevista con el editor de Aviation Week Graham Warwick, se compromete al primer avión descarbonizado EIS para 2035; pronostica lanzamiento de programa para 2027-28 y maduración de tecnologías necesarias para 2025.
• Julio 2020 — ZeroAvia (Hollister, California, EE. UU.) completa vuelo de prueba de avión monomotor de seis asientos Piper modificado para usar gas hidrógeno comprimido (H₂) y revela pruebas de vuelo en EE. UU. para un biturbohélice de 19 asientos Dornier Do 228 modificado similarmente según su hoja de ruta para certificar un avión de 20 asientos propulsado por H₂ con alcance de 500 millas para 2023.
• Agosto 2020 — Universal Hydrogen (Los Ángeles, California, EE. UU.) anuncia módulos de tanque gemelo para avión de 50 asientos (ver foto), más logística de recarga e infraestructura para aerolíneas/operadores regionales para ser comercial para 2024.

La viabilidad del hidrógeno como fuente de combustible —independientemente de la industria— depende del rápido desarrollo de una variedad de tecnologías de transporte, entrega y almacenamiento que son jóvenes pero de rápida evolución. Comercializar estas tecnologías no será simple, pero se están abordando. A continuación, un resumen de algunos trabajos que se están realizando.

Universal Hydrogen

Cofundada en 2020 por Paul Eremenko, ex-CTO de Airbus SE (Leiden, Países Bajos) y United Technologies Corp. (Farmington, Connecticut, EE. UU.), el objetivo de Universal Hydrogen es ayudar a la transición a la aviación propulsada por hidrógeno proporcionando una infraestructura de recarga de hidrógeno. Un componente clave es su módulo de combustible que comprende tanques gemelos de almacenamiento de H₂ en un marco de polímero reforzado con fibra de carbono (PRFC). "Suministraremos los módulos al sitio según sea necesario, así que no hay necesidad de infraestructura de almacenamiento de hidrógeno", explica el CTO de Universal Hydrogen, J.P. Clarke. "Los módulos simplemente se cargan en el avión como una batería o suministros de galera."

Crédito de la foto: Universal Hydrogen

Los módulos se han desarrollado primero para los aviones turbohélice regionales Dash 8 y ATR de 50 asientos. Estos módulos presentarán tanques de 7 pies de largo por 3 pies de diámetro, usando fibra de carbono para contener gas H₂ a 850 bar logrando una densidad de 50 kg/m³, o tanques metálicos aislados para contener H₂ líquido (LH₂) a presión y temperatura estándar logrando una densidad de 71 kg/m³. Aunque los tanques de LH₂ ofrecen mayor eficiencia volumétrica, los tanques aislados pero no refrigerados deben usarse dentro de 42 horas porque el LH₂ se vaporiza si no se mantiene a -253 °C. "Ambos tipos de tanques se sentarán dentro de un marco compuesto ligero y estructuralmente optimizado que también brinda resistencia al impacto y algunas capacidades de soporte de carga", dice Clarke.

Los tanques de gas H₂ incluirán un revestimiento de polímero impermeable envuelto con capas de trenza seca de fibra de carbono y una capa protectora exterior de fibra de aramida Kevlar. "No hay necesidad de resina", explica Clarke. "El revestimiento aborda la permeabilidad, mientras que la fibra de carbono maneja las cargas circunferenciales y axiales y la capa exterior más el marco previenen daños; así se reducen peso y espesor. Este diseño integrado de tanque y marco, cuando se combina con el mapeo de funciones a cada una de las capas del tanque, nos ha permitido obtener mejoras significativas en la fracción de masa."

La fracción de masa se calcula dividiendo la masa del hidrógeno almacenado por la del módulo completo, así que cuanto mayor la fracción de masa, mejor. "Hicimos un estudio de intercambio muy extenso mirando la fracción de masa y eficiencia volumétrica en el contexto de los aviones Dash 8 y ATR", señala Clarke. "Así que estás mirando volumen y peso de combustible versus lo que puede caber en estos aviones, alcance alcanzable y peso máximo de despegue, distribución de peso, etc. Con gas H₂ a 850 bar, podemos volar unas 400 millas náuticas con reserva de 45 minutos y unas 550 millas náuticas con tanques de LH₂. Sin embargo, la longitud de etapa promedio para una misión de turbohélice es de unas 300 millas náuticas, así que la gran mayoría de estos vuelos pueden hacerse con un sistema de H₂ gaseoso usando tanques de PRFC."

¿Universal Hydrogen se asociará con un fabricante de tanques compuestos? "Nuestra estrategia es asociarnos donde tenga sentido y ceñirnos a nuestro negocio principal", dice Clarke. Reitera el enfoque de Universal Hydrogen: "Queremos ser el proveedor del combustible y la infraestructura. Proporcionaremos los módulos, y los llevaremos a donde se necesiten para que nuestros socios puedan centrarse en el resto del diseño y operación del avión. Nuestro objetivo es ser un habilitador de la aviación propulsada por hidrógeno."

SpaceTech4Sea

Como la aviación, el transporte marítimo también está bajo regulaciones diseñadas para reducir emisiones de CO₂ y otros gases de efecto invernadero (GEI). Desde enero de 2018, barcos de más de 5.000 toneladas brutas que cargan o descargan carga o pasajeros en puertos del Espacio Económico Europeo (EEE) deben monitorear y reportar sus emisiones de CO₂. Incluso más, como parte de su convenio MARPOL para reducir la contaminación de los barcos, la Organización Marítima Internacional (OMI) ha mandatado desde enero de 2020 que el azufre en el fuel oil debe reducirse del 3,50% m/m (masa por masa) al 0,50%. La OMI también se ha comprometido a una estrategia inicial de GEI para perseguir una reducción del 50% para 2050 comparado con niveles de 2008.

"La mejor posibilidad de estar en cumplimiento es cambiar inicialmente a gas natural licuado (GNL)", dice el Dr. Panayotis Zacharioudakis, director gerente de Ocean Finance (Atenas, Grecia), una firma de asesoría que impulsa la sostenibilidad marítima y coordinadora de los proyectos CE SuperGreen y SpaceTech4Sea. SuperGreen creará un sistema de transporte sostenible y verde en Grecia que comprende embarcaciones eléctricas de cercanías y dos catamaranes híbridos GNL/eléctricos que conectarán el puerto del Pireo con otros puertos en la red del Mediterráneo oriental. "Para este proyecto, estamos construyendo un ferry de alta velocidad en PRFC", explica Zacharioudakis. "Si usáramos un tanque de GNL metálico de última generación, pesaría siete toneladas métricas, lo que equivale a un poco más de 70 pasajeros [100 kilogramos por persona con equipaje]. Así que tendríamos que reducir la capacidad de pasajeros en 70."

¿Por qué el peso extra? "Comparado con el diésel, el GNL debe almacenarse a -163 °C criogénico y los tanques metálicos deben usar materiales, construcción, aislamiento y sistemas operativos que cumplan los requisitos de la OMI para combustibles gaseosos, o código IGF", dice Zacharioudakis. Para Ocean Finance, el peso extra no era aceptable, así que comenzó a investigar posibles soluciones y encontró un informe sobre criotanques que Cimarron Composites (Huntsville, Alabama, EE. UU.) desarrolló con la NASA.

"Fue cuando comenzamos el proyecto SpaceTech4Sea de la EASME (Agencia Europea para PYMEs)", dice Zacharioudakis. "La idea es modificar tecnología aeroespacial para aplicaciones marítimas." El tercer socio del proyecto es la sociedad de clasificación American Bureau of Shipping (ABS, Houston, Texas, EE. UU.), que validará y calificará la tecnología. En septiembre de 2019, ABS otorgó aprobación en principio (AIP) para el diseño conceptual de Cimarron de un tanque de GNL compuesto, ultraligero y capaz de criogénico. Desde entonces, ha construido y probado tanques a subescala y escala completa para certificación. "Acaban de terminar las últimas pruebas", dice Zacharioudakis. "En un poco más de dos meses, tendremos una certificación completa para tanques de GNL compuestos para el mercado marino. Este tanque proporcionará ahorros de peso de más del 85% versus un tanque metálico convencional."

Aunque la mayoría de los detalles del tanque son propietarios, el fundador y presidente de Cimarron Composites, Tom DeLay, dice que está hecho con fibra de carbono y una resina termoestable avanzada usando algo de infusión de resina y bobinado de filamento en húmedo. "Hemos probado tanques de 25 y 40 pulgadas de diámetro y estamos hablando con el constructor del ferry PRFC para SuperGreen sobre tanques con una capacidad de cinco metros cúbicos [5.000 litros], que podrían lograrse con un tanque de 2 metros de diámetro y 2,5 metros de largo." Ocean Finance ve un mercado para más de mil de estos tanques y trabajará con Cimarron para establecer producción automatizada, posiblemente en Grecia.

¿Y el hidrógeno? "Incluso mientras terminamos estos proyectos de GNL, hemos empezado a mirar el hidrógeno", señala Zacharioudakis. "Hay tanto interés, actividad y ahora financiación disponible en Europa. Un problema, sin embargo, es que las regulaciones marítimas especifican que los tanques deben proporcionar un tiempo de retención de hasta 15 días para GNL. Esto será lo mismo para LH₂." DeLay concede que desarrollar un tanque capaz de criogénico para LH₂ (-253 °C, ver arriba) es mucho más difícil que para GNL (-196 °C); entre los desafíos está encontrar materiales que puedan resistir la fragilización y agrietamiento. Está trabajando ahora con Ocean Finance para ayudar a completar un estudio de intercambio, mirando los factores técnicos y económicos de usar H₂ líquido versus gaseoso para embarcaciones marinas.

Tanques Neptuno para gas H₂

Notablemente, Cimarron Composites ya ha desarrollado un tanque PRFC Tipo IV para almacenamiento a alta presión de hidrógeno y otros gases. "Nuestro tanque Júpiter original fue desarrollado para el transporte de la mayoría de gases industriales, incluyendo hidrógeno, a una presión de 4.350 psi [300 bar]", dice DeLay. "El hidrógeno, sin embargo, se transporta más efectivamente a presiones más altas, por eso desarrollamos el tanque Neptuno de 7.500 psi [517 bar]."

Tanto los tanques Júpiter como Neptuno han pasado las miríadas de pruebas según requisitos UN ISO 11515 y están disponibles en una gama de diámetros y longitudes hasta 26 pies. "Estos tanques fueron desarrollados para envío en módulos estándar por camión, tren o barco", señala Delay. "Hemos encontrado que un diámetro de 30 pulgadas tiene una eficiencia de empaque ideal, permitiéndonos transportar más hidrógeno que con cilindros de mayor diámetro. Con una longitud de 19 pies, podemos colocar nueve tanques en un contenedor estándar de 20 pies. A 67 kilogramos de gas hidrógeno por tanque, podemos mover 600 kilogramos en un contenedor de 20 pies y 1.200 kilogramos en un contenedor estándar de 40 pies."

"Compramos fibra de carbono de todos los proveedores principales, incluyendo Toray [Tokio, Japón], Mitsubishi Rayon [Tokio], Teijin [Rockwood, Tennessee, EE. UU.] e Hyosung [Seúl, Corea del Sur]", añade DeLay, "pero para Neptuno hemos calificado con tres proveedores diferentes simultáneamente. Formulamos la resina nosotros mismos usando productos disponibles comercialmente y controlamos muy estrechamente el contenido de fibra y resina así como la tensión durante el bobinado de filamento y el ciclo de curado en horno para prevenir estrés térmico. Todo esto se suma al rendimiento mecánico de los tanques."

Independientemente de si la necesidad es para almacenamiento líquido criogénico o almacenamiento de gas a alta presión, DeLay ve las oportunidades creciendo. "Nos ha llevado años desarrollar nuestra experiencia", dice, "empezando desde tanques de combustible para cohetes hasta los grandes tanques de almacenamiento y transporte que estamos desarrollando y produciendo ahora. Hace un año, era escéptico sobre el hidrógeno, pensando que la única razón era un empuje del gobierno. Pero ahora estamos recibiendo pedidos muy grandes y todo tipo de solicitudes. Podemos ver que, globalmente, una amplia gama de industrias están invirtiendo seriamente en hidrógeno y los gobiernos están apoyando este desarrollo. Parece que estamos listos con los productos adecuados en el momento adecuado."