STELIA Aerospace Composites Innovasi Penyimpanan Hidrogen
Pembaca CW akan mengetahui tentang STELIA Aerospace (Toulouse, Prancis) dari cakupan kami tentang demonstrator fuselage komposit termoplastik dalam proyek ARCHES TP dan tur kami ke fasilitas Méaulte pada 2019. Namun, perusahaan memiliki cadangan dalam keahlian komposit yang dalam, mencakup berbagai lokasi, bagian dan proses. STELIA Aerospace Composites (Salaunes, Prancis) terletak di luar Bordeaux. Situs ini menempati 330 orang dengan 40.000 meter persegi bengkel dan laboratorium tes terintegrasi sendiri. Ini juga terdiri dari tiga segmen bisnis inti: aerostruktur, komponen kabin pesawat dan sistem penyimpanan gas gulungan filamen. Segmen terakhir dapat digunakan untuk apa saja dari oksigen hingga nitrogen hingga hidrogen, dan telah menjadi segmen bisnis inti selama lebih dari 35 tahun.
STELIA Aerospace Composites didirikan pada 1984 sebagai bagian dari Aerospatiale. Sejak 1985, fasilitas di Salaunes telah memproduksi lebih dari 70.000 tangki tekanan tinggi yang dibungkus komposit (Tipe II, III dan IV) untuk berbagai aplikasi. Pekerjaan perusahaan dengan penyimpanan hidrogen dimulai pada 1998 dengan pengembangan tangki 9 liter/700 bar untuk Komisi Energi Alternatif dan Atom Prancis (CEA, Paris). STELIA Aerospace Composites juga telah bekerja sama dengan produsen mobil Prancis Groupe PSA (Paris) — yang sekarang bergabung dengan Fiat Chrysler untuk membentuk Stellantis — dan perusahaan gas industri global Air Liquide (Paris, Prancis). Perusahaan juga telah bekerja sama dengan pemasok Tier 1 otomotif Faurecia (Nanterre, Prancis), yang berusaha menjadi pemimpin sistem kendaraan selang bahan bakar.
“STELIA Aerospace Composites dikenal luas di bidang penyimpanan gas tekanan,” kata Christophe Blois, chief technical officer untuk STELIA Aerospace Composites. “Tapi sekarang, dengan semua pengumuman pesawat hijau yang berbeda dan transisi ke ekonomi nol emisi yang didukung oleh pemerintah Prancis dan Uni Eropa, kami semakin banyak perusahaan yang menghubungi kami.”
Pengalaman dalam Tangki Penerbangan
Sebagai anak perusahaan STELIA Aerospace, sebagian besar pengalaman manufaktur STELIA Aerospace Composites telah dengan tabung tekanan untuk aplikasi penerbangan dan pertahanan. “Kami memiliki kapasitas gulungan filamen industri untuk tangki hingga 5.000 liter,” kata Blois, “dan kami spesialis dalam desain lengkap tangki, yang disesuaikan untuk memenuhi kebutuhan teknis pelanggan. Ini mencakup pengukuran, pengujian dan pemilihan bahan serta pemodelan analisis elemen hingga (FEA), serta pengujian kualifikasi (seperti pengujian siklus tekanan dan ledakan) dan pemantauan kampanye sertifikasi untuk memenuhi berbagai standar dan peraturan industri.”
Dia menyatakan bahwa dalam waktu kurang dari 18 bulan, STELIA Aerospace Composites menyelesaikan desain untuk aplikasi tangki satelit penting, yang sesuai dengan standar kualifikasi industri luar angkasa dan dengan biaya produksi yang sepenuhnya dioptimalkan. “Kami memenuhi syaratnya, mengindustrialisasikannya dan kami sekarang tengah menyelesaikan empat seri manufaktur.”
Memajukan Tangki Hidrogen
STELIA Aerospace Composites telah memproduksi tangki komposit untuk penyimpanan hidrogen yang berkisar dari 2,4 hingga 143 liter dan tekanan dari 100 hingga 700 bar. “Kami adalah pemimpin dalam desain tangki dan kami memiliki ekosistem yang sangat besar dengan kami bekerja,” kata Blois.
Pada November 2016, STELIA Aerospace Composites mengumumkan telah mengembangkan tangki penyimpanan hidrogen komposit serat karbon/epoki baru 140 liter yang bertujuan untuk meningkatkan jarak tempuh kendaraan listrik sel bahan bakar (FCEV). Ini adalah volume hidrogen yang hampir sama yang disimpan dalam 2021 Toyota Mirai dan Honda Clarity FCEV, seperti yang terlihat dalam tabel di Fig. 1. Namun, hanya Clarity yang menggunakan satu tangki. Dua FCEV lain yang saat ini dalam produksi — Mirai dan Hyundai Nexo — keduanya menggunakan tiga tangki.
Faurecia anunciou dalam rilis pers Mei 2017 bahwa telah memperoleh lisensi eksklusif untuk kekayaan intelektual dan pengetahuan proses mengenai tangki hidrogen komposit dari STELIA Aerospace Composites. Pada April 2018, kedua perusahaan secara bersama-sama menampilkan prototipe tangki penyimpanan hidrogen yang canggih pada acara Hyvolution di Paris. Faurecia menjelaskan bahwa berasarkan pada menjadi pemimpin dalam teknologi sel bahan bakar, memprediksi bahwa 5 juta FCEV akan operasional pada 2035.
Seperti yang saya jelaskan dengan co-author saya Mike Favaloro dalam kertas SAMPE 2021 berjudul, “Projected growth rate of carbon fiber usage in hydrogen powered vehicles,” masalah utama untuk tangki gas terkompresi adalah densitas volumetrik rendah gas hidrogen. Bahkan pada tekanan 700 bar, tangki gas terkompresi (CGH2) harus lebih besar daripada tangki hidrogen cair (LH2). Misalnya, 5 kilogram gas hidrogen dapat disimpan dalam tangki 125 liter pada 700 bar dan suhu ruangan sementara 5 kilogram hidrogen cair dapat disimpan dalam tangki 75 liter pada tekanan ambien dan suhu kriogenik -252,87°C (sumber: “How is Hydrogen Stored?” oleh Air Liquide). Inilah mengapa industri penerbangan melihat LH2 untuk pesawat dan mengapa produsen mobil mencari solusi untuk masalah ruang dan bobot tangki CGH2. Selain itu, tekanan yang lebih tinggi dan ukuran besar yang diperlukan untuk memenuhi jarak tempuh kendaraan yang diwajibkan oleh berbagai produsen mobil dan truk meningkatkan jumlah komposit yang diperkuat serat karbon yang dibutuhkan, dan dengan demikian biaya tangki.
Melihat grafik dan tabel di atas, tangki 69 liter yang dikembangkan oleh Faurecia mencapai fraksi massa yang lebih tinggi daripada tiga mobil FCEV 2021 yang saat ini dalam produksi. Catat: fraksi massa adalah rasio massa gas hidrogen terhadap massa sistem tangki dan juga disebut sebagai efisiensi penyimpanan. Sistem satu-satunya dengan efisiensi penyimpanan yang lebih tinggi dari yang dilaporkan oleh Faurecia adalah kombinasi prototipe tangki cryo-compressed (CcH2)/tangki CGH2 yang dikembangkan oleh BMW dan dilaporkan dari 2012-2015. Sistem ini — yang saat ini tidak tersedia untuk kendaraan produksi — adalah hibrid antara sistem LH2 dan CGH2. Dengan menggunakan suhu dingin (misalnya, 233°C hingga -193°C) tetapi juga tekanan (misalnya, 350 bar), BMW mengklaim memungkinkan untuk menghilangkan masalah boil-off dalam tangki LH2 tradisional sambil mencapai densitas penyimpanan yang jauh lebih tinggi dari CGH2 dan bahkan sistem LH2.
Diskusi tentang Pengembangan Tangki H2 di Masa Depan
Sebagai chief technical officer untuk STELIA Aerospace Composites, Blois telah berada di perusahaan selama 30 tahun. Saya bertanya padanya tentang pekerjaan perusahaan dengan Air Liquide dan apakah perusahaan gas industri global ini serius tentang mengembangkan tangki penyimpanan komposit. “Mereka tertarik pada tangki komposit untuk hidrogen, dan kami telah bekerja sama dengan mereka,” katanya. “Secara umum, komposit sebenarnya hanya digunakan untuk sistem seluler karena jumlah hidrogen yang dibutuhkan untuk jarak tempuh kendaraan dan dorongan untuk mengurangi bobot untuk memperpanjang jarak tersebut. Untuk aplikasi stasioner, belum ada banyak minat untuk solusi komposit.” Blois juga menyatakan bahwa sebagian besar aplikasi penyimpanan hidrogen stasioner beroperasi pada tekanan yang lebih rendah. “Tangki komposit masuk akal jika bekerja pada 700 bar, tetapi tidak jika bekerja pada tekanan hingga 200 bar. Untuk itu, Anda dapat menggunakan tangki logam.”
Apakah tangki besar dapat menggunakan tekanan lebih besar dari 700 bar? “Tekanan hingga 1.000 bar dapat dipertimbangkan,” kata Blois. “Kebal dinding komposit dalam tangki secara langsung terhubung dengan tekanan kerja dan diameter tangki. Saat ini ada batas pada ketebalan dinding tangki di luarnya performa komposit menurun.”
Bagaimana dengan penggunaan hidrogen cair versus gas terkompresi untuk penerbangan? “Karena jumlah hidrogen yang diperlukan dalam pesawat yang besar, densitas gas kriogenik yang lebih tinggi lebih menarik daripada gas terkompresi,” kata Blois. “Namun, sulit untuk mempertahankan suhu 40K hingga 80K [-233°C hingga -193°C] dalam tangki untuk waktu yang sangat lama. Masih perlu bekerja pada solusi teknis.”
Apakah ada peluang untuk menggunakan komposit termoplastik dalam tangki hidrogen? “Untuk struktur wadah dalam tangki masa depan, tetapi tidak untuk saat ini,” kata Blois. “Untuk tangki 700-bar pada skala besar saat ini, tidak efisien untuk menggunakan komposit termoplastik dan mencapai performa dalam wadah tangki. Namun, teknologi pelapisan termoplastik (untuk tangki tipe IV) memang merupakan kunci untuk performa tangki, dan di masa depan, tangki termoplastik global mungkin dapat meningkatkan kemampuan daur ulang dan keberlanjutan.”
Di mana Anda melihat pasar untuk tangki penyimpanan hidrogen komposit dalam lima hingga sepuluh tahun ke depan? “Dalam lima tahun pertama, kami pikir pekerjaan akan terus berlanjut pada tangki penyimpanan gas hidrogen, dan masih ada banyak pekerjaan rumah yang harus kami lakukan,” kata Blois. “Mengetahui bahwa uji pertama di pesawat sekarang sedang dilakukan menggunakan penyimpanan gas hidrogen, akan dibutuhkan waktu untuk mengembangkan teknologi yang diperlukan dan mencapai maturitas pada penyimpanan hidrogen cair, tetapi itu harus mungkin dalam beberapa tahun.”
Di mana STELIA Aerospace Composites akan terus bekerja untuk memajukan penyimpanan hidrogen? “Fokus utama kami adalah aeronautika dan luar angkasa,” kata Blois, “tapi kami terbuka untuk diskusi dan kami merasa sangat bertanggung jawab untuk membantu dengan transisi ke nol emisi. Kami juga mampu memulai operasi untuk produksi seri menengah tangki tekanan tinggi (700 bar) dan terus mengevaluasi semua peluang.”
