Tangki Tekanan Serat Karbon Canggih: Mengoptimalkan Penyimpanan Hidrogen untuk Masa Depan Berkelanjutan
Hidrogen sebagai alternatif bebas CO2 terhadap bahan bakar fosil telah ada di horison selama bertahun-tahun, dan pertumbuhan tangki tekanan plastik diperkuat serat karbon (CFRP) untuk penyimpanan hidrogen pasti telah meningkat. Namun pada 2020, hidrogen menjadi mandat, diidentifikasi oleh Komisi Eropa (EC) sebagai prioritas kunci untuk mencapai European Green Deal untuk ekonomi berkelanjutan dan EU netral iklim pada 2050. Peristiwa kunci untuk hidrogen di penerbangan meliputi:
- Mei 2020 — Clean Sky 2 dan The Fuel Cells and Hydrogen Joint Undertaking (FCH JU) menerbitkan “Hydrogen-powered aviation,” yang merinci bagaimana pesawat pendek jarak (85-165 penumpang) yang difungsikan hidrogen dapat mencapai entry into service (EIS) pada 2030-2035.
- Juni 2020 — Program bantuan pandemi Prancis senilai $17 miliar terkait dengan tujuan dari laporan “Hydrogen-powered aviation”; Air France mengatakan akan memotong emisi CO2 setengahnya untuk penerbangan domestik pada 2024.
- Juli 2020 — EC menerbitkan “A hydrogen strategy for a climate-neutral Europe,” yang meminta investasi sebesar €65 miliar untuk transportasi, distribusi, penyimpanan dan stasiun pengisian ulang hidrogen, mencantumkan kebijakan dukungan dan mekanisme pendanaan termasuk Clean Hydrogen Partnership dan ETS Innovation Fund (€10 miliar selama 2020-2030).
- Juli 2020 — CEO Airbus Guillaume Faury, dalam wawancara dengan editor Aviation Week Graham Warwick, berkomitmen pada EIS pesawat pertama terdekarbonisasi pada 2035; dia meramalkan peluncuran program pada 2027-28 dan pematangan teknologi yang diperlukan pada 2025.
- Juli 2020 — ZeroAvia (Hollister, California, AS) menyelesaikan uji coba penerbangan pesawat Piper satu mesin, enam kursi yang dimodifikasi untuk menggunakan gas hidrogen terkompresi (H2) dan mengungkapkan uji coba penerbangan AS untuk pesawat twin-turboprop 19 kursi yang sama dimodifikasi Dornier Do 228 menurut roadmapnya untuk mensertifikasi pesawat H2 20 kursi dengan jarak 500 mil pada 2023.
- Agustus 2020 — Universal Hydrogen (Los Angeles, California, AS) mengumumkan modul tangki ganda untuk pesawat 50 kursi (lihat foto), plus logistik dan infrastruktur pengisian ulang untuk maskapai regional/operator untuk menjadi komersial pada 2024.
Kelayakan hidrogen sebagai sumber bahan bakar — terlepas dari industri — tergantung pada pengembangan cepat berbagai teknologi transportasi, pengiriman dan penyimpanan yang masih muda tetapi berkembang pesat. Komersialisasi teknologi ini tidak akan mudah, tetapi sedang ditangani. Di bawah ini adalah ringkasan beberapa pekerjaan yang sedang dilakukan.
Universal Hydrogen
Didirikan bersama pada 2020 oleh Paul Eremenko, ex-CTO untuk Airbus SE (Leiden, Belanda) dan United Technologies Corp. (Farmington, Connecticut, AS), tujuan Universal Hydrogen adalah untuk membantu transisi menuju penerbangan difungsikan hidrogen dengan menyediakan infrastruktur pengisian bahan bakar hidrogen. Komponen kunci adalah modul bahan bakarnya yang terdiri dari dua tangki penyimpanan H2 dalam frame plastik diperkuat serat karbon (CFRP). “Kami akan menyediakan modul ke lokasi sesuai kebutuhan, jadi tidak ada kebutuhan untuk infrastruktur penyimpanan hidrogen,” jelas CTO Universal Hydrogen J.P. Clarke. “Modul tersebut cukup dimuat ke dalam pesawat seperti baterai atau bekal galley.”
Kredit Foto: Universal Hydrogen
Modul telah dikembangkan terlebih dahulu untuk pesawat turboprop regional Dash 8 dan ATR 50 kursi. Modul ini akan menampilkan tangki panjang 7 kaki dengan diameter 3 kaki, menggunakan serat karbon untuk menyimpan gas H2 pada 850 bar mencapai densitas 50 kg/m3, atau tangki logam terinsulasi untuk menyimpan hidrogen cair (LH2) pada tekanan dan suhu standar mencapai densitas 71 kg/m3. Meskipun tangki LH2 menawarkan efisiensi volumetrik yang lebih tinggi, tangki terinsulasi tetapi tidak diturunkan suhu harus digunakan dalam 42 jam karena LH2 menguap jika tidak dijaga pada -253°C. “Kedua jenis tangki akan berada dalam frame komposit ringan, teroptimalkan struktural yang juga memberikan resistensi dampak dan beberapa kemampuan penangga beban,” kata Clarke.
Tangki gas H2 akan mencakup liner polimer tidak melewatkan yang dilapisi dengan lapisan serat karbon kering dan lapisan pelindung serat aramid Kevlar di luar. “Tidak ada kebutuhan untuk resin,” Clarke menjelaskan. “Liner menangani permeabilitas, sementara serat karbon menangani beban lingkar dan aksial dan lapisan luar plus frame mencegah kerusakan; jadi berat dan ketebalan berkurang. Desain terintegrasi tangki dan frame ini, ketika digabungkan dengan pemetaan fungsi ke setiap lapisan tangki, telah memungkinkan kami untuk mendapatkan beberapa peningkatan signifikan dalam mass fraction.”
Mass fraction dihitung dengan membagi massa hidrogen yang disimpan dengan seluruh modul, jadi semakin besar mass fraction, semakin baik. “Kami telah melakukan studi trade yang sangat luas melihat mass fraction dan efisiensi volumetrik dalam konteks pesawat Dash 8 dan ATR,” Clarke mencatat. “Jadi, Anda melihat volume dan berat bahan bakar versus apa yang dapat muat di pesawat ini, jarak yang dapat dicapai dan bobot maksimum start, distribusi berat, dll. Dengan gas H2 pada 850 bar, kami dapat terbang sekitar 400 mil laut dengan cadangan 45 menit dan sekitar 550 mil laut dengan tangki LH2. Namun, jarak rata-rata untuk misi turboprop sekitar 300 mil laut, jadi mayoritas besar penerbangan ini dapat dilakukan dengan sistem gas H2 menggunakan tangki CFRP.”
Apakah Universal Hydrogen akan bekerjasama dengan produsen tangki komposit? “Strategi kami adalah bekerjasama di tempat yang masuk akal dan tetap pada bisnis inti kami,” kata Clarke. Dia menekankan fokus Universal Hydrogen: “Kami ingin menjadi penyedia bahan bakar dan infrastruktur. Kami akan menyediakan modul, dan kami akan mengirimkannya ke tempat yang dibutuhkan sehingga mitra kami dapat fokus pada sisa desain dan operasi pesawat. Tujuan kami adalah menjadi pengubah permainan untuk penerbangan difungsikan hidrogen.”
SpaceTech4Sea
Seperti penerbangan, pelayaran juga tengah menghadapi regulasi yang dirancang untuk mengurangi emisi CO2 dan gas rumah kaca (GHG) lainnya. Dari Januari 2018, kapal dengan lebih dari 5.000 gross ton yang memuat atau memuat muatan atau penumpang di pelabuhan di Wilayah Ekonomi Eropa (EEA) harus memantau dan melaporkan emisi CO2 mereka. Lebih jauh lagi, sebagai bagian dari konvensi MARPOL untuk mengurangi polusi dari kapal, Organisasi Maritim Internasional (IMO) telah mewajibkan sejak Januari 2020 bahwa sulfur dalam bahan bakar minyak harus diturunkan dari 3,50% m/m (massa terhadap massa) menjadi 0,50%. IMO juga telah berkomitmen pada strategi GHG awal untuk mencapai pengurangan 50% pada 2050 dibandingkan tingkat 2008.
“Peluang terbaik untuk kepatuhan adalah beralih awal ke gas alam cair (LNG),” ujar Dr. Panayotis Zacharioudakis, managing director Ocean Finance (Atena, Yunani), sebuah firma perwalian yang memajukan kelautan berkelanjutan dan koordinator proyek EC SuperGreen dan SpaceTech4Sea. SuperGreen akan menciptakan sistem transportasi berkelanjutan dan hijau di Yunani yang terdiri dari kapal komuter listrik dan dua kapal katamaran hibrid LNG/listrik yang akan menghubungkan pelabuhan Piraeus dengan pelabuhan lain di jaringan Mediterania timur. “Untuk proyek ini, kami sedang membangun ferry kecepatan tinggi dalam CFRP,” Zacharioudakis menjelaskan. “Jika kami menggunakan tangki LNG logam state-of-the-art, itu akan bersepuluh metrik ton, yang setara dengan sedikit lebih dari 70 penumpang [100 kilogram per orang dengan bagasi]. Jadi, kami harus mengurangi kapasitas penumpang sebesar 70 orang.”
Mengapa beban tambahan? “Dibandingkan dengan solar, LNG harus disimpan pada suhu kriogenik -163°C dan tangki logam harus menggunakan bahan, konstruksi, isolasi dan sistem operasi yang memenuhi persyaratan IMO untuk bahan bakar gas, atau kode IGF,” Zacharioudakis mengatakan. Untuk Ocean Finance, beban tambahan tidak dapat diterima, jadi mereka mulai meneliti solusi yang mungkin dan menemukan laporan tentang cryotanks yang dikembangkan Cimarron Composites (Huntsville, Alabama, AS) dengan NASA.
“Ini adalah saat kami memulai proyek EASME (European Agency for SMEs) SpaceTech4Sea,” Zacharioudakis mengatakan. “Ide adalah memodifikasi teknologi penerbangan untuk aplikasi maritim.” Mitra proyek ketiga adalah badan klasifikasi American Bureau of Shipping (ABS, Houston, Texas, AS), yang akan memvalidasi dan mensertifikasi teknologi. Pada September 2019, ABS memberikan persetujuan prinsip (AIP) untuk desain konseptual Cimarron dari tangki LNG komposit yang mampu kriogenik dan ultra-ringan. Sejak itu, mereka telah membangun dan menguji tangki sub-skala dan skala penuh untuk sertifikasi. “Mereka baru saja menyelesaikan pengujian terakhir,” Zacharioudakis mengatakan. “Dalam waktu sedikit lebih dari dua bulan, kami akan memiliki sertifikasi penuh untuk tangki LNG komposit untuk pasar maritim. Tangki ini akan memberikan penghematan berat lebih dari 85% dibandingkan tangki logam konvensional.”
Meskipun sebagian besar spesifikasi tangki adalah milik milik, pendiri dan presiden Cimarron Composites Tom DeLay mengatakan itu terbuat dari serat karbon dan resin termoakur canggih menggunakan beberapa infusi resin dan filament winding basah. “Kami telah menguji tangki diameter 25 inci dan 40 inci dan sedang berbicara dengan pembuat kapal ferry CFRP untuk SuperGreen tentang tangki dengan kapasitas lima meter kubik [5.000 liter], yang dapat dicapai dengan tangki diameter 2 meter dan panjang 2,5 meter.” Ocean Finance melihat pasar untuk lebih dari seribu tangki semacam itu dan akan bekerja sama dengan Cimarron untuk mendirikan produksi otomatis, mungkin di Yunani.
Dan bagaimana dengan hidrogen? “Bahkan sementara kami menyelesaikan proyek LNG ini, kami telah mulai melihat hidrogen,” Zacharioudakis mencatat. “Ada begitu banyak minat, aktivasi dan pendanaan yang tersedia di Eropa. Satu masalah, namun, adalah regulasi maritim menentukan tangki harus menyediakan waktu penyimpanan hingga 15 hari untuk LNG. Ini akan sama untuk LH2.” DeLay mengakui bahwa mengembangkan tangki yang mampu kriogenik untuk LH2 (-253ºC, lihat di atas) jauh lebih sulit daripada mengembangkan tangki yang mampu kriogenik untuk LNG (-196ºC); di antara tantangan adalah menemukan bahan yang dapat menahan kelemahan dan retakan. Dia sekarang bekerja sama dengan Ocean Finance untuk membantu menyelesaikan studi trade, melihat faktor teknis dan ekonomi penggunaan hidrogen cair versus gas untuk kapal laut.
Tangki Neptune untuk gas H2
Secara khusus, Cimarron Composites telah mengembangkan tangki CFRP tipe IV untuk penyimpanan tekanan tinggi hidrogen dan gas lainnya. “Tangki Jupiter asli kami dikembangkan untuk pengiriman sebagian besar gas industri, termasuk hidrogen, pada tekanan 4.350 psi [300 bar],” DeLay mengatakan. “Namun, hidrogen diangkut secara lebih efektif pada tekanan yang lebih tinggi, itulah mengapa kami mengembangkan tangki Neptune 7.500 psi [517 bar].”
Kedua tangki Jupiter dan Neptune telah lulus serangkaian tes menurut persyaratan UN ISO 11515 dan tersedia dalam berbagai diameter dan panjang hingga 26 kaki. “Tangki ini dikembangkan untuk pengiriman dalam modul standar oleh truk, kereta api atau kapal,” Delay mencatat. “Kami telah menemukan bahwa diameter 30 inci memiliki efisiensi kemasan yang ideal, memungkinkan kami untuk mengangkut lebih banyak hidrogen daripada dengan silinder diameter yang lebih besar. Dengan panjang 19 kaki, kami dapat memuat sembilan tangki dalam wadah standar 20 kaki. Dengan 67 kilogram gas hidrogen per tangki, kami dapat memindahkan 600 kilogram dalam wadah 20 kaki dan 1.200 kilogram dalam wadah standar 40 kaki.”
“Kami membeli serat karbon dari semua pemasok utama, termasuk Toray [Tokyo, Jepang], Mitsubishi Rayon [Tokyo], Teijin [Rockwood, Tennessee, AS] dan Hyosung [Seoul, Korea Selatan],” tambah DeLay, “tetapi untuk Neptune kami telah mensertifikasi dengan tiga pemasok berbeda secara bersamaan. Kami memformulasikan resin kami sendiri menggunakan produk yang tersedia secara komersial dan sangat mengontrol konten serat dan resin serta tegangan selama filament winding dan siklus curing oven untuk mencegah stres termal. Semuanya ini menambahkan performa mekanis tangki.”
Terlepas dari apakah kebutuhan adalah untuk penyimpanan cair kriogenik atau penyimpanan gas tekanan tinggi, DeLay melihat peluang semakin besar. “Kami telah membutuhkan bertahun-tahun untuk mengembangkan keahlian kami,” katanya, “dimulai dari tangki bahan bakar roket hingga tangki penyimpanan dan pengangkutan besar yang kami kembangkan dan produksi sekarang. Sebelum satu tahun, saya skeptis tentang hidrogen, berpikir alasan satu-satunya adalah dorongan dari pemerintah. Tapi sekarang kami mendapatkan pesanan yang sangat besar dan semua macam permintaan. Kami dapat melihat bahwa, secara global, berbagai macam industri berinvestasi secara serius pada hidrogen dan pemerintah mendukung perkembangan ini. Tampaknya kami siap dengan produk yang tepat pada waktu yang tepat.”
