Het Britse National Composites Centre (NCC) heeft een demonstrator voor opslagtanks voor vloeibare waterstof ontwikkeld met een lengte van 750 mm, een diameter van 450 mm en een inhoud van meer dan 96 liter vloeibare waterstof.

De tank is ontworpen en vervaardigd met een nominale wanddikte van 4,0 tot 5,5 mm, waardoor deze een druk van 85 bar kan weerstaan. De carrosserie van koolstofvezelcomposiet weegt slechts 8 kilogram en verdere gewichtsoptimalisatie is gepland. NCC gebruikt 300 mm brede MTC510-prepreg van epoxykoolstofvezel. MTC510 is een epoxyharssysteem dat is ontworpen om uit te harden tussen 80°C en 120°C en is gehard om de schadetolerantie te verbeteren. BINDATEX leverde de prepreg-tape, die nauwkeurig werd gesneden tot een breedte van 6,35 mm en werd teruggestuurd als 22.000 meter materiaal voor gebruik in Coriolis-apparatuur voor automatische vezelplaatsing (AFP). Het Coriolis AFP-apparaat werd gebruikt om de 6,35 mm prepreg-tape rond een wasbare mal te wikkelen, waarbij het wikkelproces werd gecontroleerd door gespecialiseerde software om zowel het spiraalvormige als het hoepelwikkelen te beheren. Het wikkelproces, met meer dan 24 lagen en een dikte tot 5,5 mm, kan worden aangepast om de specifieke druk- of belastingsvereisten van de tank te optimaliseren.

De kernmal, met een wanddikte van 30 mm, werd in twee delen gegoten en vervolgens aan elkaar verlijmd. Het gereedschap bevat drie wasbare interne verstevigingsringen die zijn ontworpen om bestand te zijn tegen de verwachte torsiebelastingen tijdens het automatisch plaatsen van de composietlaag en de druk die wordt uitgeoefend tijdens het uitharden in de autoclaaf. Metalen vloeistofkleppoorten zijn geïntegreerd in de wasbare kernvorm, waardoor er geen secundaire montage- en hechtingswerkzaamheden aan het eindproduct nodig zijn. Deze poorten worden in de latere fasen van het productieproces met het koolstofcomposiet verbonden. Na het opwikkelen wordt de tank geïnspecteerd op defecten en diktevariaties, uitgehard in een autoclaaf bij 100°C en opnieuw geïnspecteerd. Niet-destructief onderzoek na uitharding (NDT) met behulp van ultrasone C-scan en thermografie wordt vergeleken om eventuele defecten zoals delaminaties en porositeiten te identificeren. Ten slotte wordt de interne kernmal gespoeld met koud water onder druk om ervoor te zorgen dat de tankholte schoon is.

Waarom vloeibare waterstof gebruiken in burgervliegtuigen?

Waterstof heeft een gewichtsenergiedichtheid van 33,3 kWh/kg, vergeleken met kerosine van 12 kWh/kg. Onder normale druk en temperatuur heeft waterstof een dichtheid van 0,090 kg/m³. Bij 700 bar (700 maal de normale atmosferische druk) bedraagt ​​de dichtheid van waterstof 42 kg/m³, waardoor een tank van 125 liter 5 kg waterstof kan opslaan. Bij -252,87°C en 1,013 bar heeft vloeibare waterstof een dichtheid van bijna 71 kg/m³, waardoor een tank van 75 liter 5 kg waterstof kan opslaan. Het opslaan van vloeibare waterstof in tanks met lage temperatuur helpt het volume verder te verminderen.

• 3000 liter gasvormige waterstof bij normale temperatuur en druk komt qua energie overeen met 1 liter vliegtuigkerosine.

• 6 liter gasvormige waterstof bij 700 bar komt qua energie overeen met 1 liter vliegtuigkerosine.

• 4 liter vloeibare waterstof bij -252,87°C en 1,013 bar levert dezelfde energie als 1 liter vliegtuigkerosine.

Uit deze gegevens blijkt duidelijk dat de opslag van vloeibare waterstof (-252,87°C) het kleinste opslagtankvolume vereist. Kleinere tankvolumes zijn gemakkelijker te integreren in de aerodynamische vorm van een vliegtuig.

Belangrijkste technische problemen van opslagtanks voor vloeibare waterstof bij lage temperatuur (-252,87°C):

1. De vloeibare waterstof in de tank beneden -253°C houden:Momenteel wordt tussen de binnen- en buitentanks een vacuümgeïsoleerde structuur gebruikt. De binnentank is gemaakt van met koolstofvezel versterkte harscomposieten, terwijl de buitentank meerdere lagen speciale isolatie bevat.

2. Interne systemen in de tank installeren en onderhouden:De uitdaging van het installeren en onderhouden van pijpleidingen en systeemcomponenten in de tank bij gebruik van het huidige vezelwikkelproces.

3. Materiaalkeuze voor de tank en zijn interne componenten:De impact van de omgeving met lage temperaturen (-252,87°C) op de materialen die voor de tank en zijn interne componenten worden gebruikt.

4. Testtechnieken bij lage temperaturen en technologieën voor het beheer van brandstofslobben.

5. Blijvend frequente starts en landingen:De waterstoftank moet ongeveer 20.000 starts en landingen kunnen doorstaan.

Impact op de vliegtuigstructuur

De brandstoftanks in de vleugelconstructie van een vliegtuig zijn holtes die worden gebruikt om brandstof op te slaan. Een vleugeltank van de A320 kan ongeveer 20 ton luchtvaartkerosine opslaan (vergelijkbaar voor Boeing 737 en COMAC C919). Ter vervanging van kerosine door vloeibare waterstof kon een cilindrische tank voor vloeibare waterstof van 94 m³ alleen in de achterste romp worden geïnstalleerd, waardoor de romp aanzienlijk moest worden verlengd. De achterste romp heeft een conische vorm met een maximale diameter van minder dan 4 meter. Het eenvoudigweg verlengen van de romp om plaats te bieden aan een tank van 94 m³ is onpraktisch; daarom moet de rompdiameter ook worden vergroot.

In het nieuwe A320-ontwerp zijn een ronde en een conische tank in de achterste romp geïnstalleerd. Of de rompdiameter zal worden vergroot, is echter nog onduidelijk, hoewel dit waarschijnlijk is. Groot-Brittannië heeft een burgervliegtuigontwerp op vloeibare waterstof onthuld, waarbij de “FZN-1E” met smalle romp de huidige A320 zal vervangen. Dit nieuwe ontwerp verlengt de romp met 10 meter, vergroot de diameter met 1 meter, heeft een cabine-indeling met twee gangpaden, opnieuw ontworpen vleugels, toegevoegd"voorvlakken"op de neus en motoren op de staart.

Voortgang

Motoren voor civiele vliegtuigen zijn er in twee soorten: turbopropmotoren en turbostraalmotoren. Voor vliegtuigen met turbopropmotoren wekt waterstof elektriciteit op via brandstofcellen om generatoren aan te drijven die de propellers aandrijven. Dit type motor wordt voornamelijk geïnstalleerd op regionale vliegtuigen met 10 tot 70 zitplaatsen en kleine vliegtuigen voor de algemene luchtvaart. Met deze vliegtuigtypen begon het eerste onderzoek op waterstof. Op 12 april vloog een Duits waterstof-elektrisch vliegtuig met 4 zitplaatsen “HY-4” met succes van Stuttgart naar Friedrichshafen. Later dit jaar zien we mogelijk waterstof-elektrische vliegtuigen met 19 zitplaatsen “Dornier” en “Q-400” en “ATR72-600” met 75 zitplaatsen in de lucht. In april 1988 maakte de Sovjet-Unie een testvlucht met een gemodificeerde Tu-155 met een turbostraalmotor met vloeibare waterstof. Na het uiteenvallen van de Sovjet-Unie zette Rusland dit onderzoek niet voort.

Momenteel produceren en ontwikkelen slechts vier bedrijven wereldwijd burgervliegtuigen met meer dan 100 zitplaatsen: Boeing, Airbus, COMAC en Rusland. Volgens een recent rapport in de buitenlandse media doen alleen Boeing en Airbus daadwerkelijk onderzoek naar toepassingen voor burgerluchtvaartuigen met vloeibare waterstof. Het project van Boeing, dat ruim tien jaar geleden op kleine schaal werd uitgevoerd"Dimona"propellerzweefvliegtuig, was voorlopig. Airbus loopt voorop en is begonnen met vliegtests op grote hoogte met turbofanmotoren op vloeibare waterstof. Ze hebben ook voorlopige ontwerpen geleverd voor drie typen vliegtuigen: propellervliegtuigen, vliegtuigen met 150 zitplaatsen en vliegtuigen met een brede romp. Er is meer informatie beschikbaar over het vliegtuig met 150 zitplaatsen, dat de A320 met één gangpad en 150 zitplaatsen zal vervangen, die al bijna 40 jaar op de markt is. Airbus is van plan een"nieuwe A320"tussen 2030 en 2035. Het nieuwe vliegtuig zal beschikken over een"albatros"aerodynamische configuratie met ultrahoge aspectverhouding, opvouwbare, flapperende vleugeltips en geen kuipkleppen. De gebruikte materialen zijn thermohardende, met koolstofvezel versterkte epoxyharscomposieten voor de vleugels en hoogwaardige thermoplastische koolstofvezelcomposieten voor de romp. Dit nieuwe vliegtuig zal vloeibare waterstof gebruiken in plaats van vliegtuigkerosine, met als ontwerp- en productiedoel de productie van 70 tot 100 vliegtuigen per maand. Airbus loopt ver voor op Boeing wat betreft de ontwikkeling van vliegtuigen op vloeibare waterstof (er is geen informatie gerapporteerd over de vervanging van de 737 door Boeing door vloeibare waterstof).

Wat kunnen we doen?

Het gebruik van waterstof in plaats van fossiele brandstoffen pakt niet alleen de CO2-uitstoot aan, maar is ook van strategisch belang voor landen die geen olievoorraden hebben. China is de grootste waterstofproducent ter wereld, met een jaarlijkse productie van ongeveer 33 miljoen ton. Verschillende bedrijven zijn betrokken bij de productie van vloeibare waterstof, en China is wereldwijd de op een na grootste producent van koolstofvezels. Het ontwikkelen en produceren van composiet waterstofopslagtanks heeft dus een solide materiële basis.

De verschillende opslagtanks voor vloeibare waterstof in de lucht- en ruimtevaart die in dit artikel worden besproken, laten zien dat opslagtanks zijn ontworpen en vervaardigd om te voldoen aan de specifieke behoeften en structurele ruimtes van verschillende producten. Momenteel gebruiken veel industriële producten nog steeds fossiele brandstoffen of elektriciteit uit het elektriciteitsnet. Deze kunnen overwegen om over te stappen op waterstofstroom. Op het gebied van waterstofopslag moet er een breed scala aan producten worden ontwikkeld en er staan ​​ons veel taken te wachten.

Sommige gegevens in dit artikel, afkomstig van internet, zijn herhaaldelijk op juistheid gecontroleerd. Deze gegevens kunnen worden gebruikt om de initiële ontwerpafmetingen en capaciteit van waterstofopslagtanks te schatten.