STELIA Aerospace Composites Inova no Armazenamento de Hidrogênio

Leitores da CW conhecerão a STELIA Aerospace (Toulouse, França) de nossa cobertura de seu demonstrador de fuselagem compósito termoplástico no projeto ARCHES TP e minha visita à instalação de Méaulte em 2019. A empresa, no entanto, tem um profundo reservatório de expertise em compósitos, abrangendo múltiplas localizações, peças e processos. A STELIA Aerospace Composites (Salaunes, França) está localizada fora de Bordeaux. O local emprega 330 pessoas com 40.000 metros quadrados de oficinas e seu próprio laboratório de testes integrado. Também compreende três segmentos de negócio principais: aeroestruturas, componentes de cabine de aeronave e sistemas de armazenamento de gás filament-wound. Este último pode ser usado para qualquer coisa, de oxigênio a nitrogênio a hidrogênio, e tem sido um segmento de negócio principal por mais de 35 anos.

Experiência em Tanques Aeroespaciais

Como subsidiária da STELIA Aerospace, a maior parte da experiência de manufatura da STELIA Aerospace Composites tem sido com vasos de pressão para aplicações aeroespaciais e de defesa. "Temos capacidade industrial de filament winding para tanques até 5.000 litros", diz Blois, "e nos especializamos no design completo de tanques, adaptados para atender às necessidades técnicas de nossos clientes. Isso inclui dimensionamento, teste e seleção de materiais e modelagem de elementos finitos (FEA), bem como testes de qualificação (como ciclagem de pressão e estouro) e monitoramento de campanhas de certificação para atender aos vários padrões e regulamentos da indústria."

Ele aponta que em menos de 18 meses, a STELIA Aerospace Composites completou o design para uma importante aplicação de tanque de satélite, compatível com os padrões de qualificação da indústria espacial e com custos de produção totalmente otimizados. "Qualificamos, industrializamos e agora estamos no meio de completar quatro séries de manufatura."

Avançando Tanques de Hidrogênio

A STELIA Aerospace Composites produziu tanques compósitos para armazenamento de hidrogênio variando de 2,4 a 143 litros e pressões de 100 a 700 bar. "Somos líderes em design de tanque e temos um ecossistema muito grande com o qual trabalhamos", diz Blois.

Em novembro de 2016, a STELIA Aerospace Composites anunciou que havia desenvolvido um novo tanque de armazenamento de hidrogênio compósito de fibra de carbono/epóxi de 140 litros visando melhorar a autonomia para veículos elétricos de célula de combustível (FCEVs). Este é aproximadamente o mesmo volume de hidrogênio armazenado no Toyota Mirai 2021 e Honda Clarity FCEVs, como pode ser visto na tabela na Fig. 1. No entanto, apenas o Clarity usa um único tanque. Os outros dois FCEVs atualmente em produção — o Mirai e o Hyundai Nexo — ambos usam três tanques.

A Faurecia anunciou em comunicado de imprensa de maio de 2017 que havia adquirido uma licença exclusiva para a propriedade intelectual e know-how de processo sobre tanques de hidrogênio compósitos da STELIA Aerospace Composites. Em abril de 2018, as duas empresas exibiram conjuntamente um protótipo de tanque de armazenamento de hidrogênio de ponta no evento Hyvolution em Paris. A Faurecia explicou que visava ser líder em tecnologia de célula de combustível, prevendo que 5 milhões de FCEVs estarão operacionais até 2035.

Como expliquei com meu co-autor Mike Favaloro no artigo SAMPE 2021 intitulado "Taxa de crescimento projetada de uso de fibra de carbono em veículos movidos a hidrogênio", a principal questão para tanques de gás comprimido é a baixa densidade volumétrica do gás hidrogênio. Mesmo a uma pressão de 700 bar, tanques de gás comprimido (CGH₂) devem ser maiores que tanques de hidrogênio líquido (LH₂). Por exemplo, 5 quilogramas de hidrogênio gasoso podem ser armazenados em um tanque de 125 litros a 700 bar e temperatura ambiente enquanto 5 quilogramas de hidrogênio líquido podem ser armazenados em um tanque de 75 litros à pressão ambiente e criogênica -252,87°C (fonte: "Como o Hidrogênio é Armazenado?" pela Air Liquide). É por isso que a indústria da aviação está olhando para LH₂ para aeronaves e por que fabricantes de automóveis buscam soluções para os problemas de espaço e peso dos tanques CGH₂. Além disso, a maior pressão e grande tamanho necessários para atender à autonomia requerida por diferentes fabricantes de carros e caminhões aumenta a quantidade de compósito reforçado com fibra de carbono necessário, e assim o custo do tanque.

Olhando para o gráfico e tabela acima, o tanque de 69 litros desenvolvido pela Faurecia atinge uma fração de massa maior que os três carros FCEV 2021 atualmente em produção. Nota: a fração de massa é a razão entre a massa de gás hidrogênio e a massa do sistema de tanque e também referida como eficiência de armazenamento. O único sistema com eficiência de armazenamento maior que a relatada pela Faurecia é um protótipo de combinação tanque criogênico-comprimido (CcH₂)/CGH₂ desenvolvido pela BMW e relatado de 2012-2015. Esse sistema — que atualmente não está disponível para veículos de produção — é um híbrido entre sistemas LH₂ e CGH₂. Usando temperaturas frias (ex: -233°C a -193°C) mas também pressão (ex: 350 bar), a BMW afirmou ser possível eliminar problemas de boil-off em tanques LH₂ tradicionais enquanto atinge densidades de armazenamento muito maiores que sistemas CGH₂ e até LH₂.

Discussão sobre Desenvolvimento Futuro de Tanques H₂

Como diretor técnico da STELIA Aerospace Composites, Blois está na empresa há 30 anos. Pergunto sobre o trabalho de sua empresa com a Air Liquide e se a empresa global de gases industriais poderia ser séria sobre desenvolver tanques de armazenamento compósitos. "Eles estão interessados em tanques compósitos para hidrogênio, e trabalhamos com eles", diz ele. "Em geral, compósitos são realmente usados apenas para sistemas móveis devido à quantidade de hidrogênio necessária para autonomia do veículo e um impulso para reduzir peso para estender essa autonomia. Para aplicações estacionárias, não houve muito interesse por uma solução de compósitos." Blois também aponta que a maioria das aplicações de armazenamento de hidrogênio estacionário opera a pressões mais baixas. "Tanques compósitos fazem sentido se você trabalha a 700 bar, mas não se trabalha a pressões até 200 bar. Para isso, você pode usar um tanque metálico."

Tanques grandes podem usar pressões maiores que 700 bar? "Pressões até 1.000 bar podem ser consideradas", diz Blois. "A espessura das paredes compósitos do tanque está diretamente ligada à pressão de serviço e ao diâmetro do tanque. Atualmente há um limite na espessura da parede do tanque além do qual o desempenho dos compósitos diminui."

E sobre usar hidrogênio líquido versus gás comprimido para aviação? "Devido à grande quantidade de hidrogênio necessária em uma aeronave, a maior densidade do gás criogênico é mais interessante que gás comprimido", diz Blois. "No entanto, é difícil manter uma temperatura de 40K a 80K [-233°C a -193°C] em tanques por tanto tempo. Ainda é necessário trabalhar em soluções técnicas."

Há oportunidade de usar compósitos termoplásticos em tanques de hidrogênio? "Para a estrutura do vaso em tanques futuros, mas não para hoje", diz Blois. "Para tanques de 700 bar em grande escala hoje, não é eficiente usar compósitos termoplásticos e atingir o desempenho no vaso do tanque. No entanto, a tecnologia de revestimentos termoplásticos (para tanques tipo IV) é de fato chave para o desempenho do tanque, e no futuro, um tanque termoplástico global pode ser capaz de aumentar reciclabilidade e sustentabilidade."

Onde você vê o mercado para tanques de armazenamento de hidrogênio compósitos nos próximos 5 a 10 anos? "Nos primeiros cinco anos achamos que o trabalho continuará em tanques de armazenamento de gás hidrogênio, e ainda há muito dever de casa para nós fazer", diz Blois. "Sabendo que os primeiros testes em aeronaves estão sendo realizados usando armazenamento de gás hidrogênio, haverá algum tempo necessário para desenvolver a tecnologia necessária e atingir maturidade no armazenamento de hidrogênio líquido, mas isso deve ser possível em vários anos."

Onde a STELIA Aerospace Composites continuará trabalhando para avançar o armazenamento de hidrogênio? "Nosso foco principal é aeronáutica e espaço", diz Blois, "mas estamos abertos a discussões e nos sentimos muito responsáveis em ajudar com a transição para zero emissões. Também somos capazes de iniciar operação para produção de média série de tanques de alta pressão (700 bar) e continuar avaliando todas as oportunidades."