Optimización del comportamiento termo-mecánico de tanques para almacenamiento de hidrógeno mediante el empleo de nanopartículas inorgánicas

SOLDANI JULIAN; ASARO LUCIA; EXEQUIEL S RODRIGUEZ

La Plata

Workshop; I Workshop Polímeros y Nanomateriales para la Industria Energética; 2022

YPF Tecnolgia Y-TEC

Uno de los desarrollos necesarios para poder utilizar al hidrógeno como vector energético está relacionado al almacenamiento del mismo a presiones elevadas, que van desde los 350 a los 700 bares según sea su aplicación. Los tanques tipo IV, conformados por un liner polimérico (típicamente polietileno de alta densidad o poliamidas) y un recubrimiento de material compuesto (típicamente de fibra de carbono y resina epoxi) aportan soluciones eficientes en términos de peso, comportamiento mecánico y de permeación de gas. Actualmente no se han logrado fabricar comercialmente recipientes que puedan contener más del 7,5% de su peso en hidrogeno [1], principalmente debido a los altos factores de seguridad requeridos para operar de manera segura. Si bien se realizaron estudios que abordan las problemáticas asociadas a los recipientes de manera independiente, como la modificación de los polímeros para disminuir la difusividad del hidrógeno [2], o la incorporación de retardantes de llama para evitar la degradación térmica [3], aún no se ha realizado un enfoque integral que estudie la problemática del estrés térmico junto a la permeación del hidrógeno en este tipo de recipientes. Esto es importante considerando el amplio rango de temperaturas de trabajo a las que se somete el recipiente durante las operaciones de carga y descarga (-40°C - 85°C) y la posible exposición al fuego directo en caso de incidentes. En este trabajo se propone estudiar el efecto de la incorporación de diferentes nanopartículas tanto en el liner polimérico como en el material compuesto, con el objetivo de mejorar el desempeño mecánico y térmico de los materiales, analizando el comportamiento de los agregados bajo las condiciones de reales procesamiento a escala piloto. Para ello, se fabricó un prototipo de tanque tipo IV empleando las técnicas de rotomoldeo para el liner y de filament winding para el material compuesto, con el objetivo de caracterizar los materiales vírgenes (sin nanorefuerzos). Para el liner se utilizó HDPE y para la carcasa de material compuesto resina epoxi reforzada con fibra de carbono.En una segunda etapa se estudiarán a escala laboratorio cuáles son los efectos del agregado de nanotubos de alumosilicatos de origen natural a los materiales que conforman el recipiente. Estos datos alimentarán una red de inteligencia artificial basada en algoritmos evolutivos para obtener la secuencia de laminado más eficiente en términos de cantidad de material utilizado y resistencia mecánica. Por otro lado, se planea realizar un modelo de elementos finitos que permita obtener el diseño final del tanque, considerando todos los componentes que forman parte del mismo (end bosses, liner y recubrimiento). Este diseño será fabricado y sometido a diferentes ensayos mecánicos, térmicos y de permeación para validar el desarrollo.