STELIA Aerospace Composites innoviert Wasserstoffspeicherung

CW-Leser kennen STELIA Aerospace (Toulouse, Frankreich) von unserer Berichterstattung über den Thermoplast-Composite-Rumpfdemonstrator im ARCHES-TP-Projekt und meinen Besuch der Méaulte-Anlage 2019. Das Unternehmen verfügt jedoch über ein tiefes Reservoir an Composite-Expertise an mehreren Standorten, für diverse Teile und Prozesse. STELIA Aerospace Composites (Salaunes, Frankreich) liegt bei Bordeaux. Der Standort beschäftigt 330 Mitarbeiter auf 40.000 m² Werkstattfläche mit eigenem integriertem Prüflabor. Es umfasst drei Kernbereiche: Aerostrukturen, Flugzeugkabinenkomponenten und filamentgewickelte Gasspeichersysteme. Letztere werden für Sauerstoff, Stickstoff und Wasserstoff eingesetzt und sind seit über 35 Jahren Kerngeschäft.

Erfahrung in Luftfahrt-Tanks

Als Tochter von STELIA Aerospace liegt der Fertigungsschwerpunkt von STELIA Aerospace Composites auf Druckbehältern für Luft- und Raumfahrt sowie Verteidigungsanwendungen. „Wir verfügen über industrielles Filamentwicklungsvermögen für Tanks bis 5.000 Liter“, sagt Christophe Blois, CTO von STELIA Aerospace Composites. „Wir spezialisieren uns auf das komplette Tankdesign, maßgeschneidert an technische Kundenanforderungen: Dimensionierung, Materialtest und -auswahl, FEA-Modellierung, Qualifizierungstests (Druckzyklen, Bersten) und Überwachung von Zertifizierungskampagnen nach verschiedenen Industriestandards und -vorschriften.“

Er verweist darauf, dass STELIA Aerospace Composites in unter 18 Monaten das Design für eine wichtige Satellitentankanwendung完成, konform mit Qualifikationsstandards der Raumfahrtindustrie und mit voll optimierten Produktionskosten. „Wir haben es qualifiziert, industrialisiert und befinden uns mitten in der Fertigung von vier Serien.“

Fortschritte bei Wasserstofftanks

STELIA Aerospace Composites hat Composite-Tanks für Wasserstoffspeicherung von 2,4 bis 143 Litern und Drücken von 100 bis 700 bar produziert. „Wir sind führend im Tankdesign und haben ein sehr großes Ökosystem, mit dem wir arbeiten“, sagt Blois.

Im November 2016 verkündete STELIA Aerospace Composites die Entwicklung eines neuen 140-Liter-Carbonfaser/Epoxid-Composite-Speichertanks für Wasserstoff zur Reichweitenverbesserung von Brennstoffzellen-Elektrofahrzeugen (FCEV). Dies entspricht etwa dem Volumen des 2021 Toyota Mirai und Honda Clarity FCEVs, wobei nur der Clarity einen einzelnen Tank nutzt. Mirai und Hyundai Nexo verwenden jeweils drei Tanks.

Faurecia erwarb im Mai 2017 eine exklusive Lizenz für IP und Prozess-Know-how zu Composite-Wasserstofftanks von STELIA Aerospace Composites. Im April 2018 stellten beide Unternehmen gemeinsam einen modernen Wasserstoffspeichertank-Prototyp auf der Hyvolution in Paris aus. Faurecia strebte an, führend in Brennstoffzellentechnologie zu werden und prognostizierte 5 Millionen FCEVs bis 2035.

Wie ich mit Co-Autor Mike Favaloro im SAMPE-Papier 2021 „Projected growth rate of carbon fiber usage in hydrogen powered vehicles“ darlegte, ist das Hauptproblem bei Druckgastanks die geringe volumetrische Dichte von Wasserstoffgas. Selbst bei 700 bar müssen Verdichtungsgastanks (CGH₂) größer sein als Flüssigwasserstofftanks (LH₂). Beispiel: 5 kg Wasserstoffgas passen in einen 125-Liter-Tank bei 700 bar und Umgebungstemperatur, während 5 kg flüssiger Wasserstoff in einem 75-Liter-Tank bei Umgebungsdruck und -252,87 °C kryogen gespeichert werden können (Quelle: Air Liquide). Daher schaut die Luftfahrt auf LH₂ für Flugzeuge, während Autohersteller Lösungen für Raum- und Gewichtsprobleme von CGH₂-Tanks suchen. Höherer Druck und größere Größe für die erforderliche Reichweite erhöhen den Bedarf an Carbonfaser-Composite und damit die Tankkosten.

Der 69-Liter-Tank von Faurecia erreicht eine höhere Massenfraktion als die drei 2021 in Produktion befindlichen FCEV-Autos. Die Massenfraktion ist das Verhältnis von Wasserstoffgasmasse zur Tanksystemmasse (Speichereffizienz). Einzig ein Prototyp eines kryo-komprimierten (CcH₂) Tank/CGH₂-Tank-Kombination von BMW (2012–2015) weist höhere Speichereffizienz auf – ein Hybrid aus LH₂ und CGH₂, der durch Kälte (z. B. -233 °C bis -193 °C) und Druck (z. B. 350 bar) Siedeverluste klassischer LH₂-Tanks eliminiert und höhere Speicherdichten als CGH₂ und sogar LH₂ erreicht. Dieses System ist aktuell nicht für Serienfahrzeuge verfügbar.

Diskussion zukünftiger H₂-Tankentwicklung

Als CTO seit 30 Jahren im Unternehmen befragte ich Blois zur Zusammenarbeit mit Air Liquide und ob der globale Industriedienstleister ernsthaft Composite-Speichertanks entwickeln könnte. „Sie interessieren sich für Composite-Tanks für Wasserstoff, und wir haben mit ihnen gearbeitet“, sagt er. „Generell werden Composites wirklich nur für mobile Systeme genutzt, wegen der für Fahrzeugreichweite nötigen Wasserstoffmenge und dem Bestreben, Gewicht zu reduzieren, um die Reichweite zu verlängern. Für stationäre Anwendungen gab es bisher wenig Interesse an Composite-Lösungen.“ Blois merkt an, dass die meisten stationären Wasserstoffspeicher bei niedrigeren Drücken arbeiten. „Composite-Tanks machen Sinn bei 700 bar, aber nicht bis 200 bar. Dafür kann man Metalltanks nutzen.“

Können große Tanks Drücke über 700 bar nutzen? „Drücke bis 1.000 bar sind denkbar“, sagt Blois. „Die Wanddicke des Composite-Tanks ist direkt mit Betriebsdruck und Tankdurchmesser verknüpft. Derzeit gibt es eine Wanddickengrenze, ab der die Composite-Leistung abnimmt.“

Was ist mit flüssigem vs. komprimiertem gasförmigem Wasserstoff für die Luftfahrt? „Wegen der großen Wasserstoffmenge in Flugzeugen ist die höhere Dichte von kryogenem Gas interessanter als komprimiertes Gas“, sagt Blois. „Doch es ist schwer, 40 K bis 80 K [-233 °C bis -193 °C] in Tanks über so lange Zeit zu halten. Es sind noch technische Lösungen nötig.“

Gibt es Chancen für Thermoplast-Composites in Wasserstofftanks? „Für die Struktur zukünftiger Tanks, aber nicht für heute“, sagt Blois. „Für 700-bar-Tanks im großen Maßstab ist es heute nicht effizient, Thermoplast-Composites einzusetzen und die Tankgefäß-Leistung zu erreichen. Die Technologie thermoplastischer Liner (für Typ-IV-Tanks) ist jedoch entscheidend für die Tankleistung, und in Zukunft könnte ein global thermoplastischer Tank Recyclingfähigkeit und Nachhaltigkeit erhöhen.“

Wo sehen Sie den Markt für Composite-Wasserstoffspeichertanks in den nächsten 5–10 Jahren? „In den ersten fünf Jahren wird die Arbeit an Wasserstoffgasspeichertanks fortgesetzt, und es bleibt viel Hausaufgaben für uns“, sagt Blois. „Da erste Tests in Flugzeugen mit Wasserstoffgasspeicher laufen, wird Zeit benötigt, um die nötige Technologie für Flüssigwasserstoffspeicher zu entwickeln und Reife zu erlangen, aber das sollte in einigen Jahren möglich sein.“

Wo wird STELIA Aerospace Composites die Wasserstoffspeicherung weiter vorantreiben? „Unser Fokus liegt auf Luft- und Raumfahrt“, sagt Blois, „aber wir sind offen für Diskussionen und fühlen uns sehr verantwortlich, den Übergang zu Null-Emissionen zu unterstützen. Wir sind auch in der Lage, Mittelserienproduktion von Hochdrucktanks (700 bar) zu starten und alle Chancen zu evaluieren.“