Geri Dön

Type 4 700 bar hydrogen storage tank optimization study

Tip 4 700 bar hidrojen depolama tankı optimizasyon çalışması

  1. Tez No: 930932
  2. Yazar: KADİR DEMİRCİ
  3. Danışmanlar: DR. ÖĞR. ÜYESİ DEMET BALKAN, PROF. DR. NURİ BÜLENT ERSOY
  4. Tez Türü: Yüksek Lisans
  5. Konular: Uçak Mühendisliği, Aeronautical Engineering
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2025
  8. Dil: İngilizce
  9. Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
  10. Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
  11. Ana Bilim Dalı: Uçak ve Uzay Mühendisliği Ana Bilim Dalı
  12. Bilim Dalı: Uçak ve Uzay Mühendisliği Bilim Dalı
  13. Sayfa Sayısı: 115

Özet

Bu çalışma, hidrojen depolamak amacıyla tasarlanan kompozit sargılı basınçlı kapların (COPV) tasarım ve optimizasyonundaki önemli bir boşluğa işaret ederek, 50 mm'yi aşan kalın laminaların kürlenmesi sırasında sıklıkla göz ardı edilen termal aşırı ısınma sorununa odaklanmaktadır. Ansys Composite Cure Simulation (ACCS) gibi gelişmiş simülasyon araçları kullanılarak, kürlenme sürecini iyileştirmek amacıyla çok kademeli sıcaklık profilleri, ön kürleme stratejileri ve çift yüzeyli ısıtma teknikleri gibi yenilikçi yöntemler geliştirilmiştir. Optimizasyon sonucunda, 310°C'yi aşan termal aşırı ısınmalar 230°C'nin altına düşürülmüş ve bu sayede kompozit sargılı basınç kapların (COPV) tabakalar arası kayma mukavemeti (ILSS) ile yapısal bütünlüğü önemli ölçüde güçlendirilmiştir. Elde edilen bulgular, yüksek basınçlı hidrojen depolama alanındaki üretim standartlarını yükseltmenin yanı sıra, kalın kompozit uygulamalarında ısıl yönetim için ölçeklenebilir bir yöntem sunarak hidrojen teknolojilerinin daha güvenli ve verimli benimsenmesine zemin hazırlamaktadır. Kompozit malzemeler, tarihsel bağlamda antik uygarlıkların çamur ve saman karışımı yapılarından günümüzdeki yüksek performanslı karbon fiber takviyeli plastik (CFRP) sistemlere uzanan geniş bir yelpazede değerlendirilmektedir. Malzemenin temelini oluşturan matris fazı (polimer, metal veya seramik) ile takviye fazı (lif, partikül vb.) arasındaki sinerjik etkileşim, kompozitlerin özgün mekanik ve fiziksel özellikler sunmasına zemin hazırlamaktadır. Yüksek mukavemet, düşük ağırlık ve korozyon direnci gibi avantajlar nedeniyle özellikle polimer matrisli kompozitlerin (PMCs) havacılık, otomotiv ve enerji sektörlerinde yaygın kullanım alanı bulduğu gözlenmektedir. Matris olarak termoset (örneğin epoksi) veya termoplastik (örneğin polietilen, polipropilen) reçinelerin tercih edildiği bu sistemlerde, karbon, cam veya aramid lifleri gerilme taşıyan esas fazı oluşturmaktadır. Dolayısıyla, lif içeriği, sarım düzeni, matris özellikleri ve üretim koşulları gibi çok sayıda parametrenin nihai ürün performansını önemli ölçüde etkilediği anlaşılmaktadır. Hidrojenin enerji dönüşümündeki rolü, iklim değişikliği ve sürdürülebilir enerji politikaları doğrultusunda giderek artmaktadır. Yanma ürünü olarak yalnızca su açığa çıkarması, hidrojenin en temiz yakıt adaylarından biri olarak öne çıkmasını sağlamaktadır. Bununla birlikte, hidrojenin düşük yoğunluğu ve yanıcılık özellikleri, depolama ve taşıma aşamalarında ileri düzeyde mühendislik çözümlerini gerektirmektedir. Mevcut depolama yöntemleri arasında, katı hâlde (metal hidrürler, gözenekli yapılar), kriyojenik sıvı hâlinde ve yüksek basınçta gaz hâlinde depolama seçenekleri bulunmakta olup her bir yöntem, uygulamaya özel avantaj ve zorluklar taşımaktadır. Bu bağlamda, yüksek basınçlı gaz depolama, özellikle taşıt uygulamalarında pratik bulunmakla birlikte, basınçlı tankların hem hafif hem de mekanik açıdan dayanıklı olması esastır. Burada kompozit malzemelerle üretilen, xxvi özellikle karbon fiber takviyeli epoksi matrisli basınçlı kaplar (Composite Overwrapped Pressure Vessels, COPVs) büyük önem kazanmaktadır. Tip 4 hidrojen tankları, iç astar (liner) olarak genellikle yüksek yoğunluklu bir polimer kullanılması ve dış katmanların tamamen karbon fiber takviyeli bir reçine sistemiyle sarmalanması (filament winding) esasına dayanan tasarımı ifade etmektedir. Bu tanklar, 700 bar seviyesine varan çalışma basınçlarına ulaşabilmekte ve metal astarlı (Tip 3) seçeneklere kıyasla daha düşük ağırlık sunarak yakıt ekonomisi ve menzil avantajı sağlamaktadır. Tank üretiminde kullanılan filament sarma yöntemi, sürekli liflerin belirli açılarda mandrel üzerine sarılarak eksenel ve çevresel yükleri karşılayacak şekilde tasarlanmasına olanak tanımaktadır. Liflerin sarım açısı, katman sayısı, reçine tipi ve kür koşulları gibi etmenler, tankın nihai performansını doğrudan etkilemektedir. Özellikle hidrojen sızıntısına karşı astarın bütünlüğü, fiber-matris ara yüzünün sağlamlığı ve kürlenme sırasındaki termal gerilmelerin kontrolü, bu tankların ömrü ve güvenliği açısından kritik nitelik taşımaktadır. Bu bağlamda, tez çalışmasının odak noktası olan kürleme süreci, epoksi esaslı reçinenin kimyasal olarak sertleşerek (cross-link) yüksek mekanik ve termal kararlılık kazandığı aşamayı ifade eder. Özellikle kalın kompozit laminatlarda (30 mm ve üzeri), ekzotermik reaksiyonun açığa çıkardığı ısı yeterince uzaklaştırılamadığı takdirde sıcaklık aşımı (overshoot) meydana gelmekte, bu ise reçinenin hedeflenen kür sıcaklığının çok ötesine geçmesine yol açmaktadır. Yüksek sıcaklık, özellikle 280°C'yi aştığı durumlarda, reçinenin moleküler bozunmasına, mikro çatlak oluşumuna, lif-matris ara yüzünde zayıflamaya ve tabakalar arası kesme dayanımında (Interlaminar Shear Strength, ILSS) ciddi düşüşlere neden olabilmektedir. Dolayısıyla, 700 bar gibi yüksek basınç uygulamalarında çalışacak kompozit tanklar için bu durum kritik bir emniyet riski yaratmaktadır. Tez kapsamında, ilk aşamada genel amaçlı bir epoksi bazlı karbon towpreg'in (12k) termal ve mekanik özellikleri (DSC, DMA, ILSS, çekme testleri) incelenmiş; elde edilen veriler doğrultusunda elde edilen mekanik özelliklerin yeterli performansı gösterememesi sebebiyle bu malzemenin 700 bar seviyesindeki yoğun gerilme koşullarına uygun olmadığı anlaşılmıştır. Bu nedenle, yüksek basınç uygulamalarına daha uygun olduğu bilinen AS4_8552 gibi ileri seviye kompozit sistemler dikkate alınarak tez çalışması ilerletilmiştir. Ansys Composite Cure Simulation (ACCS) aracı kullanılarak gerçekleştirilen sayısal analizlerde, imalatçı tarafından önerilen standart kür profili (örneğin 1°C/dk ısıtma rampı, 110°C ve 180°C'de sırasıyla 60 ve 120 dakikalık bekleme süreleri) kalın laminatlarda 310°C civarında bir sıcaklık aşımı yaratmıştır. Bu değer, hedeflenen proses sıcaklığını (180°C) yaklaşık 130°C aşmış olup kompozit yapıyı termal bozulma riskine maruz bırakmaktadır. İzleyen aşamalarda, sıcaklık aşımını kontrol altına almak amacıyla çeşitli optimizasyon stratejileri araştırılmıştır. Isıtma rampalarının daha düşük hızlarda uygulanması (0,5°C/dk veya daha düşük) overshoot değerini bir miktar düşürmüş ancak tek başına yeterli olmamıştır. Ön-kür (pre-curing) yöntemiyle iç katmanların kısmen sertleştirilmesi, sarım sırasında iç-dış katmanlar arasındaki reaksiyon zamanlamasını eşitleyerek iç bölgelerdeki ısının daha kontrollü dağılmasına katkı sağlamıştır. Bununla birlikte, elde edilen sonuçlar halen hedeflenen 210°C düzeyinin altına tam olarak inememiştir. Çift yüzeyli ısıtma yaklaşımı (mandrelin hem içinden hem de dışından ısıtma) deneysel ve sayısal düzeyde başarılı bulunmuş, ancak endüstriyel ölçekte uygulama zorlukları görece yüksek olduğundan alternatif iyileştirme yöntemleri üzerinde de durulmuştur. xxvii Bu doğrultuda, çok kademeli (multi-dwell) sıcaklık profilleri denenmiş; 110°C, 125°C, 150°C gibi basamaklarda duraklama süreleri eklenerek, kür sırasında açığa çıkan ısının kademeli bir şekilde uzaklaştırılması amaçlanmıştır. Farklı ramp oranları ve çoklu dwell adımları sayesinde sıcaklık aşımının 202–210°C bandına çekilebildiği gözlemlenmiştir. Aynı zamanda minimum ve maksimum kür oranları arasındaki fark azaltılarak tabakalar arası mekanik bütünlüğün korunmasına yönelik önemli bir adım atılmıştır. Özellikle iç katmanlarda eksik kürlenme ve dış katmanlarda aşırı kürlenme kaynaklı mekanik uyumsuzluklar bu sayede giderilmeye çalışılmıştır. Ayrıca, ön-kür tekniğinin de kombine edildiği senaryolarda, minimum kür oranının yüzde 92'lerin üzerine çıkarıldığı ve aşırı ısınmanın ise kabul edilebilir düzeylere çekildiği görülmüştür. Sonuç olarak, bu tez çalışması ile kalın kompozit laminatların kürlenme aşamasında karşılaşılan sıcaklık aşımı sorununun, yüksek basınçlı hidrojen tanklarının yapısal bütünlüğünü ciddi şekilde tehdit ettiği ortaya konulmuş; bununla birlikte, optimizasyon adımları uygulanarak risklerin önemli ölçüde hafifletilebileceği gösterilmiştir. Çoklu dwell teknikleri, düşük ramp oranları, ön-kür uygulamaları ve çift taraflı ısıtma yöntemleri gibi farklı stratejilerin birleşik veya ayrı ayrı uygulanması, 700 bar hidrojen tankı üretimindeki ısıl yönetim sorunlarının üstesinden gelmek için etkili araçlar sunmaktadır. İleri araştırmaların, proses parametrelerinin daha sofistike optimizasyon yöntemleri ve gerçek zamanlı sensör verileriyle beslenerek geliştirilmesi, aynı zamanda laboratuvar ortamındaki bulguların tam ölçekli prototip testleriyle desteklenmesi önem taşımaktadır. Bu sayede, hidrojen ekonomisinin olmazsa olmazı kabul edilen güvenilir, hafif ve yüksek performanslı kompozit basınçlı tankların üretimine katkı sağlanması hedeflenmektedir. Elde edilen deneysel ve sayısal bulgular, hidrojenin ulaşım ve enerji depolama alanlarında yaygınlaşması kapsamında oldukça kıymetli içgörüler sunmaktadır. Başta otomotiv sektörü olmak üzere, havacılık ve diğer endüstriyel uygulamalarda da benzer kalın kompozit parça imalatlarında benzer zorluklar yaşanması olasıdır. Bu tez, Tip 4 hidrojen tanklarında yaşanan kür optimizasyonu sorununa odaklanmakla birlikte, geliştirilen model ve yöntemlerin daha geniş bir malzeme-mühendislik problemleri yelpazesine uyarlanabileceğini göstermektedir. Neticede, düşük karbon salınımlı bir gelecek için temiz enerji altyapısının önemli bir halkası olarak konumlanan hidrojen ekonomisinde, ileri kompozit malzemeler ve bunların üretim yöntemlerinin sürekli geliştirilmesi kritik bir araştırma sahası olmayı sürdürecektir.

Özet (Çeviri)

This study addresses a critical gap in the design and optimization of composite overwrapped pressure vessels (COPVs) for hydrogen storage, focusing on the rarely explored challenge of thermal overshoots during the curing of thick laminates exceeding 50 mm. Utilizing advanced simulation tools such as Ansys Composite Cure Simulation (ACCS), the research introduces innovative methodologies—including multi-dwell temperature profiles, pre-curing strategies, and dual-surface heating techniques—to optimize the curing process. The optimized techniques reduce thermal overshoots from over 310°C to below 210°C, significantly enhancing the interlaminar shear strength (ILSS) and structural integrity of the COPVs. These findings not only advance the manufacturing standards for high-pressure hydrogen storage but also provide a scalable framework for thermal management in other thick composite applications, paving the way for safer and more efficient adoption of hydrogen technologies. Hydrogen has emerged as a promising alternative energy carrier due to its clean and sustainable nature, making it an attractive option for various industrial sectors such as automotive and renewable energy. However, storing hydrogen at high pressures presents significant technical challenges, notably the safe and efficient containment of thick composite layers. In traditional curing cycles, exothermic reactions within these thick laminates can cause severe temperature overshoots, leading to resin degradation, microstructural damage, and compromised mechanical performance. To address these challenges, this research employs both experimental methods and finite element simulations on Type IV hydrogen storage tanks. A general-purpose epoxy-based carbon towpreg material was initially tested and subsequently replaced with a higher-performance system (AS4_8552) to meet stringent mechanical requirements. The study highlights how optimizing curing cycles for thick composite laminates is essential for ensuring the long-term durability and safety of hydrogen storage systems. Key outcomes demonstrate that incorporating multi-dwell temperature profiles, precuring, and dual-surface heating strategies significantly reduces peak internal temperatures, enhancing the ILSS and overall mechanical properties of COPVs. By curbing temperature overshoots, the proposed methods bolster structural reliability and prolong the service life of high-pressure hydrogen storage vessels. These results contribute to establishing improved production methods and standards for COPVs, thus enabling more robust and efficient storage solutions for hydrogen-based technologies.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    794786

    LaCoO3 as a catalyst precursor for CO2 hydrogenation to methane: Effects of calcination temperature on catalytic properties

    CO2 hidrojenasyonu ile metan Üretimi için bir katalizör öncüsü olarak LaCoO3: Kalsinasyon sıcaklığının katalitik özelliklere etkisi

    EZGİ DEMİRÖZ

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2022

    Kimya MühendisliğiKoç Üniversitesi

    Kimya ve Biyoloji Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. ALPER UZUN

  2. Tez No

    420443

    Rhombic hareket mekani̇zmalı bi̇r Sti̇rli̇ng motorunun tasarımı ve performans anali̇zi̇

    Design and performance analysis of a Stirling engine with rhombic drive mechanism

    ERSEN AKYEL

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2015

    EnerjiAfyon Kocatepe Üniversitesi

    Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. FATİH AKSOY

  3. Tez No

    114900

    Gama tipi bir stirling motorunun tasarımı, imali ve performans analizi

    Design, manufacturing and performance analysis of a gamma type stirling engine

    CAN ÇINAR

    Doktora

    Türkçe

    Türkçe

    2001

    Makine MühendisliğiGazi Üniversitesi

    Makine Eğitimi Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. ATİLLA KOCA

    DOÇ. DR. HALİT KARABULUT

  4. Tez No

    573127

    Rhombic hareket mekanizmalı bir Stirling motorunda farklı çalışma akışkanlarının motor performansına etkilerinin incelenmesi

    Examination of effects of different working fluids on engine performance in a rhombic drive Stirling engine

    NİHAT ERKAN SAĞLAM

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2019

    EnerjiAfyon Kocatepe Üniversitesi

    Otomotiv Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. FATİH AKSOY

  5. Tez No

    667502

    Paslanmaz çelik bilya ve cam küre ile bilyalı dövülen AA7075 alaşımının yüzey ve yüzey altı özelliklerinin incelenmesi

    Understanding surface and subsurface properties of AA7075 alloy shot peened by stainless steel shots and glass beads

    OKAN YETİK

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2020

    Makine MühendisliğiKocaeli Üniversitesi

    Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. EGEMEN AVCU

Geri Dön