Gewichtsoptimalisatie van de waterstofwagen van de toekomst
Het minimaliseren van de menselijke, ecologische voetafdruk en het behouden van een comfortabele en betaalbare levenswijze is waarschijnlijk een van de grootste uitdagingen van de 21e eeuw.
Een van de terreinen waar op dit moment veel innovatie plaatsvindt in deze context is de auto-industrie, waar wordt gezocht naar alternatieven voor auto’s op fossiele brandstof. Een belangrijk voorbeeld van deze alternatieven zijn brandstofcel-elektrische voertuigen. Ze combineren een lage uitstoot met een gebruikspatroon dat vergelijkbaar is met dat van auto’s op fossiele brandstof. Vooral voor zwaar transport lijken ze interessant.
Hoewel het fysieke concept aantrekkelijk lijkt, moet er nog veel technologische ontwikkeling en optimalisatie plaatsvinden. Dit proefschrift richt zich op een essentieel onderdeel van het aandrijfsysteem in een brandstofcel elektrisch voertuig: het drukvat waar de waterstof (en dus de energie) wordt opgeslagen. Het is verreweg het zwaarste onderdeel van het aandrijfsysteem en verhoogt dus de vermogensbehoefte van het voertuig aanzienlijk. Als oplossing om het gewicht van de constructie te beperken, wordt gezocht naar alternatieve materialen ter vervanging van staal. Een materiaalgroep met een zeer hoge specifieke sterkte en stijfheid zijn de vezelcomposieten. Hoewel ze technisch beter presteren, blijven er enkele problemen.
Vezelcomposieten zijn minder matuur en hun mechanisch gedrag is inherent moeilijker te modelleren. Hierdoor hebben bedrijven tegenwoordig de keuze tussen twee onaantrekkelijke opties: grote tijdrovende en dure experimentcampagnes uitvoeren of een zeer grote veiligheidsfactor gebruiken. De industriestandaard voor de veiligheidsfactoren van composiet drukvaten ligt nu rond de 2,25.
Dit proefschrift behandelt een alternatieve benadering om de structurele betrouwbaarheid van een composiet drukvat te beoordelen, een zogenaamde ringtest. Hier wordt de hydraulische druk van de waterstof nagebootst door een radiaal contactmechanisme jegens een ringmonster. Op deze manier kan veel materiaal worden bespaard.
De ambitie is om een template te ontwikkelen waarin de ringtest wordt gecombineerd met een uitgebreide virtuele testcampagne (= eindige elementenmodel). Deze combinatie zou de kosten van de testcampagne kunnen beperken, terwijl de veiligheidsfactor redelijk laag blijft.
In dit proefschrift worden modellen voor de ringtest ontwikkeld en geverifieerd. Relaties tussen de ontwerpvariabelen, andere gegevens en de barstdruk worden bestudeerd. Op deze manier wordt een objectieve en cijfermatige inschatting gemaakt van de (na)delen van de ring test.
