Nghiên cứu và ứng dụng container bồn chứa hydro lỏng dựa trên giá đỡ vòng treo sợi carbon

Ngày 26 tháng 8 năm 2026
Annie Nguyễn

Các nhà khoa học từ Công ty TNHH Thiết bị Năng lượng CIMC Nam Thông (Trung Quốc) và Trường Cơ khí, Đại học Đông Nam đã công bố một nghiên cứu quan trọng trên tạp chí Energies về việc phát triển một loại container bồn chứa hydro lỏng sử dụng giá đỡ vòng treo bằng vật liệu composite gia cường sợi carbon (CFRP).

Lưu trữ và vận chuyển hydro lỏng quy mô lớn là chìa khóa để hiện thực hóa nền kinh tế hydro. Container bồn chứa (tank container) đang trở thành thiết bị chủ lực nhờ tính linh hoạt, cho phép tích hợp lưu trữ và vận chuyển đa phương thức. Tuy nhiên, thách thức cốt lõi là duy trì môi trường nhiệt độ cực thấp khoảng -253°C, đòi hỏi cấu trúc giá đỡ giữa vỏ trong và vỏ ngoài phải đồng thời đáp ứng các yêu cầu khắt khe: độ bền cao, độ dẫn nhiệt thấp và độ tin cậy cao.

Nghiên cứu tập trung vào toàn bộ quá trình phát triển một giá đỡ vòng treo CFRP mới, bao gồm lựa chọn vật liệu, thiết kế lớp, quy trình tạo hình, thử nghiệm cơ học ở nhiệt độ cực thấp và thử nghiệm mỏi. Vòng treo được chế tạo bằng quy trình quấn ướt, sử dụng sợi carbon T700 và nhựa epoxy hai thành phần chịu nhiệt độ cực thấp do nhóm nghiên cứu phát triển. Nhựa này có độ nhớt thấp ở nhiệt độ phòng (≤550 mPa·s), tạo điều kiện cho sợi ngấm nhựa tốt, và sau khi đóng rắn có nhiệt độ chuyển hóa thủy tinh vượt quá 180°C.

Kết quả thử nghiệm cho thấy vòng treo sợi carbon đạt độ bền kéo vượt quá 2800 MPa ở -269°C, cao hơn khoảng 25-30% so với ở nhiệt độ phòng, thể hiện hiệu ứng tăng cường cơ học ở nhiệt độ cực thấp. Quan trọng hơn, độ dẫn nhiệt tương đương của vòng treo chỉ khoảng 0,036 W/(m·K) ở -269°C, thấp hơn khoảng 88% so với cấu trúc thép không gỉ cùng kích thước (khoảng 0,3 W/(m·K)), giúp giảm đáng kể lượng nhiệt truyền từ vỏ ngoài vào vỏ trong qua cầu lạnh.

Các thử nghiệm độ bền mỏi cho thấy vòng treo chịu được một triệu chu kỳ tải ở cả nhiệt độ phòng và nhiệt độ nitơ lỏng (-196°C) mà không xảy ra hư hỏng cấu trúc, đáp ứng yêu cầu tuổi thọ cho hoạt động lâu dài. Tốc độ thoát khí của vật liệu trong chân không chỉ đạt 1,4 × 10⁻⁸ Pa·m³/(s·g), đáp ứng yêu cầu của hệ thống cách nhiệt chân không cao, giúp duy trì chân không trong khoang giữa hai vỏ bồn.

Vòng treo CFRP được tích hợp vào container bồn chứa hydro lỏng 40 ft tiêu chuẩn quốc tế (loại 1AA), có thể tích 40,4 m³, áp suất làm việc tối đa 1,2 MPa, chứa tối đa 2550 kg hydro lỏng. Kết quả thử nghiệm thực tế cho thấy tỷ lệ bay hơi nitơ lỏng hàng ngày ở mức 0,082%/ngày, tương ứng với tỷ lệ bay hơi hydro lỏng dưới 0,5%/ngày. Thời gian giữ áp (holding time) trước khi áp suất đạt 0,14 MPa vượt quá 192 giờ (8 ngày) với tỷ lệ nạp hydro lỏng 90%, đáp ứng yêu cầu vận hành tối đa 6 ngày đối với container vận chuyển đường bộ và còn dư biên độ an toàn đáng kể.

Mặc dù vòng treo CFRP có chi phí nguyên vật liệu và gia công cao hơn so với thép không gỉ truyền thống, lợi ích vận hành bù đắp cho chi phí đầu tư ban đầu. Với độ dẫn nhiệt giảm khoảng 88%, tỷ lệ bay hơi hàng ngày dưới 0,5%/ngày giảm hơn 60% so với thiết kế giá đỡ bằng kim loại. Trong vòng 10 năm sử dụng, khoản tiết kiệm tích lũy từ việc giảm thất thoát sản phẩm có thể bù đắp đáng kể chi phí ban đầu. Ngoài ra, khối lượng riêng thấp hơn của CFRP giúp giảm trọng lượng bản thân hệ thống, tăng khả năng chuyên chở và giảm mức tiêu hao nhiên liệu hoặc điện năng trong quá trình vận chuyển.

Nghiên cứu này cung cấp hỗ trợ kỹ thuật then chốt cho thiết bị lưu trữ và vận chuyển hydro lỏng có hiệu suất cách nhiệt cao và thời gian hoạt động dài. Cấu trúc vòng treo sợi carbon đề xuất có thể được mở rộng áp dụng cho các bồn chứa và vận chuyển ở nhiệt độ cực thấp khác. Các nghiên cứu trong tương lai sẽ tập trung vào làm dẻo hóa nhựa để cải thiện độ dẻo dai ở nhiệt độ cực thấp, thử nghiệm mỏi toàn bộ với hydro lỏng, và phát triển mô hình cơ-nhiệt kết hợp để dự đoán tuổi thọ chính xác hơn.

Nguồn: Energies (MDPI), 2026, 19(16), 3871
Link tham khảo: https://www.mdpi.com/1996-1073/19/16/3871