新聞動(dòng)態(tài)
復(fù)合材料終端應(yīng)用市場(chǎng)之壓力容器
高壓儲(chǔ)氣罐是先進(jìn)復(fù)合材料，尤其是碳纖維纏繞復(fù)合材料最大和增長(zhǎng)最快的市場(chǎng)之一。雖然它們用于自給式呼吸器并在航空航天器上提供氧氣和氣體儲(chǔ)存，但主要的終端市場(chǎng)是儲(chǔ)存液體丙烷氣（LPG）、壓縮天然氣（CNG）、可再生天然氣（RNG）和氫氣（H2）。雖然液化石油氣罐可用于車輛，但發(fā)展中國(guó)家的烹飪和取暖市場(chǎng)也在不斷增長(zhǎng)。
CNG、RNG和H2燃料系統(tǒng)越來越多地用于乘用車、公共汽車、卡車和其他車輛，或用于大宗運(yùn)輸（也稱之為移動(dòng)管道）以供應(yīng)加油站或工業(yè)場(chǎng)所。在車輛中，這些燃料儲(chǔ)存罐是減少或零排放動(dòng)力系統(tǒng)的關(guān)鍵組成部分，可替代汽油、柴油和噴氣燃料的清潔替代品。這些動(dòng)力系統(tǒng)也為電池驅(qū)動(dòng)的車輛提供了一種無需充電的替代方案，其加油基礎(chǔ)設(shè)施和加油時(shí)間與化石燃料相似。
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壓力容器的五種類型
類型I：全金屬結(jié)構(gòu)，一般為鋼結(jié)構(gòu)
類型Ⅱ：多為金屬，環(huán)向有部分纖維包覆，多為鋼或鋁加玻璃纖維復(fù)合材料；一些纖維外包層，大部分是鋼或鋁，有玻璃纖維復(fù)合材料。金屬容器和復(fù)合材料分擔(dān)大約相等的結(jié)構(gòu)載荷
類型III：金屬內(nèi)襯，全復(fù)合材料包裹，一般為鋁，外加碳纖維復(fù)合材料。復(fù)合材料承擔(dān)結(jié)構(gòu)載荷
類型Ⅳ：全復(fù)合材料結(jié)構(gòu)，通常是聚酰**（PA）或高密度聚乙烯（HDPE）等聚合物內(nèi)襯，碳纖維或混合碳/玻璃纖維復(fù)合材料。復(fù)合材料承擔(dān)所有結(jié)構(gòu)載荷
類型Ⅴ：無內(nèi)襯，全復(fù)合材料結(jié)構(gòu)從歷史上來看，類型Ⅰ占據(jù)了90%以上的市場(chǎng)。然而，隨著使用復(fù)合材料減重并提高壓縮氣體存儲(chǔ)效率的III型和IV型容器的銷量增加，這種情況正在發(fā)生改變。V型仍處于起步階段，主要用于太空應(yīng)用，但隨著新太空產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，這是一個(gè)值得關(guān)注的領(lǐng)域。例如，2020年4月，Infinite Composites Technologies（ICT，美國(guó)俄克拉荷馬州塔爾薩市）開發(fā)了一種球形Ⅴ型低溫罐，用于火箭動(dòng)力太空運(yùn)載火箭上儲(chǔ)存低溫液體推進(jìn)劑。無襯里碳纖維/環(huán)氧樹脂低溫罐是通過長(zhǎng)絲纏繞和工業(yè)爐固化制造。 市場(chǎng)驅(qū)動(dòng)力和增長(zhǎng)
據(jù)了解，驅(qū)動(dòng)儲(chǔ)罐市場(chǎng)增長(zhǎng)的力量，絕大部分來自于通過從化石燃料轉(zhuǎn)向可再生、低排放燃料（例如CNG、RNG和H2）來減少氣候變化影響、目標(biāo)到2050年實(shí)現(xiàn)碳零排放的全球承諾。據(jù)國(guó)際能源署宣稱："根據(jù)最新報(bào)告《2050年零排放：全球能源部門路線圖》所述，迄今為止各國(guó)政府所做出的氣候承諾，即使完全實(shí)現(xiàn)，也遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到在2050年之前將全球與能源相關(guān)的二氧化碳（CO2）排放量降至零，同時(shí)還會(huì)將全球溫度上升限制在1.5℃左右。"
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美國(guó)政府已公布趨于淘汰的內(nèi)燃機(jī)（ICE）乘用車最新銷量目標(biāo)。圖片來源：國(guó)際清潔運(yùn)輸委員會(huì)（ICCT），2020年11月報(bào)告
美國(guó)印第安納州的康明斯，每年生產(chǎn)1.3億臺(tái)內(nèi)燃機(jī)（ICE）、且多用于公共汽車、中型和重型卡車。目前已投資開發(fā)燃料電池Class 8卡車和氫氣燃燒發(fā)動(dòng)機(jī)。2021年6月，康明斯表示，這種產(chǎn)品將在若干年后接近柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的總擁有成本（TCO），未來的重型運(yùn)輸將由氫氣、燃料電池或電池電力驅(qū)動(dòng)，而不是柴油。根據(jù)2021年Grandview Research的一份報(bào)告表明，2020年全球天然氣汽車（NGV）的銷量高于其之前的預(yù)測(cè)：2980萬輛，而其預(yù)測(cè)的是2440萬輛。它還預(yù)測(cè)2021年的銷量約為3100萬輛，到2028年增長(zhǎng)到3890萬輛，年復(fù)合增長(zhǎng)率為3.3%。DataIntelo聲稱I型儲(chǔ)罐約占CNG儲(chǔ)氣罐市場(chǎng)的55%，II型、III型和IV型儲(chǔ)罐市場(chǎng)份額分別約為25%、15%和5%。AJR咨詢公司和CarbConsult預(yù)測(cè)，復(fù)合材料壓力容器對(duì)碳纖維的需求將從2021年的13,100噸（MT）增長(zhǎng)到2026年的20,230噸。預(yù)計(jì)2021年碳纖維總需求量為106,700噸，預(yù)計(jì)到2026年將達(dá)到169,000噸。Roberts和Pichler估計(jì)，壓力容器中的大部分碳纖維將進(jìn)入移動(dòng)管道應(yīng)用（到2026年為6900噸）以及公共汽車和卡車（到2026年為6400噸）。另外，行業(yè)顧問，根據(jù)全球新氫能汽車的公告，以及每700巴/5.6公斤氫氣罐在60%的纖維含量下62-72公斤的碳纖維需求預(yù)測(cè)，到2030年僅儲(chǔ)氫罐的碳纖維需求量將就達(dá)到166,650噸。這還是保守估計(jì)，因?yàn)轭A(yù)計(jì)只有1%的重型卡車、不到10%的公共汽車和不到1%的汽車會(huì)使用氫氣。
壓力容器用復(fù)合材料
用于儲(chǔ)存氫氣的IV型復(fù)合材料壓力容器是通過在塑料襯墊上長(zhǎng)絲纏繞碳纖維和環(huán)氧樹脂制成。高度自動(dòng)化的交鑰匙罐體生產(chǎn)線由復(fù)合材料設(shè)備供應(yīng)商設(shè)計(jì)和生產(chǎn)，包括AutonationalComposites B.V. (荷蘭IJlst)、Engineering Technology Corp. (美國(guó)猶他州鹽湖城)、McClean Anderson (美國(guó)威斯康星州斯科菲爾德)、MIKROSAM (馬其頓Prilep)和Roth Composite Machinery(德國(guó)史迪芬貝格)，后者聲稱其新的Rothawin技術(shù)將氫氣罐的生產(chǎn)速度提高了5-10倍。MIKROSAM公司聲稱其客戶JSC DPO Plastik公司（俄羅斯捷爾任斯克）已啟用世界上最大的CNG和H2儲(chǔ)罐生產(chǎn)線，每年可纏繞6萬個(gè)儲(chǔ)罐。Cevotec公司（德國(guó)慕尼黑）報(bào)告說，通過在壓力容器的圓頂區(qū)域使用其纖維貼片放置（FPP）系統(tǒng)，可以節(jié)省20%的材料和周期時(shí)間。Cevotec公司的首席執(zhí)行官解釋說，儲(chǔ)罐中高達(dá)700巴的工作壓力可轉(zhuǎn)化為約10公斤的碳纖維用于1公斤氫存儲(chǔ)，這是一個(gè)非常高的比率。然而，FPP將碳纖維應(yīng)用于精確的補(bǔ)丁中，旨在覆蓋纖維纏繞過程中有時(shí)會(huì)出現(xiàn)問題的區(qū)域。據(jù)稱，一個(gè)FPP系統(tǒng)能夠從多臺(tái)繞線機(jī)中加固容器。盡管大多數(shù)用于壓縮氣體儲(chǔ)存的IV型壓力容器使用碳纖維作為結(jié)構(gòu)增強(qiáng)材料，并在外層使用玻璃纖維以抵抗損壞，但Umoe AdvancedComposites（UAC，挪威克里斯蒂安桑）僅使用玻璃纖維作為其IV型儲(chǔ)罐。UAC的目標(biāo)不是車輛，而是天然氣運(yùn)輸市場(chǎng)，它提供200至350巴的模塊，并將在2022年擴(kuò)大到450和500巴的儲(chǔ)罐。正如UAC首席執(zhí)行官Øyvind Hamre在CW的氫技術(shù)日活動(dòng)中所解釋的那樣，玻璃纖維增強(qiáng)聚合物（GFRP）儲(chǔ)罐的資本支出（CAPEX）與鋼制儲(chǔ)罐相同，但重量減少70%。同時(shí)，GFRP與CFRP氣瓶相比，資本支出減少了50%，但重量更高。
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左圖為IV型玻璃纖維儲(chǔ)罐。IV型玻璃纖維復(fù)合材料儲(chǔ)罐與碳纖維復(fù)合材料相比成本更低，但與鋼相比重量更輕（右圖中的橙色方塊）
H2在多個(gè)市場(chǎng)上加速發(fā)展
分銷也是Hexagon Purus（挪威阿勒松）、NPROXX（荷蘭海爾倫）的主要市場(chǎng)，后者現(xiàn)在是與Cummins和Cimmaron Composites（美國(guó)阿拉巴馬州亨茨維爾）的50/50合資企業(yè)，現(xiàn)已被Hanwha Solutions（韓國(guó)首爾）收購，并于2021年宣布在阿拉巴馬州奧佩利卡投資1.3億美元新建生產(chǎn)設(shè)施。儲(chǔ)氫罐的使用不僅在配送應(yīng)用中增加，而且在汽車、卡車、鐵路和海運(yùn)中也在增加。儲(chǔ)氣罐制造商NPROXX的董事總經(jīng)理兼銷售主管Michael Himmen說："歐洲生產(chǎn)的部分卡車將以氫氣為動(dòng)力。歐洲有立法規(guī)定，卡車OEM（原始設(shè)備制造商）必須在2030年前實(shí)現(xiàn)其生產(chǎn)的車隊(duì)的二氧化碳排放量比2019年的水平平均減少30%。"Himmen表示，多達(dá)5%的歐洲卡車可能會(huì)轉(zhuǎn)用H2，這可能總計(jì)15000-20000輛卡車/年。他認(rèn)為這將從2026-27年開始，年產(chǎn)量約為2000輛卡車，并穩(wěn)步增長(zhǎng)。如果每輛車有5到7個(gè)IV型儲(chǔ)罐，重型卡車在十年內(nèi)可能每年需要100,000個(gè)儲(chǔ)罐，需要6000噸碳纖維。在鐵路方面，Alstom阿爾斯通（法國(guó)巴黎）的H2動(dòng)力Coradia iLint列車已在德國(guó)投入使用；今年下薩克森州有14臺(tái)列車開始運(yùn)營(yíng)，到2022年將有27臺(tái)列車在萊茵-美茵地區(qū)投入使用。iLint也正在奧地利和荷蘭進(jìn)行測(cè)試。它的兩輛車使用24個(gè)IV型油罐，安裝在每輛車頂部的屋頂隔間中，其中還包含燃料電池。Hexagon Composites？怂箍祻(fù)合材料公司在其直徑為416毫米、長(zhǎng)3128毫米的重型儲(chǔ)罐的基礎(chǔ)上，為原型列車提供了H2儲(chǔ)罐，這些儲(chǔ)罐在350巴時(shí)可容納300升/9公斤的氫氣。iLint現(xiàn)在正使用NPROXX公司提供的350巴、500毫米直徑、2200毫米長(zhǎng)的儲(chǔ)罐。
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阿爾斯通已售出41輛Coradia iLint H2列車，并正在測(cè)試其他列車；法國(guó)鐵路公司SNCF已訂購12輛阿爾斯通Coradia Polyvalent雙模式高架動(dòng)力和H2區(qū)域列車；阿爾斯通正與英國(guó)Eversholt鐵路公司合作，將電動(dòng)列車轉(zhuǎn)換為H2 Breeze列車；西門子正在開發(fā)Mireo Plus H列車，將于2023-24年進(jìn)行測(cè)試
其他氫氣動(dòng)力列車開發(fā)項(xiàng)目包括西門子（德國(guó)慕尼黑）的兩節(jié)車和三節(jié)Mireo Plus H列車，將于2023-2024年在德國(guó)的幾條區(qū)域線路上進(jìn)行測(cè)試。同時(shí)，Hexagon Purus公司正在為Talgo公司（西班牙馬德里）的Vittal-One列車提供IV型H2儲(chǔ)罐，該列車預(yù)計(jì)將于2023年開始測(cè)試。Hexagon Purus還將向Stadler Rail（瑞士Bussnang）的第一輛FLIRT列車提供罐體，該列車將在瑞士建造和測(cè)試，然后轉(zhuǎn)移到加利福尼亞州的圣伯納迪諾，于2024年投入使用。在海運(yùn)方面，Hexagon Purus？怂箍灯杖鹚构居2021年6月宣布將成立一個(gè)新的子公司——Hexagon PurusMaritime？怂箍灯杖鹚购＿\(yùn)公司。"我們現(xiàn)在看到，海上對(duì)氫氣的需求正在迅速增加，"HexagonPurus的銷售和市場(chǎng)總監(jiān)Jørn Helge Dahl解釋說，"我們認(rèn)為，由于環(huán)境惡劣的影響，比如海水腐蝕，復(fù)合材料是海上應(yīng)用的理想儲(chǔ)存解決方案"。Dahl認(rèn)為，在國(guó)際海事組織（IMO，英國(guó)倫敦）制定的目標(biāo)推動(dòng)下，隨著2030年的到來，海運(yùn)業(yè)將看到越來越多的項(xiàng)目投入使用。其中包括，與2008年基線相比，所有新建船舶和現(xiàn)有船舶的二氧化碳排放量必須在2030年和2050年分別減少40%和70%。在航空航天領(lǐng)域，由于法國(guó)政府將Airbus空客的COVID-19救濟(jì)與到2035年將氫動(dòng)力商用飛機(jī)推向市場(chǎng)的需求相結(jié)合，引發(fā)了對(duì)氫的興趣在2020年突然飆升。到2020年夏天，Airbus空客公司啟動(dòng)其ZEROe計(jì)劃，包括三個(gè)飛機(jī)型號(hào)，其中后三分之一將被保留用于液態(tài)氫存儲(chǔ)，這需要低溫控制。另一種針對(duì)區(qū)域性渦輪螺旋槳飛機(jī)的選擇是Universal Hydrogen環(huán)球氫能公司（美國(guó)加州洛杉磯）開發(fā)的雙罐模塊，它使用了CFRP框架。環(huán)球氫能公司首席技術(shù)官J.P. Clarke解釋說："我們將根據(jù)需要向現(xiàn)場(chǎng)提供模塊，因此不需要儲(chǔ)氫基礎(chǔ)設(shè)施。這些模塊只需像電池或廚房用品一樣簡(jiǎn)單裝載到飛機(jī)上"。該公司在2021年宣布，已與三家地區(qū)航空公司簽署了意向書，用氫動(dòng)力推進(jìn)系統(tǒng)改造現(xiàn)有渦輪螺旋槳飛機(jī)。ZeroAvia（美國(guó)加州霍利斯特）于2021年4月宣布，它正在為50座支線飛機(jī)開發(fā)一種兩兆瓦（MW）的氫電動(dòng)力系統(tǒng)。據(jù)報(bào)道，該公司2021年的2430萬美元融資將幫助ZeroAvia公司最早在2024年實(shí)現(xiàn)商業(yè)化，并在2026年開始為商用支線飛機(jī)提供服務(wù)。
H2存儲(chǔ)挑戰(zhàn)
IV型儲(chǔ)罐也面臨著嚴(yán)重的問題。最值得注意的是，碳纖維的成本使這些儲(chǔ)罐非常昂貴。另一個(gè)關(guān)鍵問題是存儲(chǔ)密度。盡管壓縮的H2氣提供的能量是每質(zhì)量汽油的三倍，但其每體積能量相當(dāng)?shù)，需要大氣瓶來容納儲(chǔ)存足夠燃料所需的高壓。氫氣作為低溫液體在-253°C下儲(chǔ)存時(shí)，其實(shí)際密度更高，而在-230°C和300巴的低溫壓縮（CCH2）罐中儲(chǔ)存時(shí)，密度達(dá)到最高——據(jù)說與700巴的IV型罐相比，H2多存儲(chǔ)出50%。低溫儲(chǔ)罐通常為金屬，使用大量復(fù)合材料的產(chǎn)品尚未被證明具有與IV型壓縮氣體罐相同的性能和疲勞壽命，后者擁有超過25年的性能數(shù)據(jù)支持。另一個(gè)問題是，可能無法及時(shí)提供所需的大量碳纖維來滿足燃料電池汽車（FCV）和基礎(chǔ)設(shè)施所需的數(shù)百萬個(gè)儲(chǔ)罐。"獲得足夠的碳纖維是我們的主要關(guān)切點(diǎn)之一，"NPROXX的Himmen說。他的公司的業(yè)務(wù)從2020年到2021年翻了一番，明年還將如此。"而且我們不是唯一的一家；我認(rèn)為Hexagon？怂箍狄苍谝酝瑯拥乃俣仍鲩L(zhǎng)。我們需要具有一定質(zhì)量和性能的特定價(jià)格范圍內(nèi)的碳纖維。"大多數(shù)IV型儲(chǔ)罐分析使用Toray T700纖維[抗拉強(qiáng)度4900Mpa，模量230Mpa]或等效材料。"強(qiáng)度較低的纖維需要更多的纏繞，罐體變得更厚，這是不可接受的。如果你現(xiàn)在不知道明年的纖維來自哪里，你實(shí)際上可能不得不停止生產(chǎn)"。Ⅳ型儲(chǔ)罐增長(zhǎng)的另一個(gè)挑戰(zhàn)是碳纖維和CFRP儲(chǔ)罐成本。新的儲(chǔ)罐制造商和法國(guó)汽車一級(jí)供應(yīng)商Plastic Omnium (Lavallois)和Faurecia (Nanterre)已設(shè)定目標(biāo)，到2030年將Ⅳ型儲(chǔ)罐成本降低30-75%，同時(shí)將儲(chǔ)存效率提高到7%以上。正如在5月舉行的CW技術(shù)日氫氣活動(dòng)中所介紹的那樣，正在開發(fā)新的技術(shù)來幫助這些工作，從Cevotec（德國(guó)Unterhaching）的FPP技術(shù)用于減少罐頂?shù)?span lang="EN-US">CFRP時(shí)間和成本，到Cygnet Texkimp（英國(guó)Northwich）的3D纏繞來減少纖維損傷，到復(fù)合材料傳感器集成專家Com&Sens（比利時(shí)Eke）提議進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)儲(chǔ)罐監(jiān)測(cè)。
本文由中國(guó)復(fù)合材料工業(yè)協(xié)會(huì)綜編，文章不用于商業(yè)目的，僅供行業(yè)人士交流。轉(zhuǎn)載請(qǐng)注明來自中國(guó)復(fù)合材料工業(yè)協(xié)會(huì)。
