复合材料终端市场:2022压力容器

作者:本刊编译 发布时间:2022-01-10
到2050年实现零排放的全球目标,正在推动着复合材料压力容器的快速增长。


图1

复合材料的压力容器

高压气体储存容器是先进复合材料尤其是纤维缠绕碳纤维复合材料的最大且增长最快的市场之一。虽然它们可被用于自给式呼吸装置以及为航空航天器提供氧气和气体储存,但主要的终端市场却是对液化丙烷气(LPG)、压缩天然气(CNG)、可再生天然气(RNG)以及氢气(H2的储存。虽然LPG气罐可用于汽车,但发展中国家的烹饪和取暖市场对它的需求也在不断增长。

压缩天然气(CNG)、可再生天然气(RNG)和氢气(H2)等燃料系统已越来越多地被用于轿车、公共汽车、货车和其他车辆中,或者也用于被称作“移动管道”的补给加气站或工业场所的大宗运输中。在车辆应用中,这些燃料储罐是实现减排或取代汽油、柴油和喷射燃料的清洁零排放动力系统的重要组成部分。这些动力系统还为电池驱动的汽车提供一种免充电选项,所需的加气基础设施和加气时间与添加石化燃料类似。

压力容器有5种类型:

类型I:全金属结构,通常为钢结构。

类型II:大部分是金属,环向缠绕一些纤维,通常采用的是钢或铝金属以及玻璃纤维复合材料,金属容器与复合材料分担的结构载荷大致相同。

类型III:完全由复合材料包缠金属内胆,通常是在铝内胆外包缠碳纤维复合材料,复合材料承受结构荷载。

类型IV:全复合材料结构,通常是采用聚酰胺(PA)或高密度聚乙烯(HDPE)制成的内胆,内胆外部缠绕碳纤维或碳纤维/玻璃纤维混合的复合材料,复合材料承受全部的结构载荷。

类型V:无内胆,全复合材料的结构。

传统上,类型I 占据了90%以上的市场份额,但随着类型III 和类型IV 的压力容器因采用复合材料而减轻了重量以及提高了压缩气体的储存效率从而增加了销量,使得这一现状开始发生变化。类型V尚处于萌芽状态,主要满足空间应用需求,随着新的太空工业的发展,这是一个值得关注的产品类型,比如,2020年4月,美国Infinite Composites Technologies公司(简称ICT)开发了一种球形的V型低温储罐,用于在火箭驱动的太空运载火箭上储存低温液体推进剂。这种无内胆的碳纤环氧Cryosphere储罐,是采用纤维缠绕和工业化的烘箱固化工艺被制造而成。

市场驱动力与增长率

该市场的主要推动力是日益高涨的全球承诺:从采用化石燃料转向采用可再生的、能减少排放的燃料如CNG、RNG和H2以减少对气候的影响,从而到2050年实现零排放目标。根据国际能源署的新报告“到2050年实现净零排放:全球能源部门的路线图”:各国政府到目前为止已经作出的气候承诺即使是完全实现了,仍远远达不到到2050年将与能源相关的全球CO2排放量净值降至零的目标,而是为全球提供了一个“将全球气温上升限制在1.5℃”的机会。

值得一提的是,除上述承诺外,美国的康涅狄格州、马里兰州、马萨诸塞州、新泽西州、纽约州、俄勒冈州、罗德岛州、佛蒙特州和华盛顿已经承诺到2050年不再生产新的化石燃料乘用车,同时,这些州与加利福尼亚州、科罗拉多州、夏威夷、缅因州、北卡罗来纳州、俄勒冈、宾夕法尼亚州和哥伦比亚特区一起,将于2050年禁止销售新的采用化石燃料的中、重型车辆。

另一个增长迹象是,每年生产1.3亿台内燃机(ICEs)(很多都用于公共汽车和中、重型货车)的美国康明斯公司已投资开发了一款8级燃料电池货车和氢燃料发动机。2021年6月,康明斯表示,到本世纪末,这些产品将接近一台柴油发动机的总体拥有成本(TCO),未来的重型运输将由氢、燃料电池或电池驱动,而非柴油。

根据2021 Grandview研究报告,2020年的全球天然气汽车(NGV)销量高于此前的预测:实际销售了2980万辆,而预测的是2440万辆。该报告还预测2021年的销量大约是3100万辆,到2028年将增加到3890万辆,可以实现3.3%的复合年增长率(CAGR)。DataIntelo声称,在CNG 容器市场中,I 型容器约占55%的份额,II型、III 型和IV型容器分别约占25%、15%和5%的市场份额。

AJR咨询公司的Tony Roberts 和CarbConsult 公司的Dan Pichler预测了复合材料压力容器对碳纤维的需求将从2021年的13100 t增加到2026年的20230t,预计2021年对碳纤维的总需求量是106700t,相比之下,预计2026年对碳纤维的总需求量将达到169000t。Roberts和Pichler估计,用于压力容器的大部分碳纤维将进入移动管道(2026年将达到6900t)和公共汽车与货车领域(2026年将达到6400t)。

另外,根据全球新的氢燃料汽车的发布情况,预计每个含60%纤维的700bar、5.6kg重的储氢罐使用的碳纤维是62~72kg,到2030年,仅储氢罐对碳纤维的需求量就将达到166650t。然而,对这些车辆的预测是保守的,预计只有1% 的重型货车、不到10% 的公共汽车和不到1% 的轿车将使用氢。

将复合材料用于压力容器

用于储存氢的IV 型复合材料压力容器,是通过在塑料内胆上缠绕碳纤维并应用环氧树脂而被制成的。设计并制造高度自动化的交钥匙储氢罐生产线的复合材料设备供应商包括:荷兰的Autonational Composites公司、美国的Engineering Technology公司、美国的McClean Anderson公司、马其顿的MIKROSAM公司和德国的Roth Composite Machinery公司,后者声称,采用其新的Rothawin技术,可使储氢罐的生产速度加快5~10倍。MIKROSAM 公司则声称,其客户即俄罗斯的JSC DPO Plastik公司已将全球最大的生产线用于CNG容器和储氢罐的生产,每年能够缠绕6万个容器。

德国Cevotec公司表示,通过在压力容器的圆顶区域使用其纤维贴片铺放(FPP)系统,可以节省20% 的材料和20%的循环时间。Cevotec的CEO 解释说,为储存1kg的氢气,容器中的工作压力高达700 bar,意味着需要大约10 kg的碳纤维,这是一个非常高的比率。而FPP系统能够将精心设计的碳纤维贴片精确地应用到在缠绕过程中有时会出现问题的区域,据说,一个FPP系统就能对来自多台缠绕机的容器进行补强加固。

虽然用于压缩气体储存的大多数IV型压力容器采用碳纤维作为结构增强,外层采用玻璃纤维来防止损坏,但挪威的Umoe Advanced Composites公司(简称UAC)却在其IV型容器上只使用玻璃纤维。UAC面向天然气运输市场而非汽车市场提供200~350bar的容器,并将于2022年将产品组合扩展到含450~500bar的容器。正如UAC的CEO Øyvind Hamre所说,玻璃纤维增强聚合物(GFRP)的容器具有与钢容器一样的成本支出,但重量却降低了70%。而与CFRP 容器相比,虽然GFRP容器要重一些,但却降低了50%的成本支出。

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由玻纤增强复合材料制成的IV型容器要比碳纤维复合材料制成的容器成本更低,比钢容器更轻质(图片来自Umoe Advanced Composites) 

在众多市场大展拳脚的储氢罐

对于挪威的Hexagon Purus公司以及荷兰的NPROXX 公司(是康明斯公司与美国Cimmaron Composites公司50:50的合资企业,现已被韩国的韩华公司收购。该公司于2021年宣布投资1.3亿美元在美国阿拉巴马州Opelika建造一个新的生产工厂)而言,分销也是一个重要的市场。

储氢罐的应用不仅在分销市场获得了增长,还在轿车、货车、铁路运输和海运等领域获得了增长。“在欧洲制造的一部分货车将采用氢动力。”储氢罐制造商NPROXX公司的总经理兼销售负责人Michael Himmen表示。按照欧洲的法规要求,到2030年,货车OEMs必须确保其制造的货车在CO2排放上要比2019年的水平平均降低30%。按照Himmen的建议,5%的欧洲货车可以采用氢动力,意味着每年共计将需要15000~20000 辆氢动力货车。他确信,从2026~2027年开始,每年可能会制造出2000辆采用氢动力的货车,并在此基础上稳定增长。如果每辆车配5~7个IV 型储氢罐,10年内,重型货车每年需要的储氢罐可能是10万个,每年需要的碳纤维可能是6000t。

在铁路方面,法国阿尔斯通公司的Coradia iLint氢动力火车已在德国投入使用,14列开往下萨克森州的火车已于2021年开始运行,27列开往莱茵河主要地区的火车将于2022年投入使用。此外,iLint火车目前还在奥地利与荷兰接受测试。该列车的两节车厢采用24个IV型储氢罐,这些储氢罐被放置在每节车厢顶部的车顶舱里, 其中还有燃料电池。Hexagon Composites 公司在其直径416mm、长3128mm的重型储罐基础上,为该原型火车提供了储氢罐,该储氢罐能以350 bar的压力容纳300L即9kg的氢。现在,NPROXX公司为iLint火车提供直径500mm、长2200mm及储存压力350bar的储氢罐。


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阿尔斯通已售出41辆Coradia iLint氢动力火车,并正在测试其他火车(图片来自阿尔斯通)


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法国铁路公司SNCF订购了12 辆阿尔斯通的Coradia Polyvalent电动与氢动力的双模式区域火车(图片来自阿尔斯通)


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阿尔斯通正在与英国Eversholt Rail公司合作,将电动火车改造成氢动力的 Breeze火车(图片来自阿尔斯通)

其他有关氢动力火车的开发还包括:德国西门子公司开发的拥有2节和3节车厢的Mireo Plus H火车,它将于2023~2024年期间在德国的几个地区进行测试。同时,Hexagon Purus公司正在为西班牙Talgo公司将于2023年开始测试的Vittal-One火车提供IV型储氢罐。Hexagon Purus公司还将为瑞士Stadler Rail公司提供储氢罐,用于其在瑞士制造和测试的首列FLIRT火车,该火车将于2024年在美国加利福尼亚州的圣贝纳迪诺投入使用。


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西门子正在开发用于在2023~2024年测试的Mireo Plus H火车(图片来自西门子)

在海运方面,Hexagon Purus公司于2021年6月宣布,其将成立一个新的子公司Hexagon Purus Maritime。“我们现在看到,海运市场对氢气的需求和行动正在快速增长。”Hexagon Purus公司的销售市场总监Jørn Helge Dahl解释道,“由于海上应用环境恶劣,比如有腐蚀,所以我们认为,复合材料为海上储存应用提供了理想的解决方案。”Dahl相信,在国际海事组织(简称IMO,英国伦敦)设定的目标驱动下,随着2030年的临近,海运业将见证越来越多的项目投入运营。这些项目包括:所有新建的和现有的船只,必须在2008年的基础上,于2030年将CO2排放降低40%,于2050年将CO2排放降低70% 。

在航空领域,由于法国政府因新冠肺炎疫情的影响而对空中客车公司提供了救助,同时要求其在2035年为市场带来氢动力的商用飞机,导致2020年该领域对氢的兴趣突然大增。2020年夏季,空中客车公司推出了其含有3个飞机机型的ZEROe项目,这些机型的后1/3部分被用来储存液态氢,要求低温控制。

另一个针对区域涡轮螺旋桨飞机的选项是由美国Universal Hydrogen 公司开发的双罐模块,它采用了CFRP的框架。“我们会根据需要提供模块,所以不需要氢气储存设施。”Universal Hydrogen的CTO J.P. Clarke解释道,“就像电池或厨房用品一样,这些模块能以简单的方式被装载到飞机上。”该公司于2021年宣布,其已与3家地方航空公司签署了意向书,为现有的涡轮螺旋桨飞机改装氢动力推进系统。

美国ZeroAvia公司于2021年4月宣布,其正在为50座的支线飞机开发一种2MW的氢电动动力系统。该公司于2021 年完成了2430万美元的融资,这将帮助其在2024年实现商业化,并于2026开始服务于民用支线飞机。

氢储存面临的挑战

IV型容器还面临着严峻的问题。最值得一提的是,碳纤维的成本使得这些容器非常昂贵。另一个关键问题是储存密度。虽然压缩氢气提供的单位质量能量是汽油的3倍,但其单位体积能量却相当低,需要大型容器来承受储存足够燃料所需的高压。在-253储存时,氢作为低温液体实际上提供了更高的密度,而当储存在-230℃、300bar的低温压缩(CCH2)罐中时,据说氢的最高密度要比储存在700 bar的IV型容器中高出50%。低温罐一般都是金属的,而由更多复合材料制成的低温罐,目前尚未证明具有与在IV型压缩气体容器中得到证明的完全一样的性能和疲劳寿命,这些IV型压缩气体容器已积累了超过25年的性能数据。

另一个问题是,要满足燃料电池汽车(FCV)和基础设施的需求目标,需要生产数以百万计的储氢罐,由此所需的大量碳纤维可能无法及时提供。“获得足够的碳纤维是我们关注的主要问题之一。”NPROXX公司的Himmen表示,该公司2020~2021财年的业绩实现了翻番,下一财年将继续实现翻番。“我们不是唯一,我认为Hexagon也在以同样的速度增长。我们需要具有一定质量和性能且价位在一定范围之内的碳纤维。”目前,大多数的IV型容器都采用东丽的T700纤维(拉伸强度4900MPa,模量230 MPa)或类似的纤维。“纤维不够强,意味着需要多缠绕几圈,从而导致容器变厚,这是不可接受的。如果你现在还不知道明年你的纤维来自哪里, 你可能真的要停产了。”

针对IV型容器的另一大挑战是碳纤维和CFRP容器的成本。新的容器制造商及法国一级汽车供应商彼欧公司和佛吉亚公司均已设定了目标,即到2030年将IV型储氢罐的成本降低30%~75%,同时将储存效率提高7%以上。为此,新的技术正在不断被推出,从德国Cevotec公司用于容器圆顶以缩短CFRP铺缠时间和成本的FPP 技术,到英国Cygnet Texkimp公司为减少纤维破损而推出的3D缠绕技术,再到复合材料传感器集成专家比利时Com&Sens公司推出的原位容器检测技术。

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