Globalny cel osiągnięcia zerowej emisji do 2050 r. napędza szybki rozwój kompozytowych zbiorników ciśnieniowych.
zdjęcie
Kompozytowe zbiorniki ciśnieniowe
Wysokociśnieniowe zbiorniki do przechowywania gazu to jeden z największych i najszybciej rozwijających się rynków zaawansowanych kompozytów, zwłaszcza kompozytów z włókien węglowych nawijanych włóknem. Chociaż mogą być stosowane w niezależnych aparatach oddechowych oraz do przechowywania tlenu i gazu w pojazdach lotniczych, głównym rynkiem końcowym jest skroplony propan (LPG), sprężony gaz ziemny (CNG), odnawialny gaz ziemny (RNG) i wodór (H2) przechowywanie. Podczas gdy butle LPG są używane w samochodach, popyt na nie rośnie na rynkach gotowania i ogrzewania w krajach rozwijających się.
Systemy paliwowe, takie jak sprężony gaz ziemny (CNG), odnawialny gaz ziemny (RNG) i wodór (H2) są coraz częściej stosowane w samochodach osobowych, autobusach, furgonetkach i innych stacjach tankowania lub transporcie masowym w obiektach przemysłowych. zbiorniki paliwa są ważną częścią czystych, bezemisyjnych układów napędowych, które zmniejszają lub zastępują benzynę, olej napędowy i paliwo do silników odrzutowych.Te układy napędowe zapewniają również bezpłatną opcję dla pojazdów zasilanych bateryjnie, wymagających infrastruktury do tankowania i czasów tankowania podobnych do tankowania paliw kopalnych paliwa.
Istnieje 5 rodzajów zbiorników ciśnieniowych:
Typ I: Cała konstrukcja metalowa, zwykle konstrukcja stalowa.
Typ II: Przeważnie metalowy z niektórymi włóknami nawiniętymi na obręcz, zwykle kompozytami stalowymi lub aluminiowymi z metalem i włóknem szklanym, metalowy pojemnik ma mniej więcej takie same obciążenia strukturalne jak kompozyt.
Typ III: Metalowa wyściółka jest całkowicie owinięta materiałami kompozytowymi, zwykle materiały kompozytowe z włókna węglowego są owinięte wokół aluminiowej wkładki, a materiał kompozytowy przenosi obciążenie strukturalne.
Typ IV: Konstrukcja całkowicie kompozytowa, zwykle zbiornik wewnętrzny wykonany z poliamidu (PA) lub polietylenu o dużej gęstości (HDPE), zbiornik wewnętrzny jest owinięty włóknem węglowym lub materiałem kompozytowym zmieszanym z włóknem węglowym/szklanym, a kompozyt materiał przenosi wszystkie obciążenia konstrukcyjne.
Typ V: Bezwarstwowa, całkowicie kompozytowa konstrukcja.
Tradycyjnie typ I posiadał ponad 90 procent rynku, ale stało się to możliwe dzięki zwiększonej sprzedaży zbiorników ciśnieniowych typu III i IV dzięki oszczędności masy dzięki materiałom kompozytowym i lepszej wydajności magazynowania sprężonego gazu. Zaczęło się zmieniać. Typ V jest wciąż w powijakach i spełnia głównie potrzeby zastosowań kosmicznych. Wraz z rozwojem nowego przemysłu kosmicznego jest to typ produktu warty uwagi. Na przykład w kwietniu 2020 roku amerykańska firma Infinite Composites Technologies (ICT) opracowała sferyczny zbiornik kriogeniczny w kształcie litery V, służący do przechowywania kriogenicznych ciekłych paliw napędowych w kosmicznych pojazdach nośnych o napędzie rakietowym. Ten bezwarstwowy zbiornik kriosfery epoksydowej z włókna węglowego jest produkowany przy użyciu procesu nawijania włókna i utwardzania w piecu przemysłowym.
Czynniki rynkowe i stopy wzrostu
Głównym motorem tego rynku jest rosnące globalne zobowiązanie do zmniejszenia wpływu na klimat poprzez przejście z paliw kopalnych na odnawialne, redukujące emisje paliwa, takie jak CNG, RNG i H2, aby osiągnąć zerową emisję do 2050 roku. Według nowego raportu Międzynarodowej Agencji Energetycznej „Zerowe emisje netto do 2050 r.: mapa drogowa dla globalnego sektora energetycznego”: dotychczasowe zobowiązania klimatyczne podjęte przez rządy, jeśli zostaną w pełni zrealizowane, są dalekie od celów do 2050 r. globalne emisje CO2 netto związane z energią do zera dają światu możliwość ograniczenia wzrostu globalnych temperatur do 1,5 stopnia .
Warto wspomnieć, że oprócz powyższych zobowiązań stany Connecticut, Maryland, Massachusetts, New Jersey, Nowy Jork, Oregon, Rhode Island, Vermont i Waszyngton w USA zobowiązały się już w międzyczasie do nieprodukowania nowych samochodów osobowych napędzanych paliwami kopalnymi , razem z Kalifornią, Kolorado, Hawajami, Maine, Karoliną Północną, Oregonem, Pensylwanią i Dystryktem Kolumbii, aby zakazać sprzedaży nowych średnich i ciężkich pojazdów napędzanych paliwami kopalnymi.
Jako kolejna oznaka wzrostu firma Cummins Inc. z siedzibą w USA, która produkuje 130 milionów silników spalinowych (ICE) rocznie, z których wiele jest używanych w autobusach oraz średnich i ciężkich samochodach ciężarowych, zainwestowała w rozwój klasy 8 van na ogniwa paliwowe i silnik napędzany wodorem. W czerwcu 2021 roku Cummins powiedział, że do końca tego stulecia produkty te zbliżą się do całkowitego kosztu posiadania (TCO) silnika wysokoprężnego, a przyszły ciężki transport będzie napędzany wodorem, ogniwami paliwowymi lub akumulatorami, a nie olejem napędowym.
Globalna sprzedaż pojazdów na gaz ziemny (NGV) w 2020 r. była wyższa niż wcześniej prognozowano: faktycznie sprzedano 29,8 mln sztuk w porównaniu z prognozowanymi 24,4 mln, zgodnie z raportem Grandview Research Report z 2021 r. Raport przewiduje również, że sprzedaż w 2021 roku wyniesie około 31 milionów sztuk i wzrośnie do 38,9 miliona sztuk w 2028 roku, osiągając skumulowaną roczną stopę wzrostu (CAGR) na poziomie 3,3%. DataIntelo twierdzi, że na rynku zbiorników CNG statki typu I stanowią około 55 procent rynku, podczas gdy statki typu II, typu III i typu IV stanowią odpowiednio około 25 procent, 15 procent i 5 procent rynku.
Tony Roberts z AJR Consulting i Dan Pichler z CarbConsult przewidzieli, że zapotrzebowanie na włókno węglowe w kompozytowych zbiornikach ciśnieniowych wzrośnie z 13 100 ton w 2021 roku do 20 230 ton w 2026 roku, a całkowite zapotrzebowanie na włókno węglowe w 2021 roku ma wynieść 106,7 tys. Poniżej przewiduje się, że całkowite zapotrzebowanie na włókno węglowe wyniesie 169,{10}}t w 2026 r. Roberts i Pichler szacują, że większość włókna węglowego używanego w zbiornikach ciśnieniowych trafi do ruchomych rur (6900 ton w 2026 r.) i autobusów oraz samochody dostawcze (6400 ton w 2026 r.).
Ponadto, zgodnie z wypuszczaniem na rynek nowych pojazdów napędzanych wodorem, szacuje się, że każdy zbiornik wodoru o ciśnieniu 700 barów zawierający 60 procent włókna i ważący 5,6 kg będzie zużywał 62-72 kg włókna węglowego. Do 2030 r. tylko zbiorniki do przechowywania wodoru będą wymagały włókna węglowego. Wolumen osiągnie 166650 ton. Jednak prognozy dla tych pojazdów są ostrożne, przy czym oczekuje się, że tylko 1 procent pojazdów ciężarowych, mniej niż 10 procent autobusów i mniej niż 1 procent samochodów będzie wykorzystywać wodór.
Używanie materiałów kompozytowych do zbiorników ciśnieniowych
Kompozytowe zbiorniki ciśnieniowe typu IV do przechowywania wodoru są wykonane przez owinięcie włókna węglowego wokół plastikowej wykładziny i nałożenie żywicy epoksydowej. Do dostawców urządzeń z materiałów kompozytowych, którzy projektują i produkują wysoce zautomatyzowane linie do produkcji zbiorników do przechowywania wodoru pod klucz, należą: Autonational Composites w Holandii, Engineering Technology w Stanach Zjednoczonych, McClean Anderson w Stanach Zjednoczonych, MIKROSAM w Macedonii i Roth Composite Machinery w Niemczech. twierdzi, że dzięki nowej technologii Rothawin produkcja zbiorników do przechowywania wodoru może być od pięciu do dziesięciu razy szybsza. Firma MIKROSAM twierdzi, że jej klient, rosyjska firma JSC DPO Plastik, wykorzystała największą na świecie linię produkcyjną do produkcji zbiorników CNG i zbiorników na wodór, zdolną do nawijania 60,{1}} kontenerów rocznie.
Niemiecka firma Cevotec twierdzi, że może zaoszczędzić 20 procent materiału i 20 procent czasu cyklu, stosując system Fibre Patch Placement (FPP) w obszarze kopuły zbiornika ciśnieniowego. Prezes Cevotec wyjaśnił, że do przechowywania 1 kg wodoru ciśnienie robocze w zbiorniku wynosi aż 700 barów, co oznacza, że potrzeba około 10 kg włókna węglowego, co jest bardzo wysokim stosunkiem. System FPP jest w stanie precyzyjnie nałożyć starannie zaprojektowane łaty z włókna węglowego na obszary, które czasami stwarzają problemy podczas procesu nawijania. Mówi się, że pojedynczy system FPP może wzmacniać pojemniki z wielu nawijarek.
Podczas gdy większość zbiorników ciśnieniowych typu IV używanych do przechowywania sprężonego gazu wykorzystuje włókno węglowe jako wzmocnienie strukturalne i włókno szklane jako warstwę zewnętrzną, aby zapobiec uszkodzeniom, norweska firma Umoe Advanced Composites (UAC) wykorzystuje wyłącznie włókno szklane do swoich zbiorników typu IV. UAC oferuje 200-350 kontenerów barowych na rynek transportu gazu ziemnego, a nie na rynek motoryzacyjny, i rozszerzy swoje portfolio produktów o 450-500 kontenerowców barowych w 2022 r. Jak stwierdził dyrektor generalny UAC, Øyvind Hamre, - naczynia ze wzmocnionego polimeru (GFRP) kosztują tyle samo co naczynia stalowe, ale są o 70 procent lżejsze. W porównaniu z pojemnikami CFRP, chociaż pojemniki GFRP są cięższe, obniżają koszty o 50 procent.
zdjęcie
Naczynia typu IV wykonane z kompozytów wzmocnionych włóknem szklanym są tańsze niż kompozyty z włókna węglowego i lżejsze niż naczynia stalowe (zdjęcie za pośrednictwem Umoe Advanced Composites)
Zbiorniki do przechowywania wodoru na wielu rynkach
Dla Hexagon Purus w Norwegii i NPROXX w Holandii (spółka joint venture 50:50 pomiędzy Cummins i Cimmaron Composites w Stanach Zjednoczonych, została przejęta przez Hanwha w Korei Południowej. Firma ogłosiła w 2021 r., że zainwestuje 130 mln USD w Alabie, USA Dystrybucja jest również ważnym rynkiem dla budowy nowego zakładu produkcyjnego w Opelika, MA.
Zastosowanie zbiorników do przechowywania wodoru zyskało na popularności nie tylko na rynku dystrybucji, ale także w samochodach osobowych, ciężarowych, transporcie kolejowym i morskim. „Niektóre z produkowanych w Europie samochodów dostawczych będą napędzane wodorem” – powiedział Michael Himmen, dyrektor zarządzający i szef sprzedaży w NPROXX, producencie zbiorników do przechowywania wodoru. Zgodnie z europejskimi przepisami do 2030 roku producenci samochodów ciężarowych muszą zapewnić zmniejszenie emisji CO2 z ich samochodów ciężarowych średnio o 30 procent w porównaniu z poziomami z 2019 roku. Zgodnie z propozycją Himmena, 5 procent europejskich ciężarówek może być zasilanych wodorem, co oznacza, że każdego roku potrzebnych będzie łącznie od 15,{6}} do 20,{8}} ciężarówek napędzanych wodorem. Jest przekonany, że począwszy od 2026-27 roku można by wyprodukować 2,{11}} furgonetki napędzane wodorem i od tego momentu liczba ta stale rośnie. Jeśli każdy pojazd jest wyposażony w od 5 do 7 zbiorników wodoru typu IV, w ciągu 10 lat ciężarówki o dużej ładowności mogą potrzebować 100,{19}} zbiorników wodoru i 6,{21}} ton włókna węglowego rocznie.
Jeśli chodzi o kolej, to w Niemczech do użytku trafiły pociągi napędzane wodorem Coradia iLint firmy Alstom. W 2021 r. uruchomiono 14 pociągów do Dolnej Saksonii, aw 2022 r. 27 pociągów do głównego regionu Renu. Ponadto pociągi iLint są obecnie testowane w Austrii i Holandii. Dwa wagony pociągu wykorzystują 24 zbiorniki wodoru typu IV, które są umieszczone w przedziałach dachowych na dachu każdego wagonu i zawierają również ogniwa paliwowe. Firma Hexagon Composites dostarczyła zbiornik wodoru do prototypowego pociągu w oparciu o wytrzymały zbiornik o średnicy 416 mm i długości 3128 mm, który może pomieścić 300 l lub 9 kg wodoru pod ciśnieniem 350 barów. Obecnie NPROXX dostarcza zbiorniki do przechowywania wodoru o średnicy 500 mm, długości 2200 mm i ciśnieniu magazynowania 350 barów dla pociągów iLint.
zdjęcie
Alstom sprzedał 41 pociągów napędzanych wodorem Coradia iLint i testuje kolejne (zdjęcie za pośrednictwem Alstom)
zdjęcie
Francuskie przedsiębiorstwo kolejowe SNCF zamówiło 12 dwusystemowych pociągów regionalnych Alstom Coradia Polyvalent zasilanych elektrycznie i wodorem (zdjęcie za pośrednictwem Alstom)
zdjęcie
Alstom współpracuje z Eversholt Rail w Wielkiej Brytanii nad przekształceniem pociągów elektrycznych w napędzane wodorem pociągi Breeze (zdjęcie za pośrednictwem Alstom)
Inne rozwiązania związane z pociągami napędzanymi wodorem obejmują: pociąg Mireo Plus H z 2 i 3 wagonami opracowany przez niemiecką firmę Siemens, który zostanie przetestowany w kilku regionach Niemiec w ciągu 2023-2024. Tymczasem Hexagon Purus dostarcza zbiorniki do przechowywania wodoru typu IV do pociągów Vittal-One, które hiszpańska Talgo rozpocznie testy w 2023 r. Hexagon Purus dostarczy również zbiorniki do przechowywania wodoru dla Swiss Stadler Rail dla pierwszego pociągu FLIRT zbudowanego i przetestowanego w Szwajcarii, który wejdzie do służby w San Bernardino w Kalifornii w USA w 2024 roku.
zdjęcie
Siemens opracowuje pociąg Mireo Plus H do testów w 2023-2024 (zdjęcie od Siemensa)
Jeśli chodzi o wysyłkę, Hexagon Purus ogłosił w czerwcu 2021 r., Że utworzy nową spółkę zależną, Hexagon Purus Maritime. „Obecnie obserwujemy gwałtowny wzrost popytu i działań na wodór na rynku morskim” – wyjaśnia Jørn Helge Dahl, dyrektor ds. sprzedaży i marketingu w Hexagon Purus. Aplikacje do przechowywania na morzu stanowią idealne rozwiązanie. Dahl uważa, że w miarę zbliżania się roku 2030 w przemyśle morskim będzie inwestowanych coraz więcej projektów, napędzanych celami wyznaczonymi przez Międzynarodową Organizację Morską (IMO, Londyn, Wielka Brytania). Projekty te obejmują : Wszystkie nowe i istniejące statki muszą ograniczyć emisję CO2 o 40 procent do 2030 roku io 70 procent do 2050 roku w porównaniu z rokiem 2008.
W lotnictwie w 2020 r. nastąpił nagły wzrost zainteresowania wodorem, ponieważ francuski rząd wykupił Airbusa z powodu skutków pandemii COVID{1}}, jednocześnie nakładając na niego obowiązek wprowadzenia na rynek komercyjnych samolotów napędzanych wodorem do 2035 r. Latem 2020 roku Airbus uruchomił projekt ZEROe z trzema modelami samolotów, z których 1/3 z tyłu służy do przechowywania ciekłego wodoru i wymaga kontroli kriogenicznej.
Inną opcją dla regionalnych silników turbośmigłowych jest moduł dwuzbiornikowy opracowany przez amerykańską firmę Universal Hydrogen, który wykorzystuje ramę CFRP. „Dostarczamy moduły na żądanie, więc nie ma potrzeby posiadania magazynu wodoru” — wyjaśnił JP Clarke, CTO w Universal Hydrogen. „Moduły te można załadować do samolotu w prosty sposób, podobnie jak baterie lub przybory kuchenne”. Firma ogłosiła w 2021 roku, że podpisała listy intencyjne z trzema regionalnymi liniami lotniczymi w sprawie modernizacji układów napędowych napędzanych wodorem dla istniejących samolotów turbośmigłowych.
Amerykańska firma ZeroAvia ogłosiła w kwietniu 2021 r., że opracowuje 2-miejscowy samolot pasażerski do 50-miejscowego odrzutowca regionalnego.
MW wodorowo-elektrycznych układów napędowych. Firma uzyskała finansowanie w wysokości 24,3 mln USD w 2021 r., co pomoże jej w komercjalizacji w 2024 r. i rozpoczęciu obsługi cywilnych samolotów regionalnych w 2026 r.
Wyzwania związane z magazynowaniem wodoru
Poważne problemy napotykają również kontenery typu IV. Przede wszystkim koszt włókna węglowego sprawia, że te pojemniki są bardzo drogie. Kolejną kluczową kwestią jest gęstość przechowywania. Podczas gdy sprężony wodór dostarcza trzy razy więcej energii na masę benzyny, jego energia na objętość jest znacznie niższa, co wymaga dużych pojemników, aby wytrzymać wysokie ciśnienie potrzebne do przechowywania wystarczającej ilości paliwa. Wodór w rzeczywistości ma większą gęstość jako ciecz kriogeniczna, gdy jest przechowywany w temperaturze -253 stopnia , podczas gdy przechowywany w zbiorniku kompresji kriogenicznej (CCH2) w temperaturze -230 stopnia, pod ciśnieniem 300 barów, wodór ma większą gęstość niż przy przechowywaniu pod ciśnieniem 700 barów o 50 procent wyższym w pojemnikach typu IV. Zbiorniki kriogeniczne są na ogół metalowe, a zbiorniki kriogeniczne wykonane z większej liczby materiałów kompozytowych nie zostały jeszcze wykazane, aby miały dokładnie taką samą wydajność i trwałość zmęczeniową, jak wykazano w przypadku pojemników na sprężony gaz typu IV, dla których dane dotyczące wydajności gromadzono przez 25 lat.
Inną kwestią jest to, że produkcja milionów zbiorników do przechowywania wodoru wymaganych do spełnienia celów związanych z zapotrzebowaniem na pojazdy napędzane ogniwami paliwowymi (FCV) i infrastrukturą może nie być dostępna na czas w przypadku dużych wymaganych ilości włókna węglowego. „Dostarczanie wystarczającej ilości włókna węglowego jest jednym z naszych głównych problemów”. Himmen z NPROXX powiedział, że wyniki firmy w 2020-2021 roku podatkowym podwoiły się i będą się podwajać w następnym roku podatkowym. „Nie jesteśmy sami, myślę, że Hexagon rozwija się w tym samym tempie. Potrzebujemy włókna węglowego o określonej jakości i wydajności w określonym przedziale cenowym”. Obecnie większość statków typu IV wykorzystuje włókno Toray T700 (wytrzymałość na rozciąganie 4900 MPa, moduł 230 MPa) lub podobne włókna. „Włókno nie jest wystarczająco mocne, co oznacza, że trzeba je nawinąć jeszcze kilka razy, co powoduje, że pojemnik jest grubszy, co jest niedopuszczalne. Jeśli nie wiesz teraz, skąd będzie pochodzić twoje włókno w przyszłym roku, możesz naprawdę mieć wstrzymać produkcję”.
Kolejnym dużym wyzwaniem dla statków typu IV jest koszt statków z włókna węglowego i CFRP. Producenci nowych statków i francuscy dostawcy motoryzacyjny Tier 1, Plastic Omnium i Faurecia, postawili sobie za cel obniżenie kosztów zbiorników do przechowywania wodoru typu IV o 30 do 75 procent do 2030 r. przy jednoczesnym zwiększeniu wydajności magazynowania. wzrost o ponad 7 proc. W tym celu stale wprowadzane są nowe technologie, od technologii FPP stosowanej przez firmę Cevotec w Niemczech w celu skrócenia czasu i kosztów owijania CFRP kopułami kontenerowymi, po technologię nawijania 3D wprowadzoną przez Cygnet Texkimp w Wielkiej Brytanii w celu zmniejszenia uszkodzeń włókien, oraz technologii wykrywania pojemników in-situ wprowadzonej przez Com&Sens, specjalistę w integracji czujników materiałów kompozytowych, Belgia.
