Matlamat global untuk mencapai sifar pelepasan menjelang 2050 memacu pertumbuhan pesat dalam bekas tekanan komposit.
gambar
Kapal Tekanan Komposit
Kapal penyimpanan gas tekanan tinggi adalah salah satu pasaran terbesar dan paling pesat berkembang untuk komposit termaju, terutamanya komposit gentian karbon luka filamen. Walaupun ia boleh digunakan dalam alat pernafasan serba lengkap dan untuk menyediakan penyimpanan oksigen dan gas untuk kenderaan aeroangkasa, pasaran akhir utama adalah untuk gas propana cecair (LPG), gas asli termampat (CNG), gas asli boleh diperbaharui (RNG) dan hidrogen. (H2) penyimpanan. Walaupun silinder LPG digunakan dalam kereta, terdapat permintaan yang semakin meningkat untuk mereka dalam pasaran memasak dan pemanasan di negara membangun.
Sistem bahan api seperti gas asli termampat (CNG), gas asli boleh diperbaharui (RNG) dan hidrogen (H2) semakin digunakan dalam kereta, bas, van dan lain-lain "stesen minyak bekalan semula atau pengangkutan pukal di tapak perindustrian. Dalam aplikasi kenderaan, ini tangki simpanan bahan api ialah bahagian penting dalam rangkaian kuasa bersih, sifar pelepasan yang mengurangkan atau menggantikan bahan api petrol, diesel dan jet. Jentera kuasa ini juga menyediakan pilihan bebas caj untuk kenderaan berkuasa bateri, yang memerlukan infrastruktur mengisi bahan api dan masa mengisi bahan api serupa dengan fosil mengisi minyak bahan api.
Terdapat 5 jenis salur tekanan:
Jenis I: Semua pembinaan logam, biasanya pembinaan keluli.
Jenis II: Kebanyakannya logam dengan beberapa gentian luka gelung, biasanya keluli atau logam aluminium dan komposit gentian kaca, bekas logam berkongsi beban struktur yang sama dengan komposit.
Jenis III: Pelapik logam sepenuhnya dibalut dengan bahan komposit, biasanya bahan komposit gentian karbon dibalut di sekeliling pelapik aluminium, dan bahan komposit menanggung beban struktur.
Jenis IV: Struktur komposit semua, biasanya tangki dalam diperbuat daripada poliamida (PA) atau polietilena berketumpatan tinggi (HDPE), tangki dalam dililit dengan gentian karbon atau bahan komposit bercampur dengan gentian karbon/gentian kaca, dan komposit bahan menanggung semua beban struktur.
Jenis V: Tanpa pelapik, binaan komposit semua.
Secara tradisinya, Jenis I memegang lebih daripada 90 peratus pasaran, tetapi ini telah dimungkinkan oleh peningkatan jualan kapal tekanan Jenis III dan Jenis IV disebabkan oleh penjimatan berat daripada bahan komposit dan kecekapan penyimpanan gas termampat yang lebih baik Mula berubah. Jenis V masih di peringkat awal dan terutamanya memenuhi keperluan aplikasi ruang. Dengan perkembangan industri angkasa baru, ini adalah jenis produk yang patut diberi perhatian. Sebagai contoh, pada April 2020, syarikat AS Infinite Composites Technologies (ICT) telah membangunkan tangki kriogenik berbentuk V sfera yang digunakan untuk menyimpan bahan dorong cecair kriogenik pada kenderaan pelancar angkasa lepas berkuasa roket. Tangki cryosphere epoksi gentian karbon tanpa pelapik ini dihasilkan menggunakan penggulungan filamen dan proses pengawetan ketuhar industri.
Pemacu Pasaran dan Kadar Pertumbuhan
Pemacu utama pasaran ini ialah komitmen global yang semakin meningkat untuk mengurangkan kesan ke atas iklim dengan beralih daripada bahan api fosil kepada bahan api yang boleh diperbaharui, mengurangkan pelepasan seperti CNG, RNG dan H2 untuk mencapai pelepasan sifar menjelang 2050 . Menurut laporan baharu dari Agensi Tenaga Antarabangsa, "Pelepasan Sifar Bersih menjelang 2050: Pelan Hala Tuju Sektor Tenaga Global": Komitmen iklim yang telah dibuat oleh kerajaan setakat ini, jika direalisasikan sepenuhnya, jauh melepasi matlamat 2050 untuk mengurangkan pelepasan CO2 global berkaitan tenaga bersih kepada sifar sebaliknya memberikan dunia peluang untuk mengehadkan kenaikan suhu global kepada 1.5 darjah .
Perlu dinyatakan bahawa, sebagai tambahan kepada komitmen di atas, negeri AS iaitu Connecticut, Maryland, Massachusetts, New Jersey, New York, Oregon, Rhode Island, Vermont dan Washington telah pun komited untuk tidak mengeluarkan kereta penumpang bahan api Fosil baharu, sementara itu , sertai California, Colorado, Hawaii, Maine, North Carolina, Oregon, Pennsylvania dan District of Columbia untuk mengharamkan penjualan kenderaan pertengahan dan berat bahan api fosil baharu.
Dalam satu lagi tanda pertumbuhan, Cummins Inc. yang berpangkalan di AS, yang menghasilkan 130 juta enjin pembakaran dalaman (ICE) setahun, kebanyakannya digunakan dalam bas dan trak tugas sederhana dan berat, telah melabur dalam pembangunan Kelas 8 van sel bahan api dan enjin bahan api hidrogen. Pada Jun 2021, Cummins berkata bahawa menjelang akhir abad ini, produk ini akan menghampiri jumlah kos pemilikan (TCO) enjin diesel, dan pengangkutan berat masa hadapan akan dikuasakan oleh hidrogen, sel bahan api atau bateri dan bukannya diesel.
Jualan global kenderaan gas asli (NGV) pada 2020 adalah lebih tinggi daripada yang diramalkan sebelum ini: 29.8 juta unit sebenarnya dijual berbanding 24.4 juta yang diramalkan, menurut Laporan Penyelidikan Grandview 2021. Laporan itu juga meramalkan bahawa jualan pada 2021 akan menjadi kira-kira 31 juta unit, dan akan meningkat kepada 38.9 juta unit pada 2028, mencapai kadar pertumbuhan tahunan kompaun (CAGR) sebanyak 3.3 peratus . DataIntelo mendakwa bahawa dalam pasaran kapal CNG, kapal Jenis I menyumbang kira-kira 55 peratus daripada pasaran, manakala kapal Jenis II, Jenis III dan Jenis IV masing-masing menyumbang kira-kira 25 peratus , 15 peratus dan 5 peratus daripada pasaran.
Tony Roberts dari AJR Consulting dan Dan Pichler dari CarbConsult meramalkan bahawa permintaan gentian karbon dalam bekas tekanan komposit akan meningkat daripada 13,100 t pada 2021 kepada 20,230 t pada 2026, dan jumlah permintaan untuk gentian karbon pada 2021 dijangka sebanyak 106,700 t. Di bawah, jumlah permintaan untuk gentian karbon dijangka mencecah 169,000t pada 2026. Roberts dan Pichler menganggarkan bahawa kebanyakan gentian karbon yang digunakan dalam bekas tekanan akan masuk ke dalam paip mudah alih (6900t pada 2026) dan bas dan van (6400t pada 2026).
Selain itu, menurut keluaran kenderaan bahan api hidrogen baharu di seluruh dunia, dianggarkan setiap tangki simpanan hidrogen 700bar mengandungi 60 peratus gentian dan seberat 5.6kg akan menggunakan 62-72kg gentian karbon. Menjelang 2030, hanya tangki simpanan hidrogen akan memerlukan gentian karbon. Jumlahnya akan mencapai 166650t. Walau bagaimanapun, unjuran untuk kenderaan ini adalah konservatif, dengan hanya 1 peratus kenderaan barangan berat, kurang daripada 10 peratus bas dan kurang daripada 1 peratus kereta dijangka menggunakan hidrogen.
Menggunakan Bahan Komposit untuk Kapal Tekanan
Bekas tekanan komposit jenis IV untuk penyimpanan hidrogen dibuat dengan menggulung gentian karbon di sekeliling pelapik plastik dan menggunakan resin epoksi. Pembekal peralatan bahan komposit yang mereka bentuk dan mengeluarkan barisan pengeluaran tangki simpanan hidrogen turnkey yang sangat automatik termasuk: Komposit Autonasional di Belanda, Teknologi Kejuruteraan di Amerika Syarikat, McClean Anderson di Amerika Syarikat, MIKROSAM di Macedonia dan Jentera Komposit Roth di Jerman, Yang terakhir mendakwa bahawa pengeluaran tangki simpanan hidrogen boleh dibuat lima hingga sepuluh kali lebih pantas dengan teknologi Rothawin baharunya. MIKROSAM mendakwa bahawa pelanggannya, JSC DPO Plastik Rusia, telah menggunakan barisan pengeluaran terbesar di dunia untuk pengeluaran bekas CNG dan tangki simpanan hidrogen, yang mampu menggulung 60,000 bekas setahun.
Cevotec Jerman berkata ia boleh menjimatkan 20 peratus dalam bahan dan 20 peratus dalam masa kitaran dengan menggunakan sistem Penempatan Tampalan Serat (FPP) di kawasan kubah kapal tekanan. Ketua Pegawai Eksekutif Cevotec menjelaskan bahawa untuk menyimpan 1kg hidrogen, tekanan kerja di dalam bekas adalah sehingga 700 bar, bermakna kira-kira 10kg gentian karbon diperlukan, iaitu nisbah yang sangat tinggi. Sistem FPP mampu menggunakan tampalan gentian karbon yang direka dengan teliti dengan tepat pada kawasan yang kadangkala menimbulkan masalah semasa proses penggulungan. Dikatakan bahawa sistem FPP tunggal boleh mengukuhkan bekas daripada mesin penggulungan berbilang.
Walaupun kebanyakan bekas tekanan Jenis IV yang digunakan untuk penyimpanan gas termampat menggunakan gentian karbon untuk tetulang struktur dan gentian kaca untuk lapisan luar untuk mengelakkan kerosakan, Umoe Advanced Composites (UAC) Norway hanya menggunakan gentian kaca untuk vesel Jenis IVnya. UAC menawarkan 200-350 kapal bar untuk pasaran pengangkutan gas asli dan bukannya pasaran automotif dan akan mengembangkan portfolio produknya untuk memasukkan 450-500 kapal bar pada tahun 2022. Seperti yang dinyatakan oleh Ketua Pegawai Eksekutif UAC Øyvind Hamre, gentian kaca -Bejana polimer bertetulang (GFRP) berharga sama dengan kapal keluli, tetapi 70 peratus lebih ringan. Berbanding dengan bekas CFRP, walaupun bekas GFRP lebih berat, ia mengurangkan kos sebanyak 50 peratus .
gambar
Bekas jenis IV yang diperbuat daripada komposit bertetulang gentian kaca adalah lebih murah daripada komposit gentian karbon dan lebih ringan daripada bekas keluli (gambar melalui Komposit Termaju Umoe)
Tangki simpanan hidrogen di banyak pasaran
Untuk Hexagon Purus di Norway dan NPROXX di Belanda (usaha sama 50:50 antara Cummins dan Cimmaron Composites di Amerika Syarikat, ia telah diambil alih oleh Hanwha di Korea Selatan. Syarikat itu mengumumkan pada 2021 bahawa ia akan melabur 130 juta dolar AS di Alaba, Amerika Syarikat Pengedaran juga merupakan pasaran penting untuk pembinaan kilang pengeluaran baharu di Opelika, MA.
Penggunaan tangki simpanan hidrogen bukan sahaja mendapat pertumbuhan dalam pasaran pengedaran, tetapi juga dalam bidang kereta, trak, pengangkutan rel dan pengangkutan marin. "Sesetengah van yang dibina di Eropah akan dikuasakan oleh hidrogen," kata Michael Himmen, pengarah urusan dan ketua jualan di NPROXX, pengeluar tangki simpanan hidrogen. Menurut peraturan Eropah, menjelang 2030, OEM trak mesti memastikan bahawa pelepasan CO2 trak mereka dikurangkan sebanyak purata 30 peratus berbanding tahap 2019. Menurut cadangan Himmen, 5 peratus trak Eropah boleh menggunakan kuasa hidrogen, yang bermaksud bahawa sejumlah 15,000 hingga 20,000 trak berkuasa hidrogen akan diperlukan setiap tahun. Dia pasti bahawa 2,000 van berkuasa hidrogen boleh dibina setahun bermula 2026-27 dan berkembang dengan mantap dari sana. Jika setiap kenderaan dilengkapi dengan 5 hingga 7 tangki simpanan hidrogen Jenis IV, dalam masa 10 tahun, trak tugas berat mungkin memerlukan 100,000 tangki simpanan hidrogen dan 6,000 tan gentian karbon setahun.
Dari segi kereta api, kereta api berkuasa hidrogen Coradia iLint Alstom telah mula digunakan di Jerman. 14 kereta api ke Lower Saxony telah mula beroperasi pada 2021, dan 27 kereta api ke wilayah Rhine utama akan bermula pada 2022. tahun digunakan. Selain itu, kereta api iLint kini sedang diuji di Austria dan Belanda. Dua kereta kereta api itu menggunakan 24 tangki simpanan hidrogen Jenis IV, yang diletakkan di petak bumbung di atas setiap kereta, yang juga mengandungi sel bahan api. Hexagon Composites membekalkan tangki simpanan hidrogen untuk kereta api prototaip berdasarkan tangki simpanan tugas beratnya dengan diameter 416mm dan panjang 3128mm, yang boleh memuatkan 300L atau 9kg hidrogen pada tekanan 350 bar. Kini, NPROXX menyediakan tangki simpanan hidrogen dengan diameter 500mm, panjang 2200mm dan tekanan penyimpanan 350bar untuk kereta api iLint.
gambar
Alstom telah menjual 41 kereta api berkuasa hidrogen Coradia iLint dan sedang menguji yang lain (gambar melalui Alstom)
gambar
Syarikat kereta api Perancis SNCF telah menempah 12 kereta api serantau dwi-mod elektrik dan berkuasa hidrogen Coradia Polyvalent Alstom (gambar melalui Alstom)
gambar
Alstom bekerjasama dengan Eversholt Rail di UK untuk menukar kereta api elektrik kepada kereta api Breeze berkuasa hidrogen (gambar melalui Alstom)
Perkembangan lain yang berkaitan dengan kereta api berkuasa hidrogen termasuk: kereta api Mireo Plus H dengan 2 dan 3 gerabak yang dibangunkan oleh Siemens Jerman, yang akan diuji di beberapa wilayah di Jerman semasa 2023-2024. Sementara itu, Hexagon Purus membekalkan tangki simpanan hidrogen Jenis IV untuk kereta api Vittal-One yang Talgo Sepanyol akan mula diuji pada 2023. Hexagon Purus juga akan membekalkan tangki simpanan hidrogen kepada Swiss Stadler Rail untuk kereta api FLIRT pertama yang dibina dan diuji di Switzerland, yang akan memasuki perkhidmatan di San Bernardino, California, Amerika Syarikat pada 2024.
gambar
Siemens sedang membangunkan kereta api Mireo Plus H untuk ujian di 2023-2024 (gambar dari Siemens)
Dari segi perkapalan, Hexagon Purus mengumumkan pada Jun 2021 bahawa ia akan menubuhkan anak syarikat baharu, Hexagon Purus Maritime. "Kami kini melihat peningkatan pesat dalam permintaan dan tindakan untuk hidrogen dalam pasaran marin," jelas Jørn Helge Dahl, Pengarah Jualan dan Pemasaran di Hexagon Purus. Aplikasi storan luar pesisir menyediakan penyelesaian yang ideal." Dahl percaya industri maritim akan menyaksikan semakin banyak projek dilaburkan dalam sektor ini apabila menjelang 2030, didorong oleh sasaran yang ditetapkan oleh Pertubuhan Maritim Antarabangsa (IMO, London, UK) beroperasi. Projek-projek ini termasuk : Semua kapal baharu dan sedia ada mesti mengurangkan pelepasan CO2 sebanyak 40 peratus menjelang 2030 dan sebanyak 70 peratus menjelang 2050, berbanding 2008.
Dalam penerbangan, tahun 2020 menyaksikan lonjakan minat secara tiba-tiba terhadap hidrogen apabila kerajaan Perancis menyelamatkan Airbus kerana kesan daripada pandemik-19 COVID sambil memerlukannya membawa pesawat komersial berkuasa hidrogen ke pasaran menjelang 2035 . Pada musim panas 2020, Airbus melancarkan projek ZEROenya dengan tiga model pesawat, bahagian belakang 1/3 daripadanya digunakan untuk menyimpan hidrogen cecair dan memerlukan kawalan kriogenik.
Pilihan lain untuk turboprops serantau ialah modul tangki berkembar yang dibangunkan oleh syarikat AS Universal Hydrogen, yang menggunakan bingkai CFRP. "Kami menyediakan modul atas permintaan, jadi tidak ada keperluan untuk kemudahan penyimpanan hidrogen," jelas JP Clarke, CTO Universal Hydrogen. "Modul ini boleh dimuatkan ke dalam pesawat dengan cara yang mudah, sama seperti bateri atau bekalan dapur." Syarikat itu Diumumkan pada 2021, ia telah menandatangani surat niat dengan tiga syarikat penerbangan serantau untuk menyesuaikan semula sistem pendorong berkuasa hidrogen untuk pesawat turboprop sedia ada.
Syarikat AS ZeroAvia mengumumkan pada April 2021 bahawa ia sedang membangunkan 2-tempat duduk untuk 50-jet serantau tempat duduk.
MW rangkaian kuasa hidrogen-elektrik. Syarikat itu menyelesaikan pembiayaan $24.3 juta pada 2021, yang akan membantunya mencapai pengkomersilan pada 2024 dan mula berkhidmat untuk pesawat serantau awam pada 2026.
Cabaran penyimpanan hidrogen
Bekas jenis IV juga menghadapi masalah yang serius. Paling ketara, kos gentian karbon menjadikan bekas ini sangat mahal. Satu lagi isu utama ialah kepadatan storan. Walaupun hidrogen termampat menyediakan tiga kali ganda tenaga bagi setiap jisim petrol, tenaga bagi setiap isipadu adalah jauh lebih rendah, memerlukan bekas besar untuk menahan tekanan tinggi yang diperlukan untuk menyimpan bahan api yang mencukupi. Hidrogen sebenarnya menawarkan ketumpatan yang lebih tinggi sebagai cecair kriogenik apabila disimpan pada -253 darjah, manakala apabila disimpan dalam tangki mampatan kriogenik (CCH2) pada -230 darjah, 300 bar, hidrogen dikatakan mempunyai ketumpatan yang lebih tinggi. berbanding apabila disimpan pada 700 bar 50 peratus lebih tinggi dalam bekas Jenis IV. Tangki kriogenik secara amnya adalah logam, dan tangki kriogenik yang diperbuat daripada lebih banyak bahan komposit belum lagi dibuktikan mempunyai prestasi dan hayat lesu yang sama seperti yang ditunjukkan dalam bekas gas mampat Jenis IV, yang telah terkumpul data Prestasi selama 25 tahun.
Isu lain ialah pengeluaran berjuta-juta tangki simpanan hidrogen yang diperlukan untuk memenuhi kenderaan sel bahan api (FCV) dan sasaran permintaan infrastruktur mungkin tidak tersedia tepat pada masanya untuk kuantiti gentian karbon yang besar yang diperlukan. "Mendapatkan gentian karbon yang mencukupi adalah salah satu kebimbangan utama kami." Himmen NPROXX berkata bahawa prestasi syarikat dalam 2020-2021 tahun fiskal telah meningkat dua kali ganda dan akan terus meningkat dua kali ganda pada tahun fiskal akan datang. "Kami tidak bersendirian, saya rasa Hexagon berkembang pada kadar yang sama. Kami memerlukan gentian karbon dengan kualiti dan prestasi tertentu pada titik harga tertentu." Pada masa ini, kebanyakan kapal Jenis IV menggunakan gentian T700 Toray ( Kekuatan tegangan 4900MPa, modulus 230MPa) atau gentian yang serupa. "Seratnya tidak cukup kuat, bermakna ia perlu digulung beberapa kali lagi, yang menjadikan bekas lebih tebal, yang tidak boleh diterima. Jika anda tidak tahu sekarang dari mana serat anda akan datang tahun depan, anda mungkin benar-benar mempunyai untuk menghentikan pengeluaran."
Satu lagi cabaran besar untuk kapal Jenis IV ialah kos gentian karbon dan kapal CFRP. Pembuat kapal baharu dan pembekal automotif Tahap 1 Perancis Plastic Omnium dan Faurecia kedua-duanya menetapkan sasaran untuk mengurangkan kos tangki simpanan hidrogen Jenis IV sebanyak 30 peratus kepada 75 peratus menjelang 2030 sambil meningkatkan kecekapan penyimpanan. meningkat lebih daripada 7 peratus . Untuk tujuan ini, teknologi baharu sentiasa diperkenalkan, daripada teknologi FPP yang digunakan oleh Cevotec di Jerman untuk memendekkan masa dan kos pembungkusan CFRP untuk kubah kontena, kepada teknologi penggulungan 3D yang dilancarkan oleh Cygnet Texkimp di UK untuk mengurangkan kerosakan gentian, dan kepada Teknologi pengesanan kontena in-situ yang dilancarkan oleh Com&Sens, pakar dalam penyepaduan sensor bahan komposit, Belgium.
