Det globala målet att nå nollutsläpp till 2050 driver på en snabb tillväxt av komposittryckkärl.
bild
Komposittryckkärl
Högtrycksgaslagringskärl är en av de största och snabbast växande marknaderna för avancerade kompositer, särskilt filamentlindade kolfiberkompositer. Även om de kan användas i fristående andningsapparater och för att tillhandahålla syre- och gaslagring för flygfordon, är den huvudsakliga slutmarknaden för flytande propangas (LPG), komprimerad naturgas (CNG), förnybar naturgas (RNG) och väte (H2) lagring. Medan gasolflaskor används i bilar, finns det en växande efterfrågan på dem på matlagnings- och värmemarknaderna i utvecklingsländerna.
Bränslesystem som komprimerad naturgas (CNG), förnybar naturgas (RNG) och väte (H2) används i allt högre grad i bilar, bussar, skåpbilar och andra "Återförsörj bensinstationer eller bulktransporter på industrianläggningar. I fordonstillämpningar, dessa bränslelagringstankar är en viktig del av rena drivlinor med nollutsläpp som minskar eller ersätter bensin, diesel och flygbränsle. Dessa drivlinor ger också ett laddningsfritt alternativ för batteridrivna fordon, som kräver tankningsinfrastruktur och tankningstider som liknar tankning av fossila bränslen bränslen.
Det finns 5 typer av tryckkärl:
Typ I: All metallkonstruktion, vanligtvis stålkonstruktion.
Typ II: Mestadels metall med några ringlindade fibrer, vanligtvis stål- eller aluminiummetall- och glasfiberkompositer, metallbehållaren delar ungefär samma strukturella belastningar som kompositen.
Typ III: Metallfodret är helt lindat med kompositmaterial, vanligtvis lindas kolfiberkompositmaterial runt aluminiumfodret, och kompositmaterialet bär den strukturella belastningen.
Typ IV: Helkompositstruktur, vanligtvis en innertank gjord av polyamid (PA) eller högdensitetspolyeten (HDPE), den inre tanken är lindad med kolfiber eller ett kompositmaterial blandat med kolfiber/glasfiber, och kompositen Materialet tål alla strukturella belastningar.
Typ V: Foderlös, helt kompositkonstruktion.
Traditionellt innehade typ I mer än 90 procent av marknaden, men detta har möjliggjorts av ökad försäljning av typ III och typ IV tryckkärl på grund av viktbesparingar från kompositmaterial och förbättrad lagringseffektivitet av komprimerad gas. Började förändras. Typ V är fortfarande i sin linda och tillgodoser främst behoven för rymdapplikationer. Med utvecklingen av den nya rymdindustrin är detta en produkttyp värd att uppmärksammas. Till exempel, i april 2020, utvecklade det amerikanska företaget Infinite Composites Technologies (ICT) en A-sfärisk V-formad kryogentank som används för att lagra kryogena flytande drivmedel på raketdrivna rymdfarkoster. Denna linerless kolfiber epoxi cryosphere tank är tillverkad med filamentlindning och industriell ugnshärdningsprocess.
Marknadsdrivare och tillväxttakt
Den främsta drivkraften för denna marknad är det växande globala engagemanget för att minska klimatpåverkan genom att byta från fossila bränslen till förnybara, utsläppsminskande bränslen som CNG, RNG och H2 för att uppnå nollutsläpp till 2050. Enligt en ny rapport från International Energy Agency, "Net Zero Emissions by 2050: A Roadmap for the Global Energy Sector": De klimatåtaganden som regeringar hittills har gjort, om de är fullt förverkligade, ligger långt ifrån 2050 års mål om att minska nettoenergirelaterade globala CO2-utsläpp till noll ger istället världen en möjlighet att begränsa den globala temperaturökningen till 1,5 grader .
Det är värt att nämna att, utöver ovanstående åtaganden, har de amerikanska delstaterna Connecticut, Maryland, Massachusetts, New Jersey, New York, Oregon, Rhode Island, Vermont och Washington redan förbundit sig att inte tillverka nya personbilar med fossila bränslen. , gå med i Kalifornien, Colorado, Hawaii, Maine, North Carolina, Oregon, Pennsylvania och District of Columbia för att förbjuda försäljning av nya fossildrivna medel- och tunga fordon.
Som ett annat tecken på tillväxt har USA-baserade Cummins Inc., som producerar 130 miljoner förbränningsmotorer (ICE) per år, av vilka många används i bussar och medel- och tunga lastbilar, investerat i utvecklingen av en klass 8 bränslecellsbil och en vätgasdriven motor. I juni 2021 sa Cummins att i slutet av detta århundrade kommer dessa produkter att närma sig den totala ägandekostnaden (TCO) för en dieselmotor, och att framtida tunga transporter kommer att drivas av väte, bränsleceller eller batterier snarare än diesel.
Den globala försäljningen av naturgasfordon (NGV) 2020 var högre än tidigare prognostiserat: 29,8 miljoner enheter såldes faktiskt mot de prognostiserade 24,4 miljonerna, enligt 2021 års Grandview Research Report. Rapporten förutspår också att försäljningen 2021 kommer att vara cirka 31 miljoner enheter och kommer att öka till 38,9 miljoner enheter 2028, vilket ger en sammansatt årlig tillväxttakt (CAGR) på 3,3 procent. DataIntelo hävdar att på CNG-fartygsmarknaden står typ I-fartyg för cirka 55 procent av marknaden, medan typ II-, typ III- och typ IV-fartyg står för cirka 25 procent, 15 procent respektive 5 procent av marknaden.
Tony Roberts från AJR Consulting och Dan Pichler från CarbConsult förutspådde att efterfrågan på kolfiber i komposittryckkärl kommer att öka från 13 100 ton 2021 till 20 230 ton 2026, och den totala efterfrågan på kolfiber år 2021 förväntas bli 106 700 ton. Nedan förväntas den totala efterfrågan på kolfiber uppgå till 169,000t år 2026. Roberts och Pichler uppskattar att det mesta av kolfibern som används i tryckkärl kommer att gå in i mobila rör (6900 ton år 2026) och bussar och skåpbilar (6400t 2026).
Dessutom, enligt lanseringen av nya vätgasbränslefordon runt om i världen, uppskattas det att varje 700bar vätelagringstank som innehåller 60 procent fiber och väger 5,6 kg kommer att använda 62-72kg kolfiber. År 2030 kommer bara vätgastankar att behöva kolfiber. Volymen kommer att nå 166650t. Prognoserna för dessa fordon är dock konservativa, med endast 1 procent av tunga lastbilar, mindre än 10 procent av bussar och mindre än 1 procent av bilar förväntas använda vätgas.
Användning av kompositmaterial för tryckkärl
Typ IV komposittryckkärl för vätgaslagring tillverkas genom att linda kolfiber runt ett plastfoder och applicera epoxiharts. Leverantörer av kompositmaterialutrustning som designar och tillverkar högautomatiserade nyckelfärdiga produktionslinjer för vätgaslagringstankar inkluderar: Autonational Composites i Nederländerna, Engineering Technology i USA, McClean Anderson i USA, MIKROSAM i Makedonien och Roth Composite Machinery i Tyskland, den senare hävdar att produktionen av vätgaslagringstankar kan göras fem till tio gånger snabbare med sin nya Rothawin-teknik. MIKROSAM hävdar att dess kund, Rysslands JSC DPO Plastik, har använt världens största produktionslinje för tillverkning av CNG-behållare och vätgaslagringstankar, som kan linda 60,000 behållare per år.
Tysklands Cevotec säger att det kan spara 20 procent i material och 20 procent i cykeltid genom att använda sitt Fiber Patch Placement-system (FPP) i kupolområdet på ett tryckkärl. Cevotecs VD förklarade att för att lagra 1 kg väte är arbetstrycket i behållaren upp till 700 bar, vilket betyder att det behövs cirka 10 kg kolfiber, vilket är ett mycket högt förhållande. FPP-systemet kan applicera noggrant designade kolfiberplåster på områden som ibland ger problem under lindningsprocessen. Det sägs att ett enda FPP-system kan förstärka containrar från flera lindningsmaskiner.
Medan de flesta tryckkärl av typ IV som används för lagring av komprimerad gas använder kolfiber för strukturell förstärkning och glasfiber för det yttre lagret för att förhindra skador, använder norska Umoe Advanced Composites (UAC) endast glasfiber för sina typ IV-kärl. UAC erbjuder 200-350 barfartyg för naturgastransportmarknaden snarare än fordonsmarknaden och kommer att utöka sin produktportfölj till att omfatta 450-500 barfartyg 2022. Som sagt av UAC:s vd Øyvind Hamre, glasfiber -förstärkta polymerkärl (GFRP) kostar lika mycket som stålkärl, men är 70 procent lättare. Jämfört med GFRP-behållare, även om GFRP-behållare är tyngre, minskar de kostnaden med 50 procent.
bild
Typ IV-kärl gjorda av glasfiberförstärkta kompositer är billigare än kolfiberkompositer och lättare än stålkärl (bild via Umoe Advanced Composites)
Vätgaslagringstankar på många marknader
För Hexagon Purus i Norge och NPROXX i Nederländerna (ett 50:50 joint venture mellan Cummins och Cimmaron Composites i USA, har det förvärvats av Hanwha i Sydkorea. Företaget meddelade 2021 att det kommer att investera 130 miljoner US-dollar i Alaba, USA Distribution är också en viktig marknad för byggandet av en ny produktionsanläggning i Opelika, MA.
Användningen av vätgaslagringstankar har inte bara ökat på distributionsmarknaden, utan även inom områdena bilar, lastbilar, järnvägstransporter och sjötransporter. "Några av skåpbilarna som byggs i Europa kommer att drivas av vätgas", säger Michael Himmen, VD och försäljningschef på NPROXX, en tillverkare av vätgaslagringstankar. Enligt europeiska regler måste lastbilstillverkare senast 2030 se till att CO2-utsläppen från deras lastbilar minskas med i genomsnitt 30 procent jämfört med 2019 års nivåer. Enligt Himmens förslag kan 5 procent av de europeiska lastbilarna använda vätgas, vilket innebär att totalt 15,000 till 20,000 vätgasdrivna lastbilar kommer att behövas varje år. Han är säker på att 2,000 vätgasdrivna skåpbilar skulle kunna byggas om året med början i 2026-27 och växa stadigt därifrån. Om varje fordon är utrustat med 5 till 7 vätelagringstankar av typ IV, kan tunga lastbilar inom 10 år behöva 100,000 vätelagringstankar och 6,000 ton kolfiber per år.
När det gäller järnvägar har Alstoms Coradia iLint vätgasdrivna tåg tagits i bruk i Tyskland. 14 tåg till Niedersachsen har börjat gå 2021, och 27 tåg till Rhenregionen kommer att starta 2022. år efter användning. Dessutom testas iLint-tåg för närvarande i Österrike och Nederländerna. Tågets två vagnar använder 24 vätgastankar av typ IV, som placeras i takkupéer ovanpå varje vagn, som även innehåller bränsleceller. Hexagon Composites levererade vätgaslagringstanken till prototyptåget baserat på dess kraftiga lagringstank med en diameter på 416 mm och en längd på 3128 mm, som kan hålla 300L eller 9kg väte vid ett tryck på 350 bar. Nu tillhandahåller NPROXX vätgaslagringstankar med en diameter på 500 mm, en längd på 2200 mm och ett lagringstryck på 350 bar för iLint-tåg.
bild
Alstom har sålt 41 Coradia iLint vätgasdrivna tåg och testar andra (bild via Alstom)
bild
Franska järnvägsföretaget SNCF har beställt 12 Alstoms Coradia Polyvalent elektriska och vätgasdrivna dual-mode regionaltåg (bild via Alstom)
bild
Alstom samarbetar med Eversholt Rail i Storbritannien för att konvertera elektriska tåg till vätgasdrivna Breeze-tåg (bild via Alstom)
Andra utvecklingar relaterade till vätgasdrivna tåg inkluderar: Mireo Plus H-tåget med 2 och 3 vagnar utvecklat av tyska Siemens, som kommer att testas i flera regioner i Tyskland under 2023-2024. Samtidigt levererar Hexagon Purus vätelagringstankar av typ IV till Vittal-One-tågen som spanska Talgo kommer att börja testa 2023. Hexagon Purus kommer också att leverera vätelagringstankar till schweiziska Stadler Rail för sitt första FLIRT-tåg som byggts och testats i Schweiz, vilket kommer att börja användas i San Bernardino, Kalifornien, USA 2024.
bild
Siemens utvecklar Mireo Plus H-tåget för testning i 2023-2024 (bild från Siemens)
När det gäller sjöfart meddelade Hexagon Purus i juni 2021 att man kommer att etablera ett nytt dotterbolag, Hexagon Purus Maritime. "Vi ser nu en snabb ökning av efterfrågan och åtgärder för vätgas på den marina marknaden", förklarar Jørn Helge Dahl, försäljnings- och marknadsdirektör på Hexagon Purus. Offshore-lagringsapplikationer ger en idealisk lösning." Dahl tror att den maritima industrin kommer att se fler och fler projekt investeras i sektorn när 2030 närmar sig, drivna av mål som ställts upp av International Maritime Organization (IMO, London, Storbritannien). Dessa projekt omfattar bl.a. : Alla nya och befintliga fartyg måste minska CO2-utsläppen med 40 procent till 2030 och med 70 procent till 2050, jämfört med 2008.
Inom flyget sågs 2020 ett plötsligt ökat intresse för vätgas när den franska regeringen räddade Airbus på grund av nedfallet från covid-19-pandemin samtidigt som den krävde att den skulle ta ut vätgasdrivna kommersiella flygplan till marknaden 2035. Sommaren 2020 lanserade Airbus sitt ZEROe-projekt med tre flygplansmodeller, varav den bakre 1/3 används för att lagra flytande väte och kräver kryogen kontroll.
Ett annat alternativ för regionala turboproppar är tvillingtankmodulen utvecklad av det amerikanska företaget Universal Hydrogen, som använder en CFRP-ram. "Vi tillhandahåller modulerna på begäran, så det finns inget behov av en vätgaslagringsanläggning", förklarade JP Clarke, CTO för Universal Hydrogen. "Dessa moduler kan laddas på flygplanet på ett enkelt sätt, precis som batterier eller köksmaterial." Företaget, som tillkännagavs 2021, har undertecknat avsiktsförklaringar med tre regionala flygbolag för att eftermontera vätgasdrivna framdrivningssystem för befintliga turbopropflygplan.
Det amerikanska företaget ZeroAvia tillkännagav i april 2021 att det utvecklar en 2-sits för ett 50-sätes regionaljet.
MW av väteelektriska drivlinor. Företaget slutförde 24,3 miljoner dollar i finansiering 2021, vilket kommer att hjälpa det att uppnå kommersialisering 2024 och börja betjäna civila regionala flygplan 2026.
Utmaningarna med vätelagring
Typ IV-behållare står också inför allvarliga problem. Mest anmärkningsvärt är att kostnaden för kolfiber gör dessa behållare mycket dyra. En annan nyckelfråga är lagringstätheten. Medan komprimerat väte ger tre gånger energin per massa bensin, är dess energi per volym avsevärt lägre, vilket kräver stora behållare för att klara de höga tryck som krävs för att lagra tillräckligt med bränsle. Väte ger faktiskt en högre densitet som en kryogen vätska när den lagras i -253 grad, medan när den lagras i en kryogen kompressionstank (CCH2) vid -230 grad, 300 bar, sägs väte ha en högre densitet än vid förvaring vid 700 bar 50 procent högre i typ IV-behållare. Kryogentankar är i allmänhet metalliska och kryogena tankar gjorda av mer kompositmaterial har ännu inte visats ha exakt samma prestanda och utmattningslivslängd som visas i typ IV-behållare för komprimerad gas, som har prestandadata ackumulerats under 25 år.
En annan fråga är att produktionen av miljontals vätelagringstankar som krävs för att uppfylla målen för efterfrågan på bränsleceller och infrastruktur kanske inte är tillgänglig i tid för de stora mängder kolfiber som krävs. "Att få i sig tillräckligt med kolfiber är en av våra främsta bekymmer." NPROXXs Himmen sa att företagets resultat under räkenskapsåret 2020-2021 har fördubblats och kommer att fortsätta att fördubblas under nästa räkenskapsår. "Vi är inte ensamma, jag tror att Hexagon växer i samma takt. Vi behöver kolfiber med en viss kvalitet och prestanda till ett visst pris." För närvarande använder de flesta typ IV-kärl Torays T700-fiber (draghållfasthet 4900MPa, modul 230MPa) eller liknande fibrer. "Fibern är inte tillräckligt stark, vilket innebär att den behöver lindas några gånger till, vilket gör behållaren tjockare, vilket är oacceptabelt. Om du nu inte vet var din fiber kommer ifrån nästa år kan du verkligen ha att stoppa produktionen."
En annan stor utmaning för typ IV-kärl är kostnaden för kolfiber- och CFRP-kärl. Nya fartygstillverkare och franska Tier 1-fordonsleverantörer Plastic Omnium och Faurecia har båda satt upp mål att minska kostnaderna för vätgaslagringstankar av typ IV med 30 procent till 75 procent till 2030 och samtidigt öka lagringseffektiviteten. öka med mer än 7 procent. För detta ändamål introduceras ständigt ny teknik, från FPP-tekniken som används av Cevotec i Tyskland för att förkorta tiden och kostnaderna för CFRP-omslag för containerkupoler, till 3D-lindningstekniken som lanserats av Cygnet Texkimp i Storbritannien för att minska fiberskador, och till Den in-situ containerdetekteringsteknologi som lanserats av Com&Sens, en specialist på integrering av kompositmaterialsensorer, Belgien.
