Det globale målet om å nå nullutslipp innen 2050 driver rask vekst i kompositttrykkbeholdere.
bilde
Kompositt trykkbeholdere
Høytrykksgasslagre er et av de største og raskest voksende markedene for avanserte kompositter, spesielt filamentviklede karbonfiberkompositter. Selv om de kan brukes i selvstendige pusteapparater og for å gi oksygen- og gasslagring for romfartskjøretøyer, er hovedsluttmarkedet for flytende propangass (LPG), komprimert naturgass (CNG), fornybar naturgass (RNG) og hydrogen (H2) lagring. Mens LPG-sylindere brukes i biler, er det økende etterspørsel etter dem i matlagings- og oppvarmingsmarkeder i utviklingsland.
Drivstoffsystemer som komprimert naturgass (CNG), fornybar naturgass (RNG) og hydrogen (H2) blir i økende grad brukt i biler, busser, varebiler og andre "Forsyner bensinstasjoner eller bulktransport på industrianlegg. I kjøretøyapplikasjoner er disse drivstofflagringstanker er en viktig del av rene nullutslippsdrivlinjer som reduserer eller erstatter bensin, diesel og jetdrivstoff. Disse drivlinjene gir også et ladefritt alternativ for batteridrevne kjøretøy, som krever infrastruktur for tanking og fyllingstid som ligner på fylling av fossilt drivstoff. drivstoff.
Det er 5 typer trykkbeholdere:
Type I: All metallkonstruksjon, vanligvis stålkonstruksjon.
Type II: For det meste metall med noen bøyleviklede fibre, vanligvis stål- eller aluminiummetall- og glassfiberkompositter, metallbeholderen deler omtrent de samme strukturelle belastningene som kompositten.
Type III: Metallforingen er fullstendig pakket inn med komposittmaterialer, vanligvis er karbonfiberkomposittmaterialer pakket rundt aluminiumsforingen, og komposittmaterialet bærer den strukturelle belastningen.
Type IV: Helkomposittstruktur, vanligvis en indre tank laget av polyamid (PA) eller høydensitetspolyetylen (HDPE), den indre tanken er viklet med karbonfiber eller et komposittmateriale blandet med karbonfiber/glassfiber, og kompositten materialet bærer alle strukturelle belastninger.
Type V: Foringsløs, komposittkonstruksjon.
Tradisjonelt hadde Type I mer enn 90 prosent av markedet, men dette har blitt muliggjort av økt salg av Type III og Type IV trykkbeholdere på grunn av vektbesparelser fra komposittmaterialer og forbedret lagringseffektivitet av komprimert gass. Begynte å endre seg. Type V er fortsatt i sin spede begynnelse og dekker hovedsakelig behovene til romapplikasjoner. Med utviklingen av den nye romfartsindustrien er dette en produkttype som er verdig oppmerksomhet. For eksempel, i april 2020 utviklet det amerikanske selskapet Infinite Composites Technologies (ICT) en A sfærisk V-formet kryogen tank som brukes til å lagre kryogene flytende drivgasser på rakettdrevne romfartøyer. Denne kryosfæretanken i karbonfiber uten foring er produsert ved bruk av filamentvikling og industriell ovnherdeprosess.
Markedsdrivere og vekstrater
Hoveddriveren for dette markedet er den økende globale forpliktelsen til å redusere klimapåvirkningen ved å bytte fra fossilt brensel til fornybart, utslippsreduserende drivstoff som CNG, RNG og H2 for å oppnå nullutslipp innen 2050. I følge en ny rapport fra Det internasjonale energibyrået, "Netto Zero Emissions by 2050: A Roadmap for the Global Energy Sector": Klimaforpliktelsene regjeringene har gjort så langt, hvis de er fullt realisert, kommer langt under 2050-målet om å redusere netto energirelaterte globale CO2-utslipp til null gir i stedet verden en mulighet til å begrense stigningen i globale temperaturer til 1,5 grader.
Det er verdt å nevne at, i tillegg til de ovennevnte forpliktelsene, har de amerikanske delstatene Connecticut, Maryland, Massachusetts, New Jersey, New York, Oregon, Rhode Island, Vermont og Washington allerede forpliktet seg til ikke å produsere nye personbiler med fossilt brensel. , bli med i California, Colorado, Hawaii, Maine, North Carolina, Oregon, Pennsylvania og District of Columbia for å forby salg av nye mellom- og tunge kjøretøyer med fossilt drivstoff.
Som et annet tegn på vekst har USA-baserte Cummins Inc., som produserer 130 millioner forbrenningsmotorer (ICE) i året, hvorav mange brukes i busser og mellom- og tunge lastebiler, investert i utviklingen av en klasse 8 brenselcelle varebil og en hydrogendrevet motor. I juni 2021 sa Cummins at ved slutten av dette århundret vil disse produktene nærme seg de totale eierkostnadene (TCO) for en dieselmotor, og at fremtidig tungtransport vil bli drevet av hydrogen, brenselceller eller batterier i stedet for diesel.
Globalt salg av naturgassbiler (NGV) i 2020 var høyere enn tidligere spådd: 29,8 millioner enheter ble faktisk solgt mot de anslåtte 24,4 millioner, ifølge 2021 Grandview Research Report. Rapporten spår også at salget i 2021 vil være omtrent 31 millioner enheter, og vil øke til 38,9 millioner enheter i 2028, og oppnå en sammensatt årlig vekstrate (CAGR) på 3,3 prosent. DataIntelo hevder at i CNG-fartøymarkedet står Type I-fartøyer for omtrent 55 prosent av markedet, mens Type II-, Type III- og Type IV-fartøyer står for henholdsvis omtrent 25 prosent, 15 prosent og 5 prosent av markedet.
Tony Roberts fra AJR Consulting og Dan Pichler fra CarbConsult spådde at etterspørselen etter karbonfiber i kompositttrykkbeholdere vil øke fra 13 100 tonn i 2021 til 20 230 tonn i 2026, og den totale etterspørselen etter karbonfiber i 2021 forventes å være 106 700 tonn. Nedenfor forventes den totale etterspørselen etter karbonfiber å nå 169,000t i 2026. Roberts og Pichler anslår at det meste av karbonfiberen som brukes i trykkbeholdere vil gå inn i mobile rør (6900t i 2026) og busser og varebiler (6400t i 2026).
I tillegg, ifølge utgivelsen av nye hydrogendrivstoffkjøretøyer rundt om i verden, er det anslått at hver 700bar hydrogenlagringstank som inneholder 60 prosent fiber og veier 5,6 kg vil bruke 62-72kg karbonfiber. Innen 2030 er det bare hydrogenlagringstanker som trenger karbonfiber. Volumet vil nå 166650t. Anslagene for disse kjøretøyene er imidlertid konservative, med bare 1 prosent av tunge lastebiler, mindre enn 10 prosent av busser og mindre enn 1 prosent av bilene forventes å bruke hydrogen.
Bruk av komposittmaterialer for trykkbeholdere
Type IV kompositttrykkbeholdere for hydrogenlagring er laget ved å vikle karbonfiber rundt en plastforing og påføre epoksyharpiks. Leverandører av komposittmateriellutstyr som designer og produserer svært automatiserte nøkkelferdige produksjonslinjer for hydrogenlagringstanker inkluderer: Autonational Composites i Nederland, Engineering Technology i USA, McClean Anderson i USA, MIKROSAM i Makedonia og Roth Composite Machinery i Tyskland, sistnevnte hevder at produksjonen av hydrogenlagringstanker kan gjøres fem til ti ganger raskere med sin nye Rothawin-teknologi. MIKROSAM hevder at kunden, Russlands JSC DPO Plastik, har brukt verdens største produksjonslinje for produksjon av CNG-beholdere og hydrogenlagringstanker, som er i stand til å vikle 60,000 beholdere per år.
Tysklands Cevotec sier at det kan spare 20 prosent i materiale og 20 prosent i syklustid ved å bruke Fiber Patch Placement-systemet (FPP) i kuppelområdet til en trykkbeholder. Cevotecs administrerende direktør forklarte at for å lagre 1 kg hydrogen er arbeidstrykket i beholderen opptil 700 bar, noe som betyr at det trengs ca 10 kg karbonfiber, som er et veldig høyt forhold. FPP-systemet er i stand til å påføre nøye utformede karbonfiberlapper på områder som noen ganger byr på problemer under viklingsprosessen. Det sies at et enkelt FPP-system kan forsterke containere fra flere viklingsmaskiner.
Mens de fleste Type IV trykkbeholdere som brukes til lagring av komprimert gass bruker karbonfiber for strukturell forsterkning og glassfiber for det ytre laget for å forhindre skade, bruker Norges Umoe Advanced Composites (UAC) kun glassfiber til sine Type IV-beholdere. UAC tilbyr 200-350 barfartøyer for naturgasstransportmarkedet i stedet for bilmarkedet, og vil utvide produktporteføljen til å omfatte 450-500 barfartøy i 2022. Som uttalt av UAC-sjef Øyvind Hamre, glassfiber -forsterket polymer (GFRP) fartøy koster det samme som stålfartøy, men er 70 prosent lettere. Sammenlignet med CFRP-beholdere, selv om GFRP-beholdere er tyngre, reduserer de kostnadene med 50 prosent.
bilde
Type IV-beholdere laget av glassfiberforsterkede kompositter er rimeligere enn karbonfiberkompositter og lettere enn stålbeholdere (bilde via Umoe Advanced Composites)
Hydrogen lagringstanker i mange markeder
For Hexagon Purus i Norge og NPROXX i Nederland (et 50:50 joint venture mellom Cummins og Cimmaron Composites i USA, er det kjøpt opp av Hanwha i Sør-Korea. Selskapet annonserte i 2021 at det vil investere 130 millioner amerikanske dollar i Alaba, USA. Distribusjon er også et viktig marked for bygging av et nytt produksjonsanlegg i Opelika, MA.
Anvendelsen av hydrogenlagringstanker har ikke bare fått vekst i distribusjonsmarkedet, men også innen biler, lastebiler, jernbanetransport og sjøtransport. "Noen av varebilene som bygges i Europa vil bli drevet av hydrogen," sa Michael Himmen, administrerende direktør og salgssjef hos NPROXX, en produsent av hydrogenlagringstanker. I henhold til europeiske forskrifter, innen 2030, må lastebil-OEM-er sørge for at CO2-utslippene fra lastebilene deres reduseres med gjennomsnittlig 30 prosent sammenlignet med 2019-nivåene. Ifølge Himmens forslag kan 5 prosent av europeiske lastebiler bruke hydrogenkraft, noe som betyr at det totalt vil være behov for 15,000 til 20,000 hydrogendrevne lastebiler hvert år. Han er sikker på at 2,000 hydrogendrevne varebiler kan bygges i året som starter i 2026-27 og vokser jevnt derfra. Hvis hvert kjøretøy er utstyrt med 5 til 7 type IV hydrogenlagringstanker, innen 10 år, kan tunge lastebiler trenge 100,000 hydrogenlagringstanker og 6,000 tonn karbonfiber per år.
Når det gjelder jernbane, er Alstoms Coradia iLint hydrogendrevne tog tatt i bruk i Tyskland. 14 tog til Niedersachsen har begynt å kjøre i 2021, og 27 tog til Rhin-regionen vil starte i 2022. år etter bruk. I tillegg testes iLint-tog for tiden i Østerrike og Nederland. Togets to vogner bruker 24 type IV hydrogenlagringstanker, som er plassert i takrom på toppen av hver vogn, som også inneholder brenselceller. Hexagon Composites leverte hydrogenlagringstanken til prototypetoget basert på dens kraftige lagertank med en diameter på 416 mm og en lengde på 3128 mm, som kan inneholde 300L eller 9kg hydrogen ved et trykk på 350 bar. Nå leverer NPROXX hydrogenlagringstanker med en diameter på 500 mm, en lengde på 2200 mm og et lagringstrykk på 350 bar for iLint-tog.
bilde
Alstom har solgt 41 Coradia iLint hydrogendrevne tog og tester andre (bilde via Alstom)
bilde
Det franske jernbaneselskapet SNCF har bestilt 12 Alstoms Coradia Polyvalent elektriske og hydrogendrevne dual-mode regionaltog (bilde via Alstom)
bilde
Alstom samarbeider med Eversholt Rail i Storbritannia for å konvertere elektriske tog til hydrogendrevne Breeze-tog (bilde via Alstom)
Andre utviklinger knyttet til hydrogendrevne tog inkluderer: Mireo Plus H-toget med 2 og 3 vogner utviklet av tyske Siemens, som vil bli testet i flere regioner i Tyskland i løpet av 2023-2024. I mellomtiden leverer Hexagon Purus type IV hydrogenlagringstanker til Vittal-One-togene som Spanias Talgo vil begynne å teste i 2023. Hexagon Purus vil også levere hydrogenlagringstanker til sveitsiske Stadler Rail for sitt første FLIRT-tog bygget og testet i Sveits, som vil gå i tjeneste i San Bernardino, California, USA i 2024.
bilde
Siemens utvikler Mireo Plus H-toget for testing i 2023-2024 (bilde fra Siemens)
Når det gjelder shipping, annonserte Hexagon Purus i juni 2021 at de vil etablere et nytt datterselskap, Hexagon Purus Maritime. "Vi ser nå en rask økning i etterspørselen og handlingene etter hydrogen i det marine markedet," forklarer Jørn Helge Dahl, salgs- og markedsdirektør i Hexagon Purus. Offshore lagringsapplikasjoner gir en ideell løsning." Dahl tror den maritime industrien vil se at flere og flere prosjekter blir investert i sektoren etter hvert som 2030 nærmer seg, drevet av mål satt av International Maritime Organization (IMO, London, Storbritannia). Disse prosjektene inkluderer bl.a. : Alle nye og eksisterende skip må redusere CO2-utslippene med 40 prosent innen 2030 og med 70 prosent innen 2050, sammenlignet med 2008.
Innen luftfart var det i 2020 en plutselig økning av interesse for hydrogen da den franske regjeringen reddet Airbus på grunn av nedfallet fra COVID-19-pandemien, mens de krevde at den skulle bringe hydrogendrevne kommersielle fly til markedet innen 2035. Sommeren 2020 lanserte Airbus sitt ZEROe-prosjekt med tre flymodeller, hvorav den bakre 1/3 brukes til å lagre flytende hydrogen og krever kryogen kontroll.
Et annet alternativ for regionale turboprops er tvillingtankmodulen utviklet av det amerikanske selskapet Universal Hydrogen, som bruker en CFRP-ramme. "Vi leverer modulene på forespørsel, så det er ikke behov for et hydrogenlagringsanlegg," forklarte JP Clarke, CTO for Universal Hydrogen. "Disse modulene kan lastes inn i flyet på en enkel måte, akkurat som batterier eller kjøkkenutstyr." Selskapet, annonsert i 2021, har signert intensjonsavtaler med tre regionale flyselskaper om å ettermontere hydrogendrevne fremdriftssystemer for eksisterende turbopropfly.
Det amerikanske selskapet ZeroAvia kunngjorde i april 2021 at det utvikler en 2-seter for en 50-sete regional jetfly.
MW av hydrogenelektriske drivlinjer. Selskapet fullførte 24,3 millioner dollar i finansiering i 2021, noe som vil hjelpe det med å oppnå kommersialisering i 2024 og begynne å betjene sivile regionale fly i 2026.
Utfordringene med hydrogenlagring
Type IV-beholdere står også overfor alvorlige problemer. Mest bemerkelsesverdig gjør kostnadene for karbonfiber disse beholderne svært dyre. Et annet nøkkelproblem er lagringstetthet. Mens komprimert hydrogen gir tre ganger energien per masse bensin, er energien per volum betydelig lavere, noe som krever store beholdere for å tåle det høye trykket som trengs for å lagre nok drivstoff. Hydrogen gir faktisk en høyere tetthet som en kryogen væske når den lagres ved -253 grad, mens når den lagres i en kryogen kompresjonstank (CCH2) ved -230 grad, 300 bar, sies hydrogen å ha en høyere tetthet enn ved lagring ved 700 bar 50 prosent høyere i Type IV-beholdere. Kryogene tanker er generelt metalliske, og kryogene tanker laget av mer komposittmaterialer har ennå ikke vist seg å ha nøyaktig samme ytelse og utmattelseslevetid som demonstrert i Type IV komprimerte gassbeholdere, som har blitt akkumulert ytelsesdata over 25 år.
Et annet problem er at produksjonen av millioner av hydrogenlagringstanker som kreves for å oppfylle målene for brenselcellekjøretøy (FCV) og etterspørsel etter infrastruktur, kanskje ikke er tilgjengelig i tide for de store mengdene karbonfiber som kreves. "Å få nok karbonfiber er en av våre viktigste bekymringer." NPROXXs Himmen sa at selskapets resultater i regnskapsåret 2020-2021 har doblet seg og vil fortsette å dobles i neste regnskapsår. "Vi er ikke alene, jeg tror Hexagon vokser i samme takt. Vi trenger karbonfiber med en viss kvalitet og ytelse til et visst prispunkt." For tiden bruker de fleste type IV-fartøy Torays T700-fiber (Strekkfasthet 4900MPa, modul 230MPa) eller lignende fibre. "Fiberen er ikke sterk nok, noe som betyr at den må vikles noen ganger til, noe som gjør beholderen tykkere, noe som er uakseptabelt. Hvis du ikke nå vet hvor fiberen din kommer fra neste år, kan det hende du virkelig har å stoppe produksjonen."
En annen stor utfordring for Type IV-fartøy er kostnadene for karbonfiber- og CFRP-fartøy. Nye fartøyprodusenter og franske Tier 1-billeverandører Plastic Omnium og Faurecia har begge satt mål om å redusere kostnadene for type IV hydrogenlagringstanker med 30 prosent til 75 prosent innen 2030, samtidig som lagringseffektiviteten øker. øke med mer enn 7 prosent. For dette formål introduseres stadig nye teknologier, fra FPP-teknologien som brukes av Cevotec i Tyskland for å forkorte tiden og kostnadene for CFRP-innpakning for containerkupler, til 3D-viklingsteknologien lansert av Cygnet Texkimp i Storbritannia for å redusere fiberskader, og til In-situ containerdeteksjonsteknologi lansert av Com&Sens, en spesialist på komposittmaterialsensorintegrasjon, Belgia.
