Глобальная цель по достижению нулевых выбросов к 2050 году стимулирует быстрый рост производства композитных сосудов под давлением.
картина
Композитные сосуды под давлением
Резервуары для хранения газа под высоким давлением являются одним из крупнейших и наиболее быстрорастущих рынков современных композитов, особенно композитов из углеродного волокна, намотанных на нити. Хотя их можно использовать в автономных дыхательных аппаратах и для хранения кислорода и газа в аэрокосмических транспортных средствах, основным конечным рынком являются сжиженный пропан (LPG), сжатый природный газ (CNG), возобновляемый природный газ (RNG) и водород. (H2) хранение. Хотя баллоны для сжиженного нефтяного газа используются в автомобилях, спрос на них на рынках приготовления пищи и отопления в развивающихся странах растет.
Топливные системы, такие как сжатый природный газ (CNG), возобновляемый природный газ (RNG) и водород (H2), все чаще используются в автомобилях, автобусах, фургонах и других «заправочных станциях или наливных транспортных средствах на промышленных объектах. В транспортных средствах эти Резервуары для хранения топлива являются важной частью экологически чистых силовых агрегатов с нулевым уровнем выбросов, которые сокращают или заменяют бензин, дизельное топливо и топливо для реактивных двигателей. топлива.
Существует 5 типов сосудов под давлением:
Тип I: Цельнометаллическая конструкция, обычно стальная конструкция.
Тип II: в основном металл с некоторыми кольцеобразными волокнами, обычно композит из стали или алюминия, металла и стекловолокна, металлический контейнер разделяет примерно те же структурные нагрузки, что и композит.
Тип III: металлический вкладыш полностью обернут композитными материалами, обычно композитные материалы из углеродного волокна оборачиваются вокруг алюминиевого вкладыша, а композитный материал несет структурную нагрузку.
Тип IV: цельнокомпозитная конструкция, обычно внутренний резервуар из полиамида (ПА) или полиэтилена высокой плотности (ПЭВП), внутренний резервуар намотан углеродным волокном или композитным материалом, смешанным с углеродным волокном/стекловолокном, а композит материал выдерживает все структурные нагрузки.
Тип V: цельнокомпозитная конструкция без вкладыша.
Традиционно тип I занимал более 90 процентов рынка, но это стало возможным благодаря увеличению продаж сосудов под давлением типов III и IV благодаря снижению веса за счет композитных материалов и повышению эффективности хранения сжатого газа. Начали меняться. Тип V все еще находится в зачаточном состоянии и в основном отвечает потребностям космических приложений. С развитием новой космической отрасли этот тип продукции заслуживает внимания. Например, в апреле 2020 года американская компания Infinite Composites Technologies (ICT) разработала сферический V-образный криогенный бак, используемый для хранения криогенного жидкого топлива на ракетных космических ракетах-носителях. Этот резервуар для эпоксидной криосферы из углеродного волокна без вкладыша изготовлен с использованием намотки нити и процесса отверждения в промышленной печи.
Драйверы рынка и темпы роста
Основной движущей силой этого рынка является растущая глобальная приверженность снижению воздействия на климат путем перехода от ископаемых видов топлива к возобновляемым, снижающим выбросы видам топлива, таким как СПГ, ГСЧ и водород, с целью достижения нулевого уровня выбросов к 2050 году. Согласно новому отчету Международного энергетического агентства «Чистые нулевые выбросы к 2050 году: дорожная карта для глобального энергетического сектора»: обязательства правительств в области климата, взятые на себя до сих пор, если они будут полностью реализованы, далеки от достижения цели к 2050 году. глобальные выбросы CO2, связанные с энергетикой, равны нулю, вместо этого дает миру возможность ограничить рост глобальной температуры до 1,5 градуса .
Стоит отметить, что в дополнение к вышеуказанным обязательствам штаты США Коннектикут, Мэриленд, Массачусетс, Нью-Джерси, Нью-Йорк, Орегон, Род-Айленд, Вермонт и Вашингтон уже обязались не производить новые легковые автомобили, работающие на ископаемом топливе, тем временем , присоединитесь к Калифорнии, Колорадо, Гавайям, Мэну, Северной Каролине, Орегону, Пенсильвании и округу Колумбия, чтобы запретить продажу новых автомобилей средней и большой грузоподъемности, работающих на ископаемом топливе.
Еще одним признаком роста является то, что американская компания Cummins Inc., производящая 130 миллионов двигателей внутреннего сгорания (ДВС) в год, многие из которых используются в автобусах, грузовиках средней и большой грузоподъемности, инвестировала в разработку класса 8 фургон на топливных элементах и водородный двигатель. В июне 2021 года Cummins заявила, что к концу этого века эти продукты будут приближаться к общей стоимости владения (TCO) дизельного двигателя, и что в будущем большегрузный транспорт будет работать на водороде, топливных элементах или батареях, а не на дизельном топливе.
Согласно исследовательскому отчету Grandview за 2021 год, глобальные продажи автомобилей, работающих на природном газе (ПГТ), в 2020 году оказались выше, чем прогнозировалось ранее: фактически было продано 29,8 млн единиц против прогнозируемых 24,4 млн. В отчете также прогнозируется, что продажи в 2021 году составят примерно 31 миллион единиц и увеличатся до 38,9 миллиона единиц в 2028 году, достигнув совокупного годового темпа роста (CAGR) в 3,3 процента. DataIntelo утверждает, что на рынке судов для СПГ суда типа I составляют примерно 55 процентов рынка, а суда типа II, типа III и типа IV — примерно 25 процентов, 15 процентов и 5 процентов рынка соответственно.
Тони Робертс из AJR Consulting и Дэн Пичлер из CarbConsult предсказали, что спрос на углеродное волокно в композитных сосудах под давлением вырастет с 13 100 т в 2021 году до 20 230 т в 2026 году, а общий спрос на углеродное волокно в 2021 году ожидается на уровне 106 700 т. Ниже ожидается, что общий спрос на углеродное волокно достигнет 169000т в 2026 году. По оценкам Робертса и Пихлера, большая часть углеродного волокна, используемого в сосудах под давлением, пойдет на мобильные трубы (6900 т в 2026 году), автобусы и фургоны (6400 т в 2026 г.).
Кроме того, в соответствии с выпуском новых транспортных средств на водородном топливе по всему миру предполагается, что каждый резервуар для хранения водорода с давлением 700 бар, содержащий 60 процентов волокна и весящий 5,6 кг, будет использовать 62-72 кг углеродного волокна. К 2030 году только резервуары для хранения водорода будут нуждаться в углеродном волокне. Объем достигнет 166650т. Однако прогнозы для этих транспортных средств консервативны: ожидается, что только 1 процент большегрузных автомобилей, менее 10 процентов автобусов и менее 1 процента автомобилей будут использовать водород.
Использование композитных материалов для сосудов под давлением
Композитные сосуды высокого давления типа IV для хранения водорода изготавливаются путем намотки углеродного волокна на пластиковый вкладыш и нанесения эпоксидной смолы. К поставщикам оборудования для композитных материалов, которые проектируют и производят высокоавтоматизированные линии по производству резервуаров для хранения водорода «под ключ», относятся: Autonational Composites в Нидерландах, Engineering Technology в США, McClean Anderson в США, MIKROSAM в Македонии и Roth Composite Machinery в Германии. утверждает, что производство резервуаров для хранения водорода может быть ускорено в пять-десять раз благодаря новой технологии Rothawin. МИКРОСАМ утверждает, что его заказчик, российское ОАО «ДПО Пластик», использовал крупнейшую в мире производственную линию для производства контейнеров для СПГ и резервуаров для хранения водорода, способную наматывать 60000 контейнеров в год.
Немецкая компания Cevotec заявляет, что может сэкономить 20 процентов материала и 20 процентов времени цикла, используя свою систему размещения волоконных заплат (FPP) в области купола сосуда высокого давления. Генеральный директор Cevotec пояснил, что для хранения 1 кг водорода рабочее давление в контейнере составляет до 700 бар, а это означает, что необходимо около 10 кг углеродного волокна, что является очень высоким показателем. Система FPP способна точно наносить тщательно разработанные заплатки из углеродного волокна на участки, которые иногда создают проблемы в процессе намотки. Говорят, что одна система FPP может усиливать контейнеры из нескольких намоточных машин.
В то время как в большинстве сосудов под давлением типа IV, используемых для хранения сжатого газа, используется углеродное волокно для структурного усиления и стекловолокно для внешнего слоя для предотвращения повреждений, норвежская компания Umoe Advanced Composites (UAC) использует только стекловолокно для своих сосудов типа IV. ОАК предлагает 200-350 барных судов для рынка транспортировки природного газа, а не автомобильного рынка, и расширит свой портфель продуктов, включив в него 450-500 барных судов в 2022 году. Как заявил генеральный директор ОАК Ойвинд Хамре, стекловолоконные Суда из армированного полимера (GFRP) стоят столько же, сколько и стальные, но на 70% легче. По сравнению с контейнерами из углепластика, несмотря на то, что контейнеры из стеклопластика тяжелее, они снижают стоимость на 50 процентов.
картина
Сосуды типа IV, изготовленные из композитов, армированных стекловолокном, дешевле, чем композиты из углеродного волокна, и легче, чем стальные сосуды (изображение предоставлено Umoe Advanced Composites).
Резервуары для хранения водорода на многих рынках
Для Hexagon Purus в Норвегии и NPROXX в Нидерландах (совместное предприятие Cummins и Cimmaron Composites с долей 50:50 в США, оно было приобретено Hanwha в Южной Корее. В 2021 году компания объявила, что инвестирует 130 миллионов долларов США. в Алабе, США. Дистрибьюция также является важным рынком для строительства нового завода в Опелике, Массачусетс.
Применение резервуаров для хранения водорода набирает обороты не только на рынке дистрибуции, но и в области легковых, грузовых, железнодорожных и морских перевозок. «Некоторые фургоны, построенные в Европе, будут работать на водороде», — сказал Майкл Химмен, управляющий директор и руководитель отдела продаж компании NPROXX, производителя резервуаров для хранения водорода. Согласно европейским нормам, к 2030 году OEM-производители грузовиков должны обеспечить снижение выбросов CO2 своих грузовиков в среднем на 30 процентов по сравнению с уровнями 2019 года. Согласно предложению Химмена, 5 процентов европейских грузовиков могут использовать водородную энергию, а это означает, что ежегодно потребуется от 15{6}} до 20000 грузовиков, работающих на водороде. Он уверен, что 2,000 фургонов с водородным двигателем можно будет выпускать в год, начиная с 2026-27, и с этого момента их количество будет неуклонно расти. Если каждый автомобиль будет оснащен от 5 до 7 резервуаров для хранения водорода типа IV, в течение 10 лет большегрузным автомобилям может потребоваться 100000 резервуаров для хранения водорода и 6000 тонн углеродного волокна в год.
Что касается железных дорог, то водородные поезда Alstom Coradia iLint были введены в эксплуатацию в Германии. 14 поездов в Нижнюю Саксонию начали курсировать в 2021 году, а 27 поездов в основной регион Рейна начнут курсировать в 2022 году. Кроме того, поезда iLint в настоящее время проходят испытания в Австрии и Нидерландах. В двух вагонах поезда используются 24 резервуара для хранения водорода типа IV, которые размещены в отсеках на крыше каждого вагона, которые также содержат топливные элементы. Hexagon Composites поставила резервуар для хранения водорода для прототипа поезда на основе своего сверхпрочного резервуара диаметром 416 мм и длиной 3128 мм, который может вместить 300 л или 9 кг водорода при давлении 350 бар. Теперь NPROXX поставляет резервуары для хранения водорода диаметром 500 мм, длиной 2200 мм и давлением хранения 350 бар для поездов iLint.
картина
Alstom продала 41 поезд с водородным двигателем Coradia iLint и тестирует другие (фото через Alstom)
картина
Французская железнодорожная компания SNCF заказала 12 двухрежимных региональных поездов Alstom Coradia Polyvalent на электричестве и водороде (фото через Alstom)
картина
Alstom работает с Eversholt Rail в Великобритании над преобразованием электропоездов в поезда Breeze с водородным двигателем (фото через Alstom)
Другие разработки, связанные с поездами на водороде, включают: поезд Mireo Plus H с 2 и 3 вагонами, разработанный немецкой компанией Siemens, который будет испытан в нескольких регионах Германии в течение 2023-2024. Тем временем Hexagon Purus поставляет резервуары для хранения водорода типа IV для поездов Vittal-One, испытания которых испанская компания Talgo начнет в 2023 году. Hexagon Purus также поставит резервуары для хранения водорода швейцарской Stadler Rail для ее первого поезда FLIRT, построенного и испытанного в Швейцарии. поступит на вооружение в Сан-Бернардино, Калифорния, США, в 2024 году.
картина
Siemens разрабатывает поезд Mireo Plus H для испытаний в 2023-2024 (изображение от Siemens)
Что касается доставки, в июне 2021 года Hexagon Purus объявила о создании новой дочерней компании Hexagon Purus Maritime. «Сейчас мы наблюдаем быстрый рост спроса и действий в отношении водорода на морском рынке», — объясняет Йорн Хельге Даль, директор по продажам и маркетингу Hexagon Purus. Морские хранилища представляют собой идеальное решение». Даль считает, что по мере приближения 2030 года в морскую отрасль будет инвестироваться все больше и больше проектов, что обусловлено целями, установленными Международной морской организацией (IMO, Лондон, Великобритания). Эти проекты включают : Все новые и существующие суда должны сократить выбросы CO2 на 40 процентов к 2030 году и на 70 процентов к 2050 году по сравнению с 2008 годом.
В авиации в 2020 году произошел внезапный всплеск интереса к водороду, поскольку французское правительство выручило Airbus из-за последствий пандемии COVID-19, но потребовало от него вывести на рынок коммерческие самолеты с водородным двигателем к 2035 году. Летом 2020 года Airbus запустил свой проект ZEROe с тремя моделями самолетов, задняя 1/3 из которых используется для хранения жидкого водорода и требует криогенного контроля.
Еще одним вариантом региональных турбовинтовых самолетов является двухбаковый модуль, разработанный американской компанией Universal Hydrogen, в котором используется рама из углепластика. «Мы поставляем модули по запросу, поэтому нет необходимости в хранилище водорода», — пояснил Дж. П. Кларк, технический директор Universal Hydrogen. «Эти модули можно просто загрузить в самолет, как батареи или кухонные принадлежности». Компания Объявленная в 2021 году, она подписала письма о намерениях с тремя региональными авиакомпаниями по модернизации водородных силовых установок для существующих турбовинтовых самолетов.
В апреле 2021 года американская компания ZeroAvia объявила о разработке 2-местного самолета для 50-местного регионального самолета.
МВт водородно-электрических силовых агрегатов. В 2021 году компания получила финансирование в размере 24,3 млн долларов, что поможет ей выйти на коммерциализацию в 2024 году и начать обслуживание гражданских региональных самолетов в 2026 году.
Проблемы хранения водорода
Контейнеры типа IV также сталкиваются с серьезными проблемами. В частности, стоимость углеродного волокна делает эти контейнеры очень дорогими. Еще одна ключевая проблема — плотность хранения. В то время как сжатый водород обеспечивает в три раза больше энергии на массу бензина, его энергия на единицу объема значительно ниже, поэтому требуются большие контейнеры, чтобы выдерживать высокое давление, необходимое для хранения достаточного количества топлива. Водород фактически имеет более высокую плотность в качестве криогенной жидкости при хранении при температуре -253 градусов, в то время как при хранении в резервуаре с криогенным сжатием (CCH2) при температуре -230 градусов 300 бар водород, как говорят, имеет более высокую плотность. чем при хранении при 700 бар, что на 50% выше в контейнерах типа IV. Криогенные резервуары, как правило, металлические, и еще не было продемонстрировано, что криогенные резервуары, изготовленные из большего количества композитных материалов, имеют точно такие же характеристики и усталостную долговечность, как у контейнеров со сжатым газом типа IV, данные о характеристиках которых были накоплены за 25 лет.
Другая проблема заключается в том, что производство миллионов резервуаров для хранения водорода, необходимых для удовлетворения потребностей автомобилей на топливных элементах (FCV) и инфраструктуры, может быть недоступно вовремя для больших объемов требуемого углеродного волокна. «Получение достаточного количества углеродного волокна — одна из наших главных задач». Химмен из NPROXX сказал, что производительность компании в 2020-2021 финансовом году удвоилась и продолжит удваиваться в следующем финансовом году. «Мы не одиноки, я думаю, что Hexagon растет такими же темпами. Нам нужно углеродное волокно определенного качества и производительности по определенной цене». В настоящее время в большинстве судов типа IV используется волокно Toray T700 (прочность на растяжение 4900 МПа, модуль 230 МПа) или аналогичные волокна. «Волокно недостаточно прочное, а значит, его нужно наматывать еще несколько раз, из-за чего емкость становится толще, что недопустимо. остановить производство».
Еще одной серьезной проблемой для судов типа IV является стоимость судов из углеродного волокна и углепластика. Производители новых судов и французские поставщики автомобилей уровня 1 Plastic Omnium и Faurecia поставили перед собой цели снизить стоимость резервуаров для хранения водорода типа IV на 30-75 процентов к 2030 году при одновременном повышении эффективности хранения. увеличится более чем на 7 процентов. С этой целью постоянно внедряются новые технологии, от технологии FPP, используемой Cevotec в Германии для сокращения времени и стоимости обертывания углепластика для куполов контейнеров, до технологии трехмерной намотки, запущенной Cygnet Texkimp в Великобритании для уменьшения повреждения волокна. и к технологии обнаружения контейнеров на месте, запущенной Com&Sens, специалистом по интеграции датчиков композитных материалов, Бельгия.
