Глобальна мета досягнення нульових викидів до 2050 року сприяє швидкому зростанню композитних посудин під тиском.
картина
Композитні посудини під тиском
Ємності для зберігання газу під високим тиском є одним із найбільших і швидкозростаючих ринків передових композитів, особливо композитів з вуглецевого волокна, намотаних ниткою. Хоча їх можна використовувати в автономних дихальних апаратах і для зберігання кисню та газу для аерокосмічних транспортних засобів, основним кінцевим ринком є скраплений пропан (LPG), стиснений природний газ (CNG), відновлюваний природний газ (RNG) і водень. (H2) зберігання. У той час як балони для зрідженого газу використовуються в автомобілях, попит на них зростає на ринках приготування їжі та опалення в країнах, що розвиваються.
Паливні системи, такі як стиснений природний газ (CNG), відновлюваний природний газ (RNG) і водень (H2), все частіше використовуються в автомобілях, автобусах, мікроавтобусах та інших автозаправних станціях або наливних транспортних заправках на промислових об’єктах. резервуари для зберігання палива є важливою частиною чистих силових агрегатів із нульовим рівнем викидів, які скорочують або замінюють бензин, дизельне та авіаційне паливо. Ці силові агрегати також забезпечують беззарядну опцію для транспортних засобів, що працюють від акумуляторів, вимагаючи інфраструктури заправки та часу заправки, подібного до заправки викопного палива палива.
Є 5 типів посудин під тиском:
Тип I: повністю металеві конструкції, зазвичай сталеві конструкції.
Тип II: Переважно металевий з деякими волокнами, намотаними в обручі, як правило, сталевий або алюмінієвий метал і композити зі скловолокна, металевий контейнер розділяє приблизно ті самі структурні навантаження, що й композит.
Тип III: металевий вкладиш повністю обгорнутий композитними матеріалами, зазвичай композитні матеріали з вуглецевого волокна обертаються навколо алюмінієвого вкладиша, і композитний матеріал несе структурне навантаження.
Тип IV: Повністю композитна структура, зазвичай внутрішній резервуар із поліаміду (PA) або поліетилену високої щільності (HDPE), внутрішній резервуар обмотаний вуглецевим волокном або композитним матеріалом, змішаним із вуглецевим волокном/скловолокном, і композит матеріал витримує всі конструктивні навантаження.
Тип V: повністю композитна конструкція без підкладки.
Традиційно Тип I займав понад 90 відсотків ринку, але це стало можливим завдяки збільшенню продажів посудин під тиском Типу III і Типу IV завдяки зниженню ваги завдяки використанню композитних матеріалів і покращеній ефективності зберігання стисненого газу. Почали змінюватися. Тип V все ще знаходиться в зародковому стані і в основному відповідає потребам космічного застосування. З розвитком нової космічної галузі цей вид продукції заслуговує на увагу. Наприклад, у квітні 2020 року американська компанія Infinite Composites Technologies (ICT) розробила сферичний V-подібний кріогенний резервуар, який використовується для зберігання кріогенного рідкого палива на ракетних космічних ракетах-носіях. Цей резервуар для епоксидної кріосфери з вуглецевого волокна без підкладки виготовляється за допомогою намотування нитки та процесу затвердіння в промисловій печі.
Ринкові драйвери та темпи зростання
Основною рушійною силою цього ринку є зростаюче глобальне прагнення зменшити вплив на клімат шляхом переходу з викопного палива на відновлювані види палива, які зменшують викиди, такі як CNG, RNG і H2, щоб досягти нульових викидів до 2050 року. Відповідно до нової доповіді Міжнародного енергетичного агентства «Нульові чисті викиди до 2050 року: дорожня карта для глобального енергетичного сектора»: кліматичні зобов’язання, взяті урядами досі, якщо вони повністю реалізовані, далеко не досягають цілі 2050 року щодо скорочення Натомість зведення до нуля чистих глобальних викидів CO2, пов’язаних з енергетикою, надає світові можливість обмежити підвищення глобальної температури до 1,5 градуса.
Варто зазначити, що на додаток до вищезазначених зобов’язань, штати США Коннектикут, Меріленд, Массачусетс, Нью-Джерсі, Нью-Йорк, Орегон, Род-Айленд, Вермонт і Вашингтон вже зобов’язалися не виробляти нових легкових автомобілів, що працюють на викопному паливі. , приєднайтеся до Каліфорнії, Колорадо, Гаваїв, Мен, Північної Кароліни, Орегону, Пенсільванії та округу Колумбія, щоб заборонити продаж нових транспортних засобів середньої та великої вантажопідйомності, що працюють на викопному паливі.
Іншою ознакою зростання є те, що американська компанія Cummins Inc., яка виробляє 130 мільйонів двигунів внутрішнього згоряння (ДВЗ) на рік, багато з яких використовуються в автобусах і вантажівках середньої та великої вантажопідйомності, інвестувала в розробку класу 8 фургон на паливних елементах і двигун, що працює на водневому паливі. У червні 2021 року компанія Cummins заявила, що до кінця цього століття ці продукти наблизиться до загальної вартості володіння (TCO) дизельного двигуна, і що майбутній важкий транспорт буде працювати на водні, паливних елементах або батареях, а не на дизелі.
Глобальні продажі транспортних засобів, що працюють на природному газі (NGV), у 2020 році виявилися вищими, ніж прогнозувалося раніше: було фактично продано 29,8 мільйона одиниць проти прогнозованих 24,4 мільйона, згідно з дослідженням Grandview Research Report за 2021 рік. У звіті також прогнозується, що продажі в 2021 році становитимуть приблизно 31 мільйон одиниць і зростуть до 38,9 мільйонів одиниць у 2028 році, досягнувши середньорічного темпу зростання (CAGR) у 3,3 відсотка. DataIntelo стверджує, що на ринку суден для CNG судна типу I складають приблизно 55 відсотків ринку, тоді як судна типу II, типу III і типу IV складають приблизно 25 відсотків, 15 відсотків і 5 відсотків ринку відповідно.
Тоні Робертс з AJR Consulting і Ден Піхлер з CarbConsult передбачили, що попит на вуглецеве волокно в композитних посудинах під тиском зросте з 13 100 тонн у 2021 році до 20 230 тонн у 2026 році, а загальний попит на вуглецеве волокно в 2021 році, як очікується, становитиме 106 700 тонн. Очікується, що загальний попит на вуглецеве волокно досягне 169,{10}}т у 2026 році. Робертс і Піхлер підрахували, що більша частина вуглецевого волокна, яке використовується в посудинах під тиском, піде на мобільні труби (6900 тонн у 2026 році), автобуси та фургони (6400 т у 2026 р.).
Крім того, згідно з випуском нових автомобілів на водневому паливі в усьому світі, за оцінками, кожен резервуар для зберігання водню під тиском 700 бар, що містить 60 відсотків волокна та важить 5,6 кг, використовуватиме 62-72 кг вуглецевого волокна. До 2030 року вуглецеве волокно потребуватиме лише резервуарів для зберігання водню. Обсяг досягне 166650т. Проте прогнози щодо цих транспортних засобів консервативні: очікується, що лише 1 відсоток великовантажних транспортних засобів, менше 10 відсотків автобусів і менше 1 відсотка автомобілів використовуватимуть водень.
Використання композиційних матеріалів для посудин під тиском
Композитні резервуари типу IV для зберігання водню виготовлені шляхом намотування вуглецевого волокна навколо пластикового вкладиша та нанесення епоксидної смоли. Постачальники обладнання з композитних матеріалів, які розробляють та виготовляють високоавтоматизовані виробничі лінії резервуарів для зберігання водню під ключ, включають: Autonational Composites у Нідерландах, Engineering Technology у Сполучених Штатах, McClean Anderson у Сполучених Штатах, MIKROSAM у Македонії та Roth Composite Machinery у Німеччині, останній стверджує, що завдяки новій технології Rothawin виробництво резервуарів для зберігання водню можна пришвидшити в п’ять-десять разів. МІКРОСАМ стверджує, що його замовник, російське ВАТ «ДПО Пластик», використовує найбільшу в світі виробничу лінію для виробництва ємностей для стисненого природного газу та резервуарів для зберігання водню, здатну змотувати 60000 ємностей на рік.
Німецька компанія Cevotec стверджує, що може заощадити 20 відсотків матеріалу та 20 відсотків часу циклу, використовуючи свою систему розміщення волокон (FPP) у зоні купола резервуара під тиском. Генеральний директор Cevotec пояснив, що для зберігання 1 кг водню робочий тиск у контейнері становить до 700 бар, що означає, що потрібно близько 10 кг вуглецевого волокна, що є дуже високим показником. Система FPP здатна точно наносити ретельно розроблені вуглецеві волокна на місця, які іноді викликають проблеми під час процесу намотування. Кажуть, що єдина система FPP може посилити контейнери з кількох намотувальних машин.
У той час як більшість посудин під тиском типу IV, які використовуються для зберігання стисненого газу, використовують вуглецеве волокно для структурного посилення та скловолокно для зовнішнього шару, щоб запобігти пошкодженню, норвезька компанія Umoe Advanced Composites (UAC) використовує лише скловолокно для своїх посудин типу IV. UAC пропонує 200-350 барних суден для ринку транспортування природного газу, а не автомобільного ринку, і розширить свій портфель продуктів, включивши 450-500 барних суден у 2022 році. Як заявив генеральний директор UAC Øyvind Hamre, скловолокно -посудини з армованого полімеру (GFRP) коштують так само, як і сталеві посудини, але на 70 відсотків легші. Порівняно з контейнерами з вуглепластику, хоча контейнери з вуглепластику є важчими, вони зменшують вартість на 50 відсотків.
картина
Судна типу IV, виготовлені з композитів, армованих скловолокном, дешевші, ніж композити з вуглецевого волокна, і легші, ніж сталеві посудини (зображення від Umoe Advanced Composites)
Баки для зберігання водню на багатьох ринках
Для Hexagon Purus у Норвегії та NPROXX у Нідерландах (спільне підприємство Cummins і Cimmaron Composites у Сполучених Штатах у співвідношенні 50:50 було придбано Hanwha у Південній Кореї. У 2021 році компанія оголосила, що інвестує 130 мільйонів доларів США в Алабі, США Розповсюдження також є важливим ринком для будівництва нового виробничого заводу в Опеліці, Массачусетс.
Застосування резервуарів для зберігання водню зростає не тільки на ринку дистрибуції, але й у сферах легкових і вантажних автомобілів, залізничного та морського транспорту. «Деякі фургони, виготовлені в Європі, будуть працювати на водні», — сказав Майкл Хіммен, керуючий директор і керівник відділу продажів NPROXX, виробника резервуарів для зберігання водню. Згідно з європейськими правилами, до 2030 року виробники вантажівок повинні забезпечити зниження викидів CO2 своїх вантажівок у середньому на 30 відсотків порівняно з рівнем 2019 року. Згідно з пропозицією Хіммена, 5 відсотків європейських вантажівок можуть використовувати водневі двигуни, що означає, що загалом буде потрібно від 15000 до 20000 вантажівок з водневим двигуном щороку. Він упевнений, що починаючи з 2026-27 року можна буде виготовити 2000 фургонів на водневому двигуні, і з цього моменту вони неухильно зростатимуть. Якщо кожен транспортний засіб буде обладнано від 5 до 7 резервуарів для зберігання водню типу IV, то протягом 10 років важким вантажівкам може знадобитися 100000 резервуарів для зберігання водню та 6000 тонн вуглецевого волокна на рік.
Що стосується залізниць, то в Німеччині введено в експлуатацію потяги Alstom Coradia iLint, які працюють на водні. 14 поїздів до Нижньої Саксонії почали курсувати у 2021 році, а 27 поїздів до головного регіону Рейну почнуть курсувати у 2022 році. Крім того, поїзди iLint зараз проходять випробування в Австрії та Нідерландах. У двох вагонах поїзда використовуються 24 резервуари для зберігання водню типу IV, які розміщені у відсіках на даху у верхній частині кожного вагона, які також містять паливні елементи. Компанія Hexagon Composites поставила резервуар для зберігання водню для прототипу поїзда на основі свого потужного резервуара діаметром 416 мм і довжиною 3128 мм, який може вмістити 300 л або 9 кг водню під тиском 350 бар. Тепер NPROXX пропонує резервуари для зберігання водню діаметром 500 мм, довжиною 2200 мм і тиском зберігання 350 бар для поїздів iLint.
картина
Alstom продала 41 потяг Coradia iLint на водневому двигуні та тестує інші (фото через Alstom)
картина
Французька залізнична компанія SNCF замовила Alstom 12 дворежимних регіональних поїздів Coradia Polyvalent, що працюють на водневій енергії (фото через Alstom)
картина
Alstom співпрацює з Eversholt Rail у Великій Британії, щоб перетворити електропоїзди на водневі поїзди Breeze (фото через Alstom)
Інші розробки, пов’язані з водневими поїздами, включають: поїзд Mireo Plus H із 2 і 3 вагонами, розроблений німецькою компанією Siemens, який буде випробувано в кількох регіонах Німеччини протягом 2023-2024. Тим часом Hexagon Purus постачає резервуари для зберігання водню типу IV для поїздів Vittal-One, які іспанська компанія Talgo почне тестувати у 2023 році. Hexagon Purus також постачатиме резервуари для зберігання водню швейцарській компанії Stadler Rail для її першого поїзда FLIRT, побудованого та випробуваного у Швейцарії, який надійде на озброєння в Сан-Бернардіно, Каліфорнія, США в 2024 році.
картина
Siemens розробляє поїзд Mireo Plus H для тестування в 2023-2024 (фото від Siemens)
Що стосується доставки, Hexagon Purus оголосив у червні 2021 року про створення нової дочірньої компанії Hexagon Purus Maritime. «Зараз ми спостерігаємо швидке зростання попиту та дій щодо водню на морському ринку», — пояснює Йорн Хельге Даль, директор з продажу та маркетингу Hexagon Purus. Застосування для морських сховищ є ідеальним рішенням». Даль вважає, що з наближенням 2030 року в морську галузь інвестуватиметься все більше і більше проектів, керуючись цілями, встановленими Міжнародною морською організацією (IMO, Лондон, Великобританія). Ці проекти включають : Усі нові та існуючі судна повинні скоротити викиди CO2 на 40 відсотків до 2030 року та на 70 відсотків до 2050 року порівняно з 2008 роком.
У 2020 році в авіації стався раптовий сплеск інтересу до водню, оскільки уряд Франції виручив Airbus через наслідки пандемії COVID{1}}, водночас вимагаючи від неї вивести на ринок комерційні літаки з водневими двигунами до 2035 року. Влітку 2020 року Airbus запустив свій проект ZEROe з трьома моделями літаків, задня 1/3 яких використовується для зберігання рідкого водню та вимагає кріогенного контролю.
Іншим варіантом для регіональних турбогвинтів є двобаковий модуль, розроблений американською компанією Universal Hydrogen, який використовує раму з вуглепластику. «Ми надаємо модулі на вимогу, тому немає потреби в сховищі водню», — пояснив Дж. П. Кларк, технічний директор Universal Hydrogen. «Ці модулі можна завантажити в літак простим способом, як батареї або кухонне приладдя». Компанія, оголошена в 2021 році, підписала листи про наміри з трьома регіональними авіакомпаніями щодо модернізації водневих силових установок для існуючих турбогвинтових літаків.
У квітні 2021 року американська компанія ZeroAvia оголосила, що розробляє 2-крісло для регіонального літака 50-seat.
МВт воднево-електричних силових агрегатів. У 2021 році компанія завершила фінансування на суму 24,3 мільйона доларів США, що допоможе їй досягти комерціалізації в 2024 році та почати обслуговувати цивільні регіональні літаки в 2026 році.
Проблеми зберігання водню
Контейнери типу IV також стикаються з серйозними проблемами. Найпомітніше, що вартість вуглецевого волокна робить ці контейнери дуже дорогими. Ще одна ключова проблема – щільність зберігання. У той час як стиснений водень забезпечує в три рази більше енергії на масу бензину, його енергія на об’єм значно нижча, тому потрібні великі контейнери, щоб витримувати високий тиск, необхідний для зберігання достатньої кількості палива. Водень фактично має вищу щільність як кріогенна рідина при зберіганні при -253 градусах, тоді як при зберіганні в резервуарі з кріогенним стисненням (CCH2) при -230 градусах, 300 бар, водень, як кажуть, має вищу щільність ніж при зберіганні при тиску 700 бар, що на 50 відсотків вище в контейнерах типу IV. Кріогенні резервуари, як правило, металеві, а кріогенні резервуари, виготовлені з більш композитних матеріалів, ще не продемонстрували, що вони мають точно такі ж характеристики та довговічність, як у контейнерах зі стисненим газом типу IV, дані про продуктивність яких накопичувалися протягом 25 років.
Інша проблема полягає в тому, що виробництво мільйонів резервуарів для зберігання водню, необхідних для задоволення цілей попиту на паливні елементи (FCV) та інфраструктуру, може бути недоступним вчасно для великої кількості необхідного вуглецевого волокна. «Отримання достатньої кількості вуглецевого волокна є однією з наших головних проблем». Гіммен із NPROXX сказав, що результати діяльності компанії за 2020-2021 фінансовий рік подвоїлися та продовжуватимуть подвоюватися в наступному фінансовому році. «Ми не самотні, я вважаю, що Hexagon розвивається такими ж темпами. Нам потрібне вуглецеве волокно певної якості та продуктивності за певною ціною». В даний час більшість суден типу IV використовують волокно T700 Toray (міцність на розрив 4900 МПа, модуль 230 МПа) або аналогічні волокна. «Волокно недостатньо міцне, а це означає, що його потрібно намотувати ще кілька разів, що робить контейнер товщі, що є неприпустимим. Якщо ви зараз не знаєте, звідки ваше волокно прийде в наступному році, можливо, ви дійсно маєте зупинити виробництво».
Ще однією великою проблемою для суден типу IV є вартість посудин із вуглецевого волокна та вуглепластику. Нові виробники суден і французькі постачальники автомобілів Tier 1 Plastic Omnium і Faurecia поставили перед собою завдання знизити вартість резервуарів для зберігання водню типу IV на 30-75 відсотків до 2030 року, одночасно підвищуючи ефективність зберігання. збільшиться більш ніж на 7 відсотків. З цією метою постійно впроваджуються нові технології, від технології FPP, яку використовує Cevotec у Німеччині, щоб скоротити час і вартість обгортання куполів контейнерів CFRP, до технології 3D намотування, запущеної Cygnet Texkimp у Великобританії для зменшення пошкодження волокна, і до технології виявлення контейнерів на місці, запущеної бельгійською компанією Com&Sens, фахівцем з інтеграції датчиків композитних матеріалів.
