Globálnym cieľom dosiahnuť nulové emisie do roku 2050 je rýchly rast kompozitných tlakových nádob.
obrázok
Kompozitné tlakové nádoby
Vysokotlakové nádoby na skladovanie plynu sú jedným z najväčších a najrýchlejšie rastúcich trhov pre pokročilé kompozity, najmä kompozity z uhlíkových vlákien s navinutými vláknami. Hoci ich možno použiť v autonómnych dýchacích prístrojoch a na zabezpečenie skladovania kyslíka a plynu pre letecké dopravné prostriedky, hlavným koncovým trhom je skvapalnený propán (LPG), stlačený zemný plyn (CNG), obnoviteľný zemný plyn (RNG) a vodík. (H2) skladovanie. Zatiaľ čo fľaše na LPG sa používajú v automobiloch, na trhoch varenia a vykurovania v rozvojových krajinách po nich rastie dopyt.
Palivové systémy ako stlačený zemný plyn (CNG), obnoviteľný zemný plyn (RNG) a vodík (H2) sa čoraz častejšie používajú v autách, autobusoch, dodávkach a iných „Perpaciach čerpacích staníc alebo hromadnej preprave v priemyselných areáloch. palivové nádrže sú dôležitou súčasťou čistých pohonných jednotiek s nulovými emisiami, ktoré znižujú alebo nahrádzajú benzín, naftu a prúdové palivo. Tieto pohonné jednotky tiež poskytujú bezplatnú možnosť pre vozidlá poháňané batériami, ktoré vyžadujú infraštruktúru na tankovanie a časy tankovania podobné tankovaniu fosílnych palív. palivá.
Existuje 5 typov tlakových nádob:
Typ I: Celokovová konštrukcia, zvyčajne oceľová konštrukcia.
Typ II: Prevažne kov s niektorými navinutými vláknami, zvyčajne oceľové alebo hliníkové kovové a sklolaminátové kompozity, kovový kontajner zdieľa približne rovnaké konštrukčné zaťaženie ako kompozit.
Typ III: Kovová vložka je úplne obalená kompozitnými materiálmi, zvyčajne sú okolo hliníkovej vložky obalené kompozitné materiály z uhlíkových vlákien a kompozitný materiál nesie konštrukčné zaťaženie.
Typ IV: Celokompozitová konštrukcia, zvyčajne vnútorná nádrž vyrobená z polyamidu (PA) alebo polyetylénu s vysokou hustotou (HDPE), vnútorná nádrž je navinutá uhlíkovými vláknami alebo kompozitným materiálom zmiešaným s uhlíkovými vláknami/sklenenými vláknami a kompozit materiál znáša všetky konštrukčné zaťaženia.
Typ V: Bezvložková, celokompozitová konštrukcia.
Typ I tradične držal viac ako 90 percent trhu, ale to bolo umožnené zvýšeným predajom tlakových nádob typu III a typu IV vďaka úspore hmotnosti z kompozitných materiálov a zlepšenej účinnosti skladovania stlačeného plynu Začalo sa meniť. Typ V je ešte len v plienkach a vyhovuje hlavne potrebám vesmírnych aplikácií. S rozvojom nového vesmírneho priemyslu je to typ produktu hodný pozornosti. Napríklad v apríli 2020 americká spoločnosť Infinite Composites Technologies (ICT) vyvinula sférickú kryogénnu nádrž v tvare písmena V, ktorá sa používa na skladovanie kryogénnych kvapalných pohonných látok na raketách poháňaných kozmických nosných raketách. Táto kryosférická epoxidová nádrž z uhlíkových vlákien bez vložky sa vyrába navíjaním vlákna a procesom vytvrdzovania v priemyselnej peci.
Trhové hnacie sily a miery rastu
Hlavnou hybnou silou tohto trhu je rastúci globálny záväzok znižovať vplyv na klímu prechodom z fosílnych palív na obnoviteľné palivá znižujúce emisie, ako sú CNG, RNG a H2, aby sa do roku 2050 dosiahli nulové emisie. Podľa novej správy Medzinárodnej energetickej agentúry „Čisté nulové emisie do roku 2050: Plán pre globálny energetický sektor“: Záväzky vlád v oblasti klímy, ktoré doteraz prijali, ak sa úplne splnia, zďaleka nedosahujú cieľ do roku 2050. čisté globálne emisie CO2 súvisiace s energiou na nulu namiesto toho poskytujú svetu príležitosť obmedziť nárast globálnej teploty na 1,5 stupňa.
Stojí za zmienku, že okrem vyššie uvedených záväzkov sa štáty USA Connecticut, Maryland, Massachusetts, New Jersey, New York, Oregon, Rhode Island, Vermont a Washington už zaviazali, že nebudú vyrábať nové osobné autá na fosílne palivá. , pridajte sa ku Kalifornii, Coloradu, Havaji, Maine, Severnej Karolíne, Oregonu, Pensylvánii a District of Columbia, aby zakázali predaj nových stredne ťažkých a ťažkých vozidiel na fosílne palivá.
Ďalším znakom rastu je, že americká spoločnosť Cummins Inc., ktorá vyrába 130 miliónov spaľovacích motorov (ICE) ročne, z ktorých mnohé sa používajú v autobusoch a stredne ťažkých a ťažkých nákladných vozidlách, investovala do vývoja triedy Dodávka s 8 palivovými článkami a motor poháňaný vodíkom. V júni 2021 Cummins uviedol, že do konca tohto storočia sa tieto produkty priblížia k celkovým nákladom na vlastníctvo (TCO) dieselového motora a že budúca ťažká doprava bude poháňaná vodíkom, palivovými článkami alebo batériami a nie naftou.
Globálny predaj vozidiel na zemný plyn (NGV) v roku 2020 bol vyšší, ako sa pôvodne predpokladalo: podľa Grandview Research Report z roku 2021 sa skutočne predalo 29,8 milióna kusov oproti predpokladaným 24,4 miliónom. Správa tiež predpovedá, že predaj v roku 2021 bude približne 31 miliónov kusov a v roku 2028 sa zvýši na 38,9 milióna kusov, čím sa dosiahne zložená ročná miera rastu (CAGR) 3,3 percenta. DataIntelo tvrdí, že na trhu s plavidlami CNG predstavujú plavidlá typu I približne 55 percent trhu, zatiaľ čo plavidlá typu II, typu III a typu IV predstavujú približne 25 percent, 15 percent a 5 percent trhu.
Tony Roberts z AJR Consulting a Dan Pichler z CarbConsult predpovedali, že dopyt po uhlíkových vláknach v kompozitných tlakových nádobách sa zvýši z 13 100 t v roku 2021 na 20 230 t v roku 2026 a celkový dopyt po uhlíkových vláknach v roku 2021 sa očakáva na úrovni 106 700 t. Očakáva sa, že celkový dopyt po uhlíkových vláknach v roku 2026 dosiahne 169,{10}}t. Roberts a Pichler odhadujú, že väčšina uhlíkových vlákien používaných v tlakových nádobách pôjde do mobilných potrubí (6 900 t v roku 2026) a autobusov a autobusov. dodávky (6 400 t v roku 2026).
Okrem toho, podľa uvádzania nových vozidiel na vodíkové palivo na celom svete sa odhaduje, že každá 700barová vodíková nádrž obsahujúca 60 percent vlákien a vážiaca 5,6 kg použije 62-72 kg uhlíkových vlákien. Do roku 2030 budú uhlíkové vlákna potrebovať iba nádrže na skladovanie vodíka. Objem dosiahne 166650t. Prognózy pre tieto vozidlá sú však konzervatívne, pričom len 1 percento ťažkých nákladných vozidiel, menej ako 10 percent autobusov a menej ako 1 percento áut by malo využívať vodík.
Použitie kompozitných materiálov pre tlakové nádoby
Kompozitné tlakové nádoby typu IV na skladovanie vodíka sa vyrábajú navinutím uhlíkových vlákien okolo plastovej vložky a nanesením epoxidovej živice. Dodávatelia zariadení z kompozitných materiálov, ktorí navrhujú a vyrábajú vysoko automatizované výrobné linky na skladovanie vodíkových nádrží na kľúč, zahŕňajú: Autonational Composites v Holandsku, Engineering Technology v Spojených štátoch, McClean Anderson v Spojených štátoch, MIKROSAM v Macedónsku a Roth Composite Machinery v Nemecku. tvrdí, že výroba zásobníkov vodíka môže byť päť až desaťkrát rýchlejšia vďaka svojej novej technológii Rothawin. MIKROSAM tvrdí, že jeho zákazník, ruská spoločnosť JSC DPO Plastik, použila najväčšiu výrobnú linku na svete na výrobu kontajnerov CNG a zásobníkov vodíka, ktoré dokážu navinúť 60,{1}} kontajnerov ročne.
Nemecká spoločnosť Cevotec tvrdí, že môže ušetriť 20 percent materiálu a 20 percent času cyklu pomocou systému FPP Patch Placement (FPP) v oblasti kupoly tlakovej nádoby. Generálny riaditeľ spoločnosti Cevotec vysvetlil, že na uskladnenie 1 kg vodíka je pracovný tlak v nádobe až 700 barov, čo znamená, že je potrebných asi 10 kg uhlíkových vlákien, čo je veľmi vysoký pomer. Systém FPP je schopný presne aplikovať starostlivo navrhnuté záplaty z uhlíkových vlákien na oblasti, ktoré niekedy predstavujú problémy počas procesu navíjania. Hovorí sa, že jeden FPP systém môže vystužiť kontajnery z viacerých navíjacích strojov.
Zatiaľ čo väčšina tlakových nádob typu IV používaných na skladovanie stlačeného plynu používa uhlíkové vlákna na vystuženie konštrukcie a sklenené vlákna na vonkajšiu vrstvu, aby sa zabránilo poškodeniu, nórska spoločnosť Umoe Advanced Composites (UAC) používa na svoje nádoby typu IV iba sklenené vlákna. UAC ponúka 200-350 barové plavidlá pre trh prepravy zemného plynu a nie pre automobilový trh a v roku 2022 rozšíri svoje produktové portfólio o 450-500 barové plavidlá. Ako uviedol generálny riaditeľ UAC Øyvind Hamre, sklené vlákna -Nádoby z vystuženého polyméru (GFRP) stoja rovnako ako oceľové nádoby, sú však o 70 percent ľahšie. V porovnaní s CFRP kontajnermi, hoci GFRP kontajnery sú ťažšie, znižujú náklady o 50 percent.
obrázok
Nádoby typu IV vyrobené z kompozitov vystužených sklenenými vláknami sú lacnejšie ako kompozity z uhlíkových vlákien a ľahšie ako oceľové nádoby (obrázok cez Umoe Advanced Composites)
Zásobníky vodíka na mnohých trhoch
Pre Hexagon Purus v Nórsku a NPROXX v Holandsku (spoločný podnik Cummins a Cimmaron Composites v USA v pomere 50:50 ho získala spoločnosť Hanwha v Južnej Kórei. Spoločnosť v roku 2021 oznámila, že investuje 130 miliónov amerických dolárov v Alabe, USA Distribúcia je tiež dôležitým trhom pre výstavbu nového výrobného závodu v Opelike, MA.
Aplikácia zásobníkov vodíka zaznamenala rast nielen na distribučnom trhu, ale aj v oblasti automobilov, nákladných automobilov, železničnej a námornej dopravy. „Niektoré dodávky vyrobené v Európe budú poháňané vodíkom,“ povedal Michael Himmen, výkonný riaditeľ a vedúci predaja spoločnosti NPROXX, ktorá je výrobcom nádrží na skladovanie vodíka. Podľa európskych predpisov musia výrobcovia OEM nákladných vozidiel do roku 2030 zabezpečiť zníženie emisií CO2 ich nákladných vozidiel v priemere o 30 percent v porovnaní s úrovňami v roku 2019. Podľa Himmenovho návrhu môže 5 percent európskych nákladných vozidiel využívať vodíkový pohon, čo znamená, že každý rok bude potrebných celkovo 15000 až 20000 nákladných vozidiel na vodíkový pohon. Je si istý, že 2000 dodávky poháňané vodíkom by sa dali vyrobiť za rok, počnúc 2026-27 a odtiaľ budú neustále rásť. Ak je každé vozidlo vybavené 5 až 7 zásobníkmi vodíka typu IV, do 10 rokov môžu ťažké nákladné vozidlá potrebovať 100000 zásobníkov vodíka a 6000 ton uhlíkových vlákien ročne.
Pokiaľ ide o železnice, v Nemecku boli uvedené do prevádzky vlaky Alstom na vodíkový pohon Coradia iLint. 14 vlakov do Dolného Saska začalo premávať v roku 2021 a 27 vlakov do hlavného regiónu Rýn začne v roku 2022. rokov do prevádzky. Okrem toho sa vlaky iLint v súčasnosti testujú v Rakúsku a Holandsku. Dva vozne vlaku používajú 24 nádrží na vodík typu IV, ktoré sú umiestnené v strešných oddeleniach na vrchu každého vozňa, ktoré obsahujú aj palivové články. Spoločnosť Hexagon Composites dodala nádrž na vodík pre prototyp vlaku na základe svojej ťažkej nádrže s priemerom 416 mm a dĺžkou 3128 mm, ktorá pojme 300 l alebo 9 kg vodíka pri tlaku 350 barov. Teraz NPROXX poskytuje vodíkové zásobníky s priemerom 500 mm, dĺžkou 2200 mm a skladovacím tlakom 350 barov pre vlaky iLint.
obrázok
Alstom predal 41 vlakov Coradia iLint na vodíkový pohon a testuje ďalšie (obrázok cez Alstom)
obrázok
Francúzska železničná spoločnosť SNCF objednala 12 regionálnych dvojrežimových elektrických a vodíkových vlakov Coradia Polyvalent od Alstomu (obrázok cez Alstom)
obrázok
Alstom spolupracuje s Eversholt Rail vo Veľkej Británii na premene elektrických vlakov na vlaky Breeze poháňané vodíkom (obrázok cez Alstom)
Medzi ďalšie novinky súvisiace s vlakmi na vodíkový pohon patrí: vlak Mireo Plus H s 2 a 3 vozňami vyvinutý nemeckým Siemensom, ktorý bude testovaný v niekoľkých regiónoch Nemecka počas 2023-2024. Medzitým Hexagon Purus dodáva zásobníky vodíka typu IV pre vlaky Vittal-One, ktoré španielske Talgo začne testovať v roku 2023. Hexagon Purus tiež dodá zásobníky vodíka spoločnosti Swiss Stadler Rail pre svoj prvý vlak FLIRT vyrobený a testovaný vo Švajčiarsku, ktorý vstúpi do služby v San Bernardino, Kalifornia, USA v roku 2024.
obrázok
Siemens vyvíja vlak Mireo Plus H na testovanie v 2023-2024 (obrázok od Siemensu)
Pokiaľ ide o prepravu, Hexagon Purus v júni 2021 oznámil, že založí novú dcérsku spoločnosť Hexagon Purus Maritime. „Teraz vidíme na námornom trhu rýchly nárast dopytu po vodíku a jeho aktivít,“ vysvetľuje Jørn Helge Dahl, riaditeľ predaja a marketingu spoločnosti Hexagon Purus. Aplikácie na ukladanie na mori poskytujú ideálne riešenie." Dahl verí, že s blížiacim sa rokom 2030 sa do námorného priemyslu bude investovať stále viac projektov, ktoré budú poháňané cieľmi stanovenými Medzinárodnou námornou organizáciou (IMO, Londýn, Spojené kráľovstvo). : Všetky nové a existujúce lode musia znížiť emisie CO2 o 40 percent do roku 2030 a o 70 percent do roku 2050 v porovnaní s rokom 2008.
V letectve došlo v roku 2020 k náhlemu nárastu záujmu o vodík, keď francúzska vláda zachránila Airbus kvôli následkom pandémie COVID-19 a zároveň požadovala, aby do roku 2035 uviedol na trh komerčné lietadlá na vodíkový pohon. V lete 2020 Airbus spustil svoj projekt ZEROe s tromi modelmi lietadiel, z ktorých zadná 1/3 sa používa na skladovanie kvapalného vodíka a vyžadujú si kryogénnu kontrolu.
Ďalšou možnosťou pre regionálne turbovrtuľové motory je dvojnádržový modul vyvinutý americkou spoločnosťou Universal Hydrogen, ktorý využíva rám z CFRP. „Moduly poskytujeme na požiadanie, takže nie je potrebné skladovať vodík,“ vysvetlil JP Clarke, CTO Universal Hydrogen. "Tieto moduly je možné naložiť do lietadla jednoduchým spôsobom, rovnako ako batérie alebo kuchynské potreby." Spoločnosť, ktorá bola ohlásená v roku 2021, podpísala zmluvy o zámere s tromi regionálnymi leteckými spoločnosťami na modernizáciu pohonných systémov na vodíkový pohon pre existujúce turbovrtuľové lietadlá.
Americká spoločnosť ZeroAvia v apríli 2021 oznámila, že vyvíja 2-sedačku pre 50-miestne regionálne prúdové lietadlo.
MW vodíkovo-elektrických pohonných jednotiek. Spoločnosť v roku 2021 dokončila financovanie vo výške 24,3 milióna dolárov, čo jej pomôže dosiahnuť komercializáciu v roku 2024 a začať slúžiť civilným regionálnym lietadlám v roku 2026.
Výzvy skladovania vodíka
Závažné problémy čelia aj kontajnery typu IV. Predovšetkým cena uhlíkových vlákien robí tieto kontajnery veľmi drahými. Ďalšou kľúčovou otázkou je hustota skladovania. Zatiaľ čo stlačený vodík poskytuje trojnásobok energie na hmotnosť benzínu, jeho energia na objem je podstatne nižšia, čo si vyžaduje veľké nádoby, aby vydržali vysoký tlak potrebný na uskladnenie dostatočného množstva paliva. Vodík v skutočnosti ponúka vyššiu hustotu ako kryogénna kvapalina, keď sa skladuje pri -253 stupňoch , zatiaľ čo pri skladovaní v kryogénnej kompresnej (CCH2) nádrži pri -230 stupňoch, 300 baroch, má vodík vyššiu hustotu ako pri skladovaní pri 700 baroch o 50 percent vyšších v nádobách typu IV. Kryogénne nádrže sú vo všeobecnosti kovové a u kryogénnych nádrží vyrobených z viac kompozitných materiálov sa ešte nepreukázalo, že majú presne rovnaký výkon a únavovú životnosť, akú preukázali nádoby na stlačený plyn typu IV, čo boli údaje o výkonnosti zhromaždené za 25 rokov.
Ďalším problémom je, že výroba miliónov nádrží na skladovanie vodíka, ktoré sú potrebné na splnenie cieľov dopytu po vozidlách s palivovými článkami (FCV) a infraštruktúre, nemusí byť k dispozícii včas pre veľké množstvo požadovaných uhlíkových vlákien. "Dostatok uhlíkových vlákien je jedným z našich hlavných problémov." Himmen z NPROXX uviedol, že výkonnosť spoločnosti sa vo fiškálnom roku 2020-2021 zdvojnásobila a bude sa zdvojnásobovať aj v nasledujúcom fiškálnom roku. "Nie sme sami, myslím si, že Hexagon rastie rovnakým tempom. Potrebujeme uhlíkové vlákna s určitou kvalitou a výkonom v určitej cenovej hladine." V súčasnosti väčšina nádob typu IV používa vlákno Toray T700 (pevnosť v ťahu 4900 MPa, modul 230 MPa) alebo podobné vlákna. "Vlákno nie je dostatočne pevné, čo znamená, že je potrebné ho ešte niekoľkokrát navinúť, čím sa nádoba stáva hrubšou, čo je neprijateľné. Ak teraz neviete, odkiaľ sa vláknina na budúci rok vezme, možno budete mať zastaviť výrobu."
Ďalšou veľkou výzvou pre plavidlá typu IV sú náklady na plavidlá z uhlíkových vlákien a CFRP. Noví výrobcovia plavidiel a francúzski dodávatelia automobilového priemyslu Tier 1 Plastic Omnium a Faurecia si stanovili ciele znížiť náklady na skladovacie nádrže na vodík typu IV do roku 2030 o 30 percent až 75 percent a zároveň zvýšiť efektivitu skladovania. zvýšenie o viac ako 7 percent . Na tento účel sa neustále zavádzajú nové technológie, od technológie FPP, ktorú používa Cevotec v Nemecku na skrátenie času a nákladov na balenie kupoly kontajnerov z CFRP, až po technológiu 3D navíjania, ktorú uviedla spoločnosť Cygnet Texkimp vo Veľkej Británii na zníženie poškodenia vlákien, a na technológiu detekcie kontajnerov in-situ, ktorú spustila spoločnosť Com&Sens, špecialista na integráciu senzorov kompozitných materiálov, Belgicko.
