Глобалната цел за постигане на нулеви емисии до 2050 г. води до бърз растеж на композитните съдове под налягане.
снимка
Композитни съдове под налягане
Съдовете за съхранение на газ под високо налягане са един от най-големите и най-бързо развиващите се пазари за усъвършенствани композити, особено композити от въглеродни влакна, навити с нишка. Въпреки че могат да се използват в самостоятелни дихателни апарати и за осигуряване на кислород и съхранение на газ за аерокосмически превозни средства, основният краен пазар е за втечнен газ пропан (LPG), компресиран природен газ (CNG), възобновяем природен газ (RNG) и водород (H2) съхранение. Докато LPG бутилките се използват в автомобили, има нарастващо търсене за тях на пазарите за готвене и отопление в развиващите се страни.
Горивни системи като сгъстен природен газ (CNG), възобновяем природен газ (RNG) и водород (H2) все повече се използват в автомобили, автобуси, микробуси и други бензиностанции за снабдяване или транспорт на насипни товари в индустриални обекти. резервоарите за съхранение на гориво са важна част от чисти задвижващи системи с нулеви емисии, които намаляват или заменят бензина, дизеловото гориво и реактивното гориво. Тези задвижващи устройства също така предоставят опция без зареждане за превозни средства, захранвани с батерии, изискващи инфраструктура за зареждане с гориво и времена за зареждане, подобни на зареждането с изкопаеми горива горива.
Има 5 вида съдове под налягане:
Тип I: Изцяло метална конструкция, обикновено стоманена конструкция.
Тип II: Предимно метал с някои обръчовидни влакна, обикновено стоманени или алуминиеви композитни материали от метал и фибростъкло, металният контейнер споделя приблизително същите структурни натоварвания като композита.
Тип III: Металната обвивка е изцяло обвита с композитни материали, обикновено композитните материали от въглеродни влакна са обвити около алуминиевата обвивка и композитният материал поема структурното натоварване.
Тип IV: Изцяло композитна структура, обикновено вътрешен резервоар, изработен от полиамид (PA) или полиетилен с висока плътност (HDPE), вътрешният резервоар е навит с въглеродни влакна или композитен материал, смесен с въглеродни влакна/стъклени влакна, и композитът материалът понася всички структурни натоварвания.
Тип V: Без подложка, изцяло композитна конструкция.
Традиционно, тип I държеше повече от 90 процента от пазара, но това стана възможно благодарение на увеличените продажби на съдове под налягане от тип III и тип IV поради намаляване на теглото от композитни материали и подобрена ефективност на съхранение на сгъстен газ Започна да се променя. Тип V все още е в начален стадий и отговаря главно на нуждите на космическите приложения. С развитието на новата космическа индустрия това е продукт, който заслужава внимание. Например, през април 2020 г. американската компания Infinite Composites Technologies (ICT) разработи сферичен V-образен криогенен резервоар, използван за съхранение на криогенни течни горива на ракетни космически ракети-носители. Този епоксиден криосферен резервоар от въглеродни влакна без облицовка е произведен чрез навиване на нишки и процес на втвърдяване в промишлена пещ.
Пазарни двигатели и темпове на растеж
Основният двигател на този пазар е нарастващият глобален ангажимент за намаляване на въздействието върху климата чрез преминаване от изкопаеми горива към възобновяеми, намаляващи емисиите горива като CNG, RNG и H2, за да се постигнат нулеви емисии до 2050 г. Според нов доклад на Международната агенция по енергетика „Нулеви нетни емисии до 2050 г.: Пътна карта за глобалния енергиен сектор“: Ангажиментите за климата, които правителствата са поели досега, ако бъдат напълно реализирани, далеч не отговарят на целта за 2050 г. за намаляване на нетните свързани с енергията глобални емисии на CO2 до нула вместо това предоставя на света възможност да ограничи покачването на глобалните температури до 1,5 градуса.
Струва си да се спомене, че в допълнение към горните ангажименти американските щати Кънектикът, Мериленд, Масачузетс, Ню Джърси, Ню Йорк, Орегон, Роуд Айлънд, Върмонт и Вашингтон вече са се ангажирали да не произвеждат нови пътнически автомобили с изкопаеми горива, междувременно , се присъединяват към Калифорния, Колорадо, Хавай, Мейн, Северна Каролина, Орегон, Пенсилвания и окръг Колумбия, за да забранят продажбата на нови превозни средства, работещи с изкопаеми горива, средни и тежки.
В друг признак на растеж, базираната в САЩ Cummins Inc., която произвежда 130 милиона двигатели с вътрешно горене (ICE) годишно, много от които се използват в автобуси и средно- и тежкотоварни камиони, инвестира в разработването на клас 8 ван с горивни клетки и двигател, работещ с водород. През юни 2021 г. Cummins каза, че до края на този век тези продукти ще се доближат до общата цена на притежание (TCO) на дизелов двигател и че бъдещият тежък транспорт ще се захранва с водород, горивни клетки или батерии, а не с дизел.
Глобалните продажби на превозни средства на природен газ (NGV) през 2020 г. са по-високи от прогнозираните по-рано: 29,8 милиона единици са действително продадени спрямо прогнозираните 24,4 милиона, според доклада за изследване на Grandview за 2021 г. Докладът също така прогнозира, че продажбите през 2021 г. ще бъдат приблизително 31 милиона единици и ще се увеличат до 38,9 милиона единици през 2028 г., постигайки общ годишен темп на растеж (CAGR) от 3,3 процента. DataIntelo твърди, че на пазара на съдове за СПГ съдовете от тип I представляват приблизително 55 процента от пазара, докато съдовете от тип II, тип III и тип IV представляват съответно приблизително 25 процента, 15 процента и 5 процента от пазара.
Тони Робъртс от AJR Consulting и Дан Пихлер от CarbConsult прогнозират, че търсенето на въглеродни влакна в композитни съдове под налягане ще се увеличи от 13 100 t през 2021 г. на 20 230 t през 2026 г., а общото търсене на въглеродни влакна през 2021 г. се очаква да бъде 106 700 t. По-долу общото търсене на въглеродни влакна се очаква да достигне 169,000t през 2026 г. Робъртс и Pichler изчисляват, че повечето от въглеродните влакна, използвани в съдове под налягане, ще отидат в мобилни тръби (6900 t през 2026 г.) и автобуси и ванове (6400t през 2026 г.).
В допълнение, според пускането на нови превозни средства с водородно гориво по света, се изчислява, че всеки резервоар за съхранение на водород от 700 бара, съдържащ 60 процента влакна и тежащ 5,6 kg, ще използва 62-72 kg въглеродни влакна. До 2030 г. само резервоарите за съхранение на водород ще се нуждаят от въглеродни влакна. Обемът ще достигне 166650t. Прогнозите за тези превозни средства обаче са консервативни, като само 1% от тежкотоварните автомобили, по-малко от 10% от автобусите и по-малко от 1% от автомобилите се очаква да използват водород.
Използване на композитни материали за съдове под налягане
Композитни съдове под налягане тип IV за съхранение на водород се правят чрез навиване на въглеродни влакна около пластмасова облицовка и нанасяне на епоксидна смола. Доставчиците на оборудване за композитни материали, които проектират и произвеждат високо автоматизирани производствени линии за резервоари за съхранение на водород, включват: Autonational Composites в Холандия, Engineering Technology в Съединените щати, McClean Anderson в Съединените щати, MIKROSAM в Македония и Roth Composite Machinery в Германия, Последният твърди, че производството на резервоари за съхранение на водород може да бъде направено пет до десет пъти по-бързо с новата технология Rothawin. MIKROSAM твърди, че неговият клиент, руският JSC DPO Plastik, е използвал най-голямата производствена линия в света за производство на контейнери за CNG и резервоари за съхранение на водород, способни да навиват 60000 контейнера годишно.
Германската Cevotec казва, че може да спести 20 процента от материал и 20 процента от времето на цикъла, като използва своята система за поставяне на влакна (FPP) в областта на купола на съд под налягане. Изпълнителният директор на Cevotec обясни, че за съхраняване на 1 кг водород, работното налягане в контейнера е до 700 бара, което означава, че са необходими около 10 кг въглеродни влакна, което е много високо съотношение. FPP системата е в състояние да приложи прецизно внимателно проектирани петна от въглеродни влакна върху области, които понякога създават проблеми по време на процеса на навиване. Твърди се, че една FPP система може да подсили контейнери от множество машини за навиване.
Докато повечето съдове под налягане тип IV, използвани за съхранение на сгъстен газ, използват въглеродни влакна за структурна армировка и стъклени влакна за външния слой, за да предотвратят повреда, норвежкият Umoe Advanced Composites (UAC) използва само стъклени влакна за своите съдове от тип IV. UAC предлага 200-350 барови съдове за пазара за транспортиране на природен газ, а не за автомобилния пазар, и ще разшири продуктовото си портфолио, за да включи 450-500 барови съдове през 2022 г. Както заяви изпълнителният директор на UAC Øyvind Hamre, стъклени влакна -съдовете от подсилен полимер (GFRP) струват същите като стоманените съдове, но са 70 процента по-леки. В сравнение с контейнерите от CFRP, въпреки че контейнерите от GFRP са по-тежки, те намаляват разходите с 50 процента.
снимка
Съдовете от тип IV, изработени от композити, подсилени със стъклени влакна, са по-евтини от композитите от въглеродни влакна и по-леки от стоманените съдове (снимка чрез Umoe Advanced Composites)
Резервоари за съхранение на водород на много пазари
За Hexagon Purus в Норвегия и NPROXX в Холандия (съвместно предприятие 50:50 между Cummins и Cimmaron Composites в Съединените щати, беше придобито от Hanwha в Южна Корея. Компанията обяви през 2021 г., че ще инвестира 130 милиона щатски долара в Алаба, САЩ Дистрибуцията също е важен пазар за изграждането на нов производствен завод в Опелика, Масачузетс.
Прилагането на резервоари за съхранение на водород не само спечели растеж на пазара за дистрибуция, но също така и в областта на автомобилите, камионите, железопътния транспорт и морския транспорт. „Някои от микробусите, произведени в Европа, ще бъдат задвижвани с водород“, каза Майкъл Химен, управляващ директор и ръководител на продажбите в NPROXX, производител на резервоари за съхранение на водород. Според европейските разпоредби до 2030 г. производителите на оригинално оборудване за камиони трябва да гарантират, че емисиите на CO2 от техните камиони са намалени средно с 30 процента в сравнение с нивата от 2019 г. Според предложението на Himmen 5 процента от европейските камиони могат да използват водородна енергия, което означава, че ще са необходими общо 15000 до 20000 камиона, задвижвани с водород всяка година. Той е сигурен, че 2 000 микробуса, задвижвани с водород, могат да бъдат произведени през 2026-27 година и да нарастват стабилно оттам. Ако всяко превозно средство е оборудвано с 5 до 7 резервоара за съхранение на водород тип IV, в рамките на 10 години тежкотоварните камиони може да се нуждаят от 100000 резервоара за съхранение на водород и 6000 тона въглеродни влакна годишно.
Що се отнася до железопътния транспорт, задвижваните с водород влакове Coradia iLint на Alstom бяха пуснати в експлоатация в Германия. 14 влака до Долна Саксония започнаха да се движат през 2021 г., а 27 влака до главния регион на Рейн ще започнат през 2022 г. години. Освен това влаковете iLint в момента се тестват в Австрия и Холандия. Двата вагона на влака използват 24 резервоара за съхранение на водород тип IV, които са поставени в отделения на покрива на всеки вагон, които също съдържат горивни клетки. Hexagon Composites достави резервоара за съхранение на водород за прототипа на влака на базата на неговия тежък резервоар за съхранение с диаметър 416 mm и дължина 3128 mm, който може да побере 300 L или 9 kg водород при налягане от 350 бара. Сега NPROXX осигурява резервоари за съхранение на водород с диаметър 500 мм, дължина 2200 мм и налягане за съхранение 350 бара за влакове iLint.
снимка
Alstom продаде 41 влака Coradia iLint, задвижвани с водород, и тества други (снимка чрез Alstom)
снимка
Френската железопътна компания SNCF поръча 12 поливалентни електрически и задвижвани с водород регионални влака Coradia на Alstom с двоен режим (снимка чрез Alstom)
снимка
Alstom работи с Eversholt Rail в Обединеното кралство за преобразуване на електрически влакове във влакове Breeze, задвижвани с водород (снимка чрез Alstom)
Други разработки, свързани с влаковете, задвижвани с водород, включват: влакът Mireo Plus H с 2 и 3 вагона, разработен от германския Siemens, който ще бъде тестван в няколко региона на Германия по време на 2023-2024. Междувременно Hexagon Purus доставя резервоари за съхранение на водород тип IV за влаковете Vittal-One, които испанският Talgo ще започне да тества през 2023 г. Hexagon Purus също ще достави резервоари за съхранение на водород на Swiss Stadler Rail за първия си влак FLIRT, построен и тестван в Швейцария, който ще влезе в експлоатация в Сан Бернардино, Калифорния, САЩ през 2024 г.
снимка
Siemens разработва влака Mireo Plus H за тестване в 2023-2024 (снимка от Siemens)
По отношение на корабоплаването, Hexagon Purus обяви през юни 2021 г., че ще създаде ново дъщерно дружество, Hexagon Purus Maritime. „Сега виждаме бързо нарастване на търсенето и действията за водород на морския пазар“, обяснява Йорн Хелге Дал, директор продажби и маркетинг в Hexagon Purus. Приложенията за офшорно съхранение осигуряват идеално решение." Дал вярва, че морската индустрия ще види все повече и повече проекти, инвестирани в сектора с наближаването на 2030 г., водени от целите, определени от действащата Международна морска организация (IMO, Лондон, Обединеното кралство). Тези проекти включват : Всички нови и съществуващи кораби трябва да намалят емисиите на CO2 с 40 процента до 2030 г. и със 70 процента до 2050 г. в сравнение с 2008 г.
В авиацията през 2020 г. се наблюдава внезапен скок на интереса към водорода, тъй като френското правителство спаси Airbus поради последствията от пандемията COVID{1}}, като същевременно го задължи да пусне на пазара търговски самолети, задвижвани с водород до 2035 г. През лятото на 2020 г. Airbus стартира своя проект ZEROe с три модела самолети, задната 1/3 от които се използва за съхранение на течен водород и изисква криогенен контрол.
Друг вариант за регионални турбовитлови двигатели е модулът с двоен резервоар, разработен от американската компания Universal Hydrogen, който използва рамка от CFRP. „Ние предоставяме модулите при поискване, така че няма нужда от съоръжение за съхранение на водород“, обясни JP Clarke, технически директор на Universal Hydrogen. „Тези модули могат да бъдат заредени в самолета по лесен начин, точно като батерии или кухненски консумативи.“ Компанията, обявена през 2021 г., подписа писма за намерения с три регионални авиокомпании за модернизиране на задвижвани с водород задвижващи системи за съществуващи турбовитлови самолети.
Американската компания ZeroAvia обяви през април 2021 г., че разработва 2-седалка за 50-седалка за регионален самолет.
MW водородно-електрически задвижвания. Компанията завърши финансиране на стойност 24,3 милиона долара през 2021 г., което ще й помогне да постигне комерсиализация през 2024 г. и да започне да обслужва граждански регионални самолети през 2026 г.
Предизвикателствата на съхранението на водород
Контейнерите тип IV също са изправени пред сериозни проблеми. Най-вече цената на въглеродните влакна прави тези контейнери много скъпи. Друг ключов проблем е плътността на съхранението. Докато сгъстеният водород осигурява три пъти повече енергия на маса от бензина, неговата енергия на обем е значително по-ниска, което изисква големи контейнери, за да издържат на високото налягане, необходимо за съхраняване на достатъчно гориво. Водородът всъщност предлага по-висока плътност като криогенна течност, когато се съхранява при -253 градуса, докато когато се съхранява в резервоар с криогенна компресия (CCH2) при -230 градуса, 300 бара, се казва, че водородът има по-висока плътност отколкото когато се съхранява при 700 бара с 50 процента по-високо в контейнери тип IV. Криогенните резервоари обикновено са метални, а криогенните резервоари, направени от по-композитни материали, все още не са доказали, че имат точно същата производителност и живот на умора, както е демонстрирано в контейнерите за сгъстен газ тип IV, които са данни за ефективността, натрупани в продължение на 25 години.
Друг проблем е, че производството на милиони резервоари за съхранение на водород, необходими за постигане на целите за търсене на превозни средства с горивни клетки (FCV) и инфраструктура, може да не е налично навреме за необходимите големи количества въглеродни влакна. „Получаването на достатъчно въглеродни влакна е една от основните ни грижи.“ Himmen от NPROXX каза, че представянето на компанията през 2020-2021 фискалната година се е удвоило и ще продължи да се удвоява през следващата фискална година. „Не сме сами, мисля, че Hexagon расте със същата скорост. Имаме нужда от въглеродни влакна с определено качество и производителност на определена ценова точка.“ Понастоящем повечето кораби тип IV използват влакна T700 на Toray (якост на опън 4900MPa, модул 230MPa) или подобни влакна. „Влакното не е достатъчно здраво, което означава, че трябва да се навие още няколко пъти, което прави контейнера по-дебел, което е недопустимо. Ако сега не знаете откъде ще дойде вашето влакно следващата година, може наистина да имате да спре производството."
Друго голямо предизвикателство за корабите тип IV е цената на съдовете от въглеродни влакна и CFRP. Производителите на нови кораби и френските автомобилни доставчици от ниво 1 Plastic Omnium и Faurecia си поставиха цели да намалят цената на резервоарите за съхранение на водород тип IV с 30 процента до 75 процента до 2030 г., като същевременно увеличат ефективността на съхранение. нарастват с повече от 7 процента. За тази цел непрекъснато се въвеждат нови технологии, от FPP технологията, използвана от Cevotec в Германия за съкращаване на времето и разходите за опаковане на контейнерни куполи с CFRP, до 3D технологията за навиване, пусната от Cygnet Texkimp в Обединеното кралство за намаляване на щетите на влакната, и на Технологията за откриване на контейнери на място, стартирана от Com&Sens, специалист в интегрирането на сензори за композитни материали, Белгия.
