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高压储氢有望推动复合材料快速增长——重卡、汽车及铁路用储罐需求

来源: CompositesPlus 发布时间:2021-10-09 1464
化工塑料橡胶增强塑料电子芯片电子芯片设计/电子设计自动化(EDA)设计/电子设计自动化(IP类软件)
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多年来,碳纤维增强聚合物(CFRP)复合材料通过使用碳纤维和环氧树脂包裹的塑料内衬组成的IV型储罐,为零排放燃料电池汽车提供了压缩氢气(H2)的轻质存储。

多年来,碳纤维增强聚合物(CFRP)复合材料通过使用碳纤维和环氧树脂包裹的塑料内衬组成的IV型储罐,为零排放燃料电池汽车提供了压缩氢气(H2)的轻质存储。虽然长期以来。H2被视为一种可持续的清洁能源,但直到最近,其相关进展仍然缓慢。在composites world(CW)2020年10月的专题《氢气压力容器中的碳纤维》中,人们仍然严重怀疑期待已久的氢气经济是否会真正实现。

一年后,这种怀疑正在迅速消退。例如,2020 年文章中重点介绍的 Universal Hydrogen(美国加利福尼亚州洛杉矶)已与三家地区航空公司签署了意向书,以使用H2动力推进系统改造现有的涡轮螺旋桨飞机。同样值得一提的是,Cimmaron Composites(美国阿拉巴马州亨茨维尔)现已被韩华解决方案(韩国首尔)收购,并宣布在阿拉巴马州欧佩利卡新建一个 1.3 亿美元的生产设施。另一家复合材料罐制造商 NPROXX(荷兰海尔伦),现在是与康明斯(美国印第安纳州哥伦布)的一家50/50 合资企业,康明斯公司年产 1.3 亿台内燃机,现已投资生产氢气的电解槽、氢气发动机、燃料电池和储罐。

根据预测IV型储罐的市场增长极其巨大。例如,IV型储罐生产的领导者Hexagon Composites(挪威阿勒松)在一月份剥离了Hexagon Purus,专注于零排放H2和电池电力系统以及存储。据估计,从2025年到2030年,储罐收入将增长630%。

然而,IV型储罐也面临着严重的问题。最值得注意的是,碳纤维的成本使这些储罐非常昂贵。另一个关键问题是存储密度。尽管压缩H2提供的能量是每质量汽油的三倍,但其每体积能量非常低,需要大型气缸来容纳储存足够燃料所需的高压。对于移动应用,与金属替代品相比,CFRP IV 型储罐提供的轻质推动了它们的使用。但在固定应用中,包括加氢站,重量不是主要驱动因素。

实际上,氢气作为低温液体在-253°C下储存时具有更高的密度,当储存在-230°C和300 bar的低温压缩(CCH2)罐中时,其密度最高。据报道,与700 bar的IV型罐相比,H2增加了50%。低温罐通常是金属的,使用大量复合材料的替代品尚未得到验证,而具有IV型压缩气体罐的性能和疲劳寿命已经得到验证。Cryomotive(德国格拉斯布伦)由Tobias Brunner博士于2020年创立,目前正在根据他之前在宝马的工作开发金属CCH2储罐。

01 重型运输用氢气

康明斯正在与长期客户和卡车制造商Navistar(美国伊利诺伊州里斯尔)合作开发一款燃料电池驱动的Class 8车。该卡车将集成到Werner Enterprises(美国内布拉斯加州奥马哈市)7700辆的车队中,在加利福尼亚州丰塔纳的当地和地区服务中进行为期一年的试验。康明斯还开始测试氢动力内燃机(即直接燃烧氢气),并将在各种公路上和非公路应用中进行评估。在2021年6月的一次采访中,康明斯负责新动力工程的副总裁乔纳森·伍德表示,到本十年末,这些产品将接近柴油发动机的总拥有成本(TCO)。随着各国寻求实现零排放目标,未来的重型运输将由氢、燃料电池或电池供电,而不是柴油。

“在欧洲,有立法规定到2030年,卡车原始设备制造商的生产车队的二氧化碳排放量必须比2019年平均减少30%,”储罐制造商NPROXX的常务董事兼销售主管Michael Himmen说。因此,欧洲卡车生产的一部分将是氢动力驱动,并可能高达5%,未来需求可高达15000-20000辆/年。它将在2026-27年以2000辆/年的速度开始,并稳步增长。每辆车有五到七辆IV型储罐,重型卡车可以在十年内,每年需要100000个储罐,大概需要6000吨碳纤维。这将是东丽公司目前在日本、韩国、法国和美国工厂碳纤维总产量的25%,以及韩国Hyosung2028年10条生产线计划产能的25%。

Hexagon Purus 的销售和营销总监 J?rn Helge Dahl 表示:“重型运输行业的速度正在加快发展。他解释说,对于大型车辆而言,H2比电池更实用,因为电池的尺寸、重量和充电时间的增加可满足有效载荷和航程要求,但是不经济。Hexagon Purus 估计,2025 年和 2030 年 IV 型储氢罐的收入分别为 11 亿美元和 70 亿美元,预计重型汽车将占最大部分(≈30%)。

02 轻型交通、汽车和亚洲市场

法国汽车一级供应商Faurecia(Nanterre)和Plastic Omnium(Lavallois)是IV型储罐市场的新进入者,两者的目标都是占据25-30%的市场份额。他们预测到2030年,氢动力汽车的年产量将达到200万辆,其中150万辆为轻型和乘用车(LDV和PV)。Plastic Omnium表示,H2汽车销量将在2027-2028年开始回升,但Faurecia称,其与欧洲和北美五家LDV/PV原始设备制造商的合作已经为2022年创造了销量,并初步生产了80000套氢汽车系统。Faurecia、Hexagon Purus、NPROXX和塑料Omnium都提供完整的氢燃料电池系统,包括燃料电池堆、储罐和辅助设备。Faurecia声称,燃料电池系统价值的40%在H2储罐,70%在储罐与阀门和其他部件之间(称为设备平衡,BOP)。

Plastic Omnium 指出,预计亚洲将在氢燃料电池汽车 (FCV) 销售方面处于领先地位,占据 75% 的市场份额,其次是欧洲的 20% 和北美的 5%。事实上,中国和日本已经宣布了到 2030 年分别实现 100 万辆和 80 万辆 FCV 的运行目标,而韩国则表示到 2025 年将所有商用车都转换为氢燃料,目标是到 2040 年生产 620 万辆 FCV。值得注意的是,这些国家都有大量的碳纤维生产。

因此,当Plastic Omnium于2019年成立其Δ-Deltatech(比利时布鲁塞尔)燃料电池和氢气储存研发中心时,它同时成立了ω-Omegatech(中国武汉)研发中心,并配备了CFRP纤维缠绕试验线和燃料系统测试实验室。武汉已被定为中国第一个“氢城市”,拥有30-100个氢燃料加气站,3-5家世界领先的氢企业,以及一个拥有100多家燃料电池汽车制造商及相关企业的氢能产业园。

与此同时,Hexagon Purus于2021年3月宣布与中集Enric(中国深圳)成立合资企业,该合资企业将首先扩大现有的III型压力容器生产,同时安装IV型储罐生产。新的IV型设施生产和建设将于2021年开始,到 2025 年产能将达到 100,000 罐/年。

Iljin Composites因其2021年9月3日在韩国证券交易所KOSPI指数上的公开发行而更名为Iljin Hysolus(韩国Bongdong eup),被称为韩国唯一的复合材料储罐生产商和现代Nexo汽车的唯一供应商。据报道,Iljin还为韩国警察、地区和公交系统提供储罐,并拥有两个生产基地,一个在全北省,一个在万州。

在其他值得注意的活动中,Toyoda Gosei(日本 Inabi)为 2021 年的 Toyota Mirai生产第三个储罐,产能为每年 30,000 个储罐(丰田为Mirai内部生产前两辆储罐)。2021 年在法国,Faurecia完成了对中国领先的储罐制造商 CLD的收购,该公司在辽宁的两家工厂每年可生产 30,000 个储罐。

根据分析公司 Integral Co. 2020 年 12 月的“中国储氢技术概述”,中国更喜欢 I 型和 III 型储罐,制造 III 型的公司很少。然而,需求正在增加。报告作者斯蒂芬妮·奥 (Stephanie Ao) 指出,直到最近,中国才实际上禁止了 IV 型坦克。可以理解的是,III 型储罐仍然在中国 H 2车辆市场占据主导地位,尤其是对于需要 35 MPa/350 bar 的应用。但是,她指出 70 MPa/700 bar III 型储罐正处于测试验证的最终过程中。III型储罐的顶级供应商包括CLD(现为佛吉亚所有)以及Beijin Chinatank Industry、Furuise和天海工业。

根据分析公司Integral Co.于2020年12月发布的“中国储氢技术概述”,中国首选I型和III型储氢罐,作者Stephanie Ao指出,III型储罐仍然在中国H2车辆市场占据主导地位,特别是对于要求35 MPa的应用。然而,70 MPaIII型储罐处于测试验证的最终过程中。III型储罐的顶级供应商包括CLD(现为Faurecia所有)以及Beijin Chinatank Industry、Furuise和天海工业

03 铁路和公共汽车系统

康明斯在2020年与NPROXX成立50/50合资企业之前,于2019年收购了燃料电池开发商Hydrogenics(加拿大安大略省密西沙加市),据报道,Hydrogenics是机车规模燃料电池的先行者。康明斯随后于2020年宣布在德国Herten建立一家新工厂,为阿尔斯通(法国巴黎)的H2动力Coradia iLinet列车制造燃料电池系统,该列车已在德国投入使用(下萨克森州的14台机组今年开始运营,莱茵河主要地区的27台机组将于2022年投入使用)。iLint也正在奥地利和荷兰进行测试。

高压储氢有望推动复合材料快速增长——重卡、汽车及铁路用储罐需求-CompositesPlus

iLint 的续航里程为 1,000 公里,最高时速为 140 公里/小时,与当前的区域列车性能相匹配。它的两辆车单元使用 24 个 IV 型储罐,这些储罐安装在每辆车顶部的屋顶隔间中,该隔间内还装有燃料电池。Hexagon Composites为其原型列车提供了 H2储罐,该储罐基于其 416 毫米直径、3128 毫米长的重型储罐,在 350 bar下可容纳 300 升/9 公斤氢气。现在iLint配备了来自 NPROXX 的 350 bar、500 毫米直径、2,200 毫米长的储罐。

康明斯还与西门子(德国慕尼黑)合作,西门子在2023-2024年期间在德国多条区域线路上测试其两辆和三辆Mireo Plus H列车。与此同时,Hexagon Purus正在为Talgo(西班牙马德里)的Vittal One列车提供IV型H2储罐,该列车计划于2023年开始测试。Hexagon Purus还将向Stadler Rail(瑞士Bussnang)提供储罐,用于其在瑞士建造和测试的第一列FLIRT列车,然后在2024年转移到加利福尼亚州的圣伯纳迪诺投入使用。

在日本,丰田与日立(东京)和东日本铁路公司(东京)合作开发了一种两节车厢列车,续航里程为 140 公里,最高时速为 100 公里/小时,H2存储容量为 5 个700-bar,四个储物格中的每个储物格中都有 51 升/2 公斤的储罐,总共有 40 公斤的 H2. 它将于 2022 年在东京郊区服务中进行测试。中国也在测试用于城市短途服务的燃料电池有轨电车。这条位于广东省佛山的示范线由中国南铁子公司四方(山东青岛)与燃料电池供应商巴拉德电力系统(加拿大本那比)合作开发,使用五辆电车,每辆电车由三辆长125公里的长途汽车组成范围和最高时速 70 公里/小时。每辆电车使用六个 350 bar的储罐来储存 104 升/4 公斤的压缩 H 2气体。

在货运列车市场,Sierra Northern Railway(美国加利福尼亚州萨克拉门托市)将在西萨克拉门托港用氢燃料电池机车取代柴油机车,该机车配备巴拉德动力系统的燃料电池和225公斤的储氢罐。该机车将于2023年开始使用,并在荷兰皇家壳牌公司(荷兰海牙)建造的新氢站加油。

巴拉德还为加拿大太平洋(卡尔加里,阿尔伯塔省)改装了一台现有的柴油电力长途货运机车,该机车将于2022年投入使用,这是其hydrail项目的第一步。改装机车的使用寿命超过50年,被视为专用液压火车的可行且经济高效的替代方案。

氢动力铁路(客运或货运)的一个显著优点是不需要对现有轨道进行改造。相比之下,英国传统电气列车的轨道(例如,悬链线和第三轨)的充电成本从每公里965000美元到130万美元不等。Caltrain(美国加利福尼亚州Can Carlos)2017年的一份报告指出,旧金山至圣何塞通勤线路的电气化使用22列燃料电池列车,包括建造氢气加油站(HRS)将耗资13亿美元,而22列采用架空接触网(OCS)的传统列车耗资31亿美元-节省18亿美元。(编译来源:CW)


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