Maailmanlaajuinen tavoite saavuttaa nollapäästöt vuoteen 2050 mennessä ajaa komposiittipaineastioiden nopeaa kasvua.
kuva
Komposiittipaineastiat
Korkeapaineiset kaasuvarastoastiat ovat yksi suurimmista ja nopeimmin kasvavista kehittyneiden komposiittien, erityisesti filamenttikäämitettyjen hiilikuitukomposiittien markkinoista. Vaikka niitä voidaan käyttää itsenäisissä hengityslaitteissa ja hapen ja kaasun varastointiin ilmailuajoneuvoihin, päämarkkinat ovat nesteytetty propaanikaasu (LPG), paineistettu maakaasu (CNG), uusiutuva maakaasu (RNG) ja vety. (H2) varastointi. Nestekaasusylintereitä käytetään autoissa, mutta niille on kasvava kysyntä kehitysmaiden ruoanlaitto- ja lämmitysmarkkinoilla.
Polttoainejärjestelmiä, kuten paineistettua maakaasua (CNG), uusiutuvaa maakaasua (RNG) ja vetyä (H2), käytetään yhä enemmän autoissa, linja-autoissa, pakettiautoissa ja muissa teollisuuslaitosten huoltoasemilla tai irtotavarakuljetuksissa. Ajoneuvoissa nämä polttoainesäiliöt ovat tärkeä osa puhtaita, päästöttömiä voimansiirtoja, jotka vähentävät tai korvaavat bensiiniä, dieseliä ja lentopolttoainetta. Nämä voimansiirrot tarjoavat myös maksuttoman vaihtoehdon akkukäyttöisille ajoneuvoille, jotka vaativat tankkausinfrastruktuuria ja tankkausaikoja, jotka ovat samanlaisia kuin fossiilisten polttoaineiden tankkaus. polttoaineita.
Paineastioita on 5 tyyppiä:
Tyyppi I: Kaikki metallirakenteet, yleensä teräsrakenne.
Tyyppi II: Pääosin metallia, jossa on joitain vanne-kierrettyjä kuituja, yleensä teräs- tai alumiinimetalli- ja lasikuitukomposiitteja, metallisäiliö jakaa suunnilleen samat rakenteelliset kuormat kuin komposiitilla.
Tyyppi III: Metallivuoraus on täysin kääritty komposiittimateriaaleihin, yleensä hiilikuitukomposiittimateriaalit kääritään alumiinivuorauksen ympärille, ja komposiittimateriaali kantaa rakenteellisen kuorman.
Tyyppi IV: Täyskomposiittirakenne, tavallisesti polyamidista (PA) tai korkeatiheyspolyeteenistä (HDPE) valmistettu sisäsäiliö, sisäsäiliö on kääritty hiilikuidulla tai komposiittimateriaalilla, johon on sekoitettu hiilikuitua/lasikuitua, ja komposiitti materiaali kestää kaikki rakenteelliset kuormat.
Tyyppi V: Vuoraamaton, täyskomposiittirakenne.
Tyypin I hallussa oli perinteisesti yli 90 prosenttia markkinoista, mutta tämän on mahdollistanut tyypin III ja tyypin IV paineastioiden lisääntynyt myynti komposiittimateriaalien painonsäästöjen ja parannetun painekaasun varastoinnin ansiosta. Alkoi muuttua. Tyyppi V on vielä lapsenkengissään ja vastaa pääasiassa avaruussovellusten tarpeisiin. Uuden avaruusteollisuuden kehittyessä tämä on huomion arvoinen tuotetyyppi. Esimerkiksi huhtikuussa 2020 yhdysvaltalainen Infinite Composites Technologies (ICT) kehitti A pallomaisen V-muotoisen kryogeenisen säiliön, jota käytettiin kryogeenisten nestemäisten ponneaineiden säilyttämiseen rakettikäyttöisissä avaruuskantoraketeissa. Tämä vuoraamaton hiilikuituepoksi-kryosfäärisäiliö on valmistettu filamenttikäämityksen ja teollisen uunikovetusprosessin avulla.
Markkinatekijät ja kasvuvauhti
Näiden markkinoiden tärkein tekijä on kasvava globaali sitoutuminen ilmastovaikutusten vähentämiseen siirtymällä fossiilisista polttoaineista uusiutuviin, päästöjä vähentäviin polttoaineisiin, kuten CNG, RNG ja H2, jotta saavutetaan nollapäästöt vuoteen 2050 mennessä. Kansainvälisen energiajärjestön uuden raportin "Net Zero Emissions by 2050: A Roadmap for the Global Energy Sector" mukaan hallitusten tähän mennessä tekemät ilmastositoumukset, jos ne toteutuvat täysin, jäävät paljon alle vuoden 2050 tavoitteen vähentää. energiaan liittyvät globaalit hiilidioksidipäästöt nollaan tarjoavat maailmalle mahdollisuuden rajoittaa maapallon lämpötilan nousu 1,5 asteeseen.
On syytä mainita, että edellä mainittujen sitoumusten lisäksi Yhdysvaltojen osavaltiot Connecticut, Maryland, Massachusetts, New Jersey, New York, Oregon, Rhode Island, Vermont ja Washington ovat jo sitoutuneet olemaan tuottamatta uusia fossiilisia polttoaineita käyttäviä henkilöautoja. , liittyä Kalifornian, Coloradon, Havaijin, Mainen, Pohjois-Carolinan, Oregonin, Pennsylvanian ja Columbian piiriin uusien fossiilisia polttoaineita käyttävien keskisuurten ja raskaiden ajoneuvojen myynnin kieltämiseksi.
Toisena kasvun merkkinä yhdysvaltalainen Cummins Inc., joka tuottaa 130 miljoonaa polttomoottoria (ICE) vuodessa, joista monia käytetään linja-autoissa sekä keskiraskaita ja raskaita kuorma-autoja, on investoinut luokan kehittämiseen. 8 polttokennopakettiauto ja vetykäyttöinen moottori. Kesäkuussa 2021 Cummins sanoi, että tämän vuosisadan loppuun mennessä nämä tuotteet lähestyvät dieselmoottorin kokonaiskustannuksia (TCO) ja että tulevat raskaat kuljetukset toimivat vedyllä, polttokennoilla tai akuilla dieselin sijaan.
Maakaasuajoneuvojen (NGV) maailmanlaajuinen myynti vuonna 2020 oli aiemmin ennustettua korkeampi: vuoden 2021 Grandview Research Reportin mukaan myytiin 29,8 miljoonaa yksikköä verrattuna ennustettuun 24,4 miljoonaan. Raportti ennustaa myös, että myynti vuonna 2021 on noin 31 miljoonaa yksikköä ja kasvaa 38,9 miljoonaan yksikköön vuonna 2028, mikä saavuttaa 3,3 prosentin yhdistetyn vuosikasvun (CAGR). DataIntelo väittää, että CNG-alusten markkinoilla Type I -alusten osuus on noin 55 prosenttia markkinoista, kun taas Type II:n, Type III:n ja Type IV:n osuus on noin 25 prosenttia, 15 prosenttia ja 5 prosenttia.
Tony Roberts AJR Consultingista ja Dan Pichler CarbConsultista ennustivat, että hiilikuidun kysyntä komposiittipaineastioissa kasvaa 13 100 tonnista vuonna 2021 20 230 tonniin vuonna 2026, ja hiilikuidun kokonaiskysynnän vuonna 2021 odotetaan olevan 106 700 tonnia. Alla hiilikuidun kokonaiskysynnän odotetaan saavuttavan 169,{10}}t vuonna 2026. Roberts ja Pichler arvioivat, että suurin osa paineastioissa käytetystä hiilikuidusta menee siirrettäviin putkiin (6900t vuonna 2026) sekä linja-autoihin ja pakettiautot (6400t vuonna 2026).
Lisäksi eri puolilla maailmaa julkaistujen uusien vetypolttoaineajoneuvojen mukaan jokainen 700 baarin vetysäiliö, joka sisältää 60 prosenttia kuitua ja painaa 5,6 kg, käyttää 62-72 kg hiilikuitua. Vuoteen 2030 mennessä vain vetysäiliöt tarvitsevat hiilikuitua. Tilavuus nousee 166650 tonniin. Näitä ajoneuvoja koskevat ennusteet ovat kuitenkin varovaisia, sillä vain 1 prosentin raskaista tavarankuljetusajoneuvoista, alle 10 prosentin linja-autoista ja alle prosentin autoista odotetaan käyttävän vetyä.
Komposiittimateriaalien käyttö paineastioissa
Tyypin IV komposiittipaineastiat vedyn varastointiin valmistetaan käärimällä hiilikuitua muovivuorauksen ympärille ja levittämällä epoksihartsia. Komposiittimateriaalien laitetoimittajia, jotka suunnittelevat ja valmistavat pitkälle automatisoituja avaimet käteen -periaatteella vetysäiliöiden tuotantolinjoja, ovat: Autonational Composites Alankomaissa, Engineering Technology Yhdysvalloissa, McClean Anderson Yhdysvalloissa, MIKROSAM Makedoniassa ja Roth Composite Machinery Saksassa, Jälkimmäinen väittää, että vetysäiliöiden valmistus voidaan nopeuttaa uudella Rothawin-teknologialla viidestä kymmeneen kertaan nopeammin. MIKROSAM väittää, että sen asiakas, venäläinen JSC DPO Plastik, on käyttänyt maailman suurinta tuotantolinjaa CNG-säiliöiden ja vetysäiliöiden valmistukseen, joka pystyy kelaamaan 60,{1}} konttia vuodessa.
Saksalainen Cevotec sanoo voivansa säästää 20 prosenttia materiaalissa ja 20 prosenttia sykliajassa käyttämällä FPP (Fiber Patch Placement) -järjestelmää paineastian kupualueella. Cevotecin toimitusjohtaja selitti, että 1 kg vetyä varastoimaan säiliön työpaine on jopa 700 bar, mikä tarkoittaa, että hiilikuitua tarvitaan noin 10 kg, mikä on erittäin korkea suhde. FPP-järjestelmä pystyy kiinnittämään tarkasti suunnitellut hiilikuitupaikat alueille, jotka joskus aiheuttavat ongelmia rullausprosessin aikana. Sanotaan, että yksi FPP-järjestelmä voi vahvistaa kontteja useista kelauskoneista.
Useimmissa painekaasun varastointiin käytetyissä tyypin IV paineastioissa käytetään hiilikuitua rakenteen vahvistamiseen ja lasikuitua ulkokerroksen vaurioiden estämiseksi, kun taas norjalainen Umoe Advanced Composites (UAC) käyttää vain lasikuitua tyypin IV astioissaan. UAC tarjoaa 200-350 baariastiaa maakaasun kuljetusmarkkinoille automarkkinoiden sijaan ja laajentaa tuotevalikoimaansa kattamaan 450-500 baariastiaa vuonna 2022. Kuten UAC:n toimitusjohtaja Øyvind Hamre totesi, lasikuitu - Vahvistetut polymeeriastiat (GFRP) maksavat saman verran kuin teräsastiat, mutta ovat 70 prosenttia kevyempiä. CFRP-säiliöihin verrattuna, vaikka GFRP-säiliöt ovat painavampia, ne alentavat kustannuksia 50 prosenttia.
kuva
Lasikuituvahvisteisista komposiiteista valmistetut tyypin IV astiat ovat halvempia kuin hiilikuitukomposiitit ja kevyempiä kuin teräsastiat (kuva Umoe Advanced Compositesin kautta)
Vetysäiliöitä monilla markkinoilla
Hexagon Purus Norjassa ja NPROXX Alankomaissa (Cumminsin ja Cimmaron Compositesin 50:50 yhteisyritys Yhdysvalloissa, Hanwha on ostanut sen Etelä-Koreassa. Yritys ilmoitti vuonna 2021 investoivansa 130 miljoonaa Yhdysvaltain dollaria Alabassa, USA:ssa Jakelu on myös tärkeä markkina-alue uuden tuotantolaitoksen rakentamiselle Opelikaan, MA.
Vetysäiliöiden käyttö ei ole saavuttanut kasvua vain jakelumarkkinoilla, vaan myös henkilöautojen, kuorma-autojen, rautatie- ja merikuljetusten aloilla. "Osa Euroopassa rakennetuista pakettiautoista tulee olemaan vetykäyttöisiä", sanoi Michael Himmen, vetysäiliöitä valmistavan NPROXX:n toimitusjohtaja ja myyntipäällikkö. Eurooppalaisten määräysten mukaan kuorma-autojen OEM-valmistajien on vuoteen 2030 mennessä varmistettava, että niiden kuorma-autojen hiilidioksidipäästöt vähenevät keskimäärin 30 prosenttia vuoden 2019 tasosta. Himmenin ehdotuksen mukaan 5 prosenttia eurooppalaisista kuorma-autoista voi käyttää vetyvoimaa, mikä tarkoittaa, että vuosittain tarvitaan yhteensä 15,000 - 20,000 vetykäyttöistä kuorma-autoa. Hän on varma, että 2,{11}} vetykäyttöistä pakettiautoa voitaisiin rakentaa vuodessa 2026-27 alkaen ja kasvaa tasaisesti siitä eteenpäin. Jos jokainen ajoneuvo on varustettu 5–7 tyypin IV vetysäiliöllä, raskaat kuorma-autot saattavat tarvita 10 vuoden sisällä 100 000 vetysäiliötä ja 6,000 tonnia hiilikuitua vuodessa.
Rautateiden osalta Saksassa on otettu käyttöön Alstomin vetykäyttöiset Coradia iLint -junat. 14 junaa Ala-Saksiin on alkanut liikennöidä vuonna 2021, ja 27 junaa Reinin pääalueelle alkaa vuonna 2022. käyttövuotta. Lisäksi iLint-junia testataan parhaillaan Itävallassa ja Hollannissa. Junan kahdessa vaunussa on käytössä 24 tyypin IV vetysäiliötä, jotka on sijoitettu kunkin vaunun päälle kattoosastoihin, joissa on myös polttokennoja. Hexagon Composites toimitti vetysäiliön prototyyppijunaan perustuen sen raskaaseen varastosäiliöön, jonka halkaisija on 416 mm ja pituus 3 128 mm ja johon mahtuu 300 litraa tai 9 kg vetyä 350 baarin paineessa. Nyt NPROXX tarjoaa iLint-junille vetysäiliöitä, joiden halkaisija on 500 mm, pituus 2200 mm ja varastopaine 350 bar.
kuva
Alstom on myynyt 41 Coradia iLint vetykäyttöistä junaa ja testaa muita (kuva Alstomin kautta)
kuva
Ranskalainen rautatieyhtiö SNCF on tilannut 12 Alstomin Coradia Polyvalent -sähkö- ja vetykäyttöistä kaksimuotoista aluejunaa (kuva Alstomin kautta)
kuva
Alstom tekee yhteistyötä Eversholt Railin kanssa Isossa-Britanniassa sähköjunien muuntamiseksi vetykäyttöisiksi Breeze-juniksi (kuva Alstomin kautta)
Muita vetykäyttöisiin juniin liittyviä kehityshankkeita ovat: Saksalaisen Siemensin kehittämä Mireo Plus H -juna 2 ja 3 vaunulla, jota testataan useilla Saksan alueilla 2023-2024 aikana. Samaan aikaan Hexagon Purus toimittaa tyypin IV vetysäiliöitä Vittal-One-juniin, joita espanjalainen Talgo aloittaa testauksen vuonna 2023. Hexagon Purus toimittaa myös vetysäiliöitä Sveitsin Stadler Railille ensimmäiseen FLIRT-junaansa, joka rakennetaan ja testataan Sveitsissä. tulee palvelukseen San Bernardinossa, Kaliforniassa, Yhdysvalloissa vuonna 2024.
kuva
Siemens kehittää Mireo Plus H -junaa testattavaksi vuonna 2023-2024 (kuva Siemensistä)
Toimituksen osalta Hexagon Purus ilmoitti kesäkuussa 2021 perustavansa uuden tytäryhtiön, Hexagon Purus Maritimen. "Näemme nyt nopeasti kasvavan vedyn kysynnän ja toimien merenkulun markkinoilla", selittää Jørn Helge Dahl, Hexagon Puruksen myynti- ja markkinointijohtaja. Offshore-varastointisovellukset tarjoavat ihanteellisen ratkaisun." Dahl uskoo, että merenkulkualalla investoidaan yhä enemmän hankkeita alalle vuoden 2030 lähestyessä Kansainvälisen merenkulkujärjestön (IMO, Lontoo, UK) asettamien tavoitteiden pohjalta. Näitä hankkeita ovat mm. : Kaikkien uusien ja olemassa olevien alusten on vähennettävä hiilidioksidipäästöjä 40 prosenttia vuoteen 2030 mennessä ja 70 prosenttia vuoteen 2050 mennessä verrattuna vuoteen 2008.
Ilmailussa kiinnostus vetyä kohtaan kasvoi äkillisesti vuonna 2020, kun Ranskan hallitus pelasti Airbusin COVID{1}}-pandemian seurauksena ja vaati sen tuomaan vetykäyttöiset kaupalliset lentokoneet markkinoille vuoteen 2035 mennessä. Kesällä 2020 Airbus käynnisti ZEROe-projektinsa kolmella lentokonemallilla, joista 1/3 on nestemäisen vedyn varastointia varten ja vaativat kryogeenisen ohjauksen.
Toinen vaihtoehto alueellisille potkuriturbiinille on yhdysvaltalaisen Universal Hydrogenin kehittämä kaksoissäiliömoduuli, joka käyttää CFRP-runkoa. "Toimimme moduulit pyynnöstä, joten vetyvarastoa ei tarvita", selitti JP Clarke, Universal Hydrogenin teknologiajohtaja. "Nämä moduulit voidaan ladata lentokoneeseen yksinkertaisella tavalla, aivan kuten akut tai keittiötarvikkeet." Vuonna 2021 julkistettu yhtiö on allekirjoittanut aiesopimuksen kolmen alueellisen lentoyhtiön kanssa vetykäyttöisten propulsiojärjestelmien jälkiasentamiseksi olemassa oleviin potkuriturbiinikoneisiin.
Yhdysvaltalainen ZeroAvia ilmoitti huhtikuussa 2021, että se kehittää 2-istuinta 50-paikkaiseen aluelentokoneeseen.
MW vety-sähkövoimansiirtoja. Yhtiö sai 24,3 miljoonan dollarin rahoituksen vuonna 2021, mikä auttaa sitä kaupallistamaan vuonna 2024 ja aloittamaan siviilialuelentokoneiden palvelemisen vuonna 2026.
Vedyn varastoinnin haasteet
Tyypin IV konteissa on myös vakavia ongelmia. Erityisesti hiilikuidun hinta tekee näistä säiliöistä erittäin kalliita. Toinen keskeinen ongelma on varastointitiheys. Vaikka puristettu vety tuottaa kolme kertaa enemmän energiaa bensiinin massaa kohden, sen energia tilavuutta kohti on huomattavasti pienempi, mikä vaatii suuria säiliöitä kestämään korkean paineen, jota tarvitaan riittävän polttoaineen varastointiin. Vety tarjoaa itse asiassa korkeamman tiheyden kryogeenisenä nesteenä, kun sitä varastoidaan -253 asteessa, kun taas kryogeenisessä puristussäiliössä (CCH2) säilytettynä -230 asteessa, 300 bar, vedyn sanotaan olevan suurempi. kuin varastoituna 700 baarissa 50 prosenttia korkeammalla tyypin IV säiliöissä. Kryogeeniset säiliöt ovat yleensä metallisia, eikä komposiittimateriaaleista valmistetuilla kryogeenisilla säiliöillä ole vielä osoitettu olevan täsmälleen samaa suorituskykyä ja väsymisaikaa kuin tyypin IV painekaasusäiliöissä, jotka ovat olleet suorituskykytietoja 25 vuoden ajalta.
Toinen ongelma on, että polttokennoajoneuvojen (FCV) ja infrastruktuurin kysyntätavoitteiden täyttämiseen tarvittavien miljoonien vetysäiliöiden tuotanto ei ehkä ole käytettävissä ajoissa tarvittavan suuren hiilikuitumäärän vuoksi. "Riittävästi hiilikuidun saaminen on yksi tärkeimmistä huolenaiheistamme." NPROXX:n Himmen sanoi, että yrityksen tulos tilikaudella 2020-2021 on kaksinkertaistunut ja tuplaantuu edelleen seuraavan tilikauden aikana. "Emme ole yksin, mielestäni Hexagon kasvaa samaa tahtia. Tarvitsemme hiilikuitua, jolla on tietty laatu ja suorituskyky tietyssä hintapisteessä." Tällä hetkellä useimmat tyypin IV astiat käyttävät Torayn T700-kuitua (vetolujuus 4900 MPa, moduuli 230 MPa) tai vastaavia kuituja. "Kuitu ei ole tarpeeksi luja, mikä tarkoittaa sitä, että sitä on käärittävä vielä muutaman kerran, mikä tekee säiliöstä paksumpaa, mikä ei ole hyväksyttävää. Jos et tiedä nyt, mistä kuidusi tulee ensi vuonna, sinulla voi todella olla lopettaa tuotanto."
Toinen suuri haaste tyypin IV aluksille on hiilikuitu- ja CFRP-alusten hinta. Uudet alusten valmistajat ja ranskalaiset Tier 1 -autojen toimittajat Plastic Omnium ja Faurecia ovat molemmat asettanut tavoitteekseen vähentää tyypin IV vetysäiliöiden kustannuksia 30 prosentista 75 prosenttiin vuoteen 2030 mennessä ja samalla parantaa varastoinnin tehokkuutta. kasvaa yli 7 prosenttia. Tätä tarkoitusta varten uusia teknologioita otetaan jatkuvasti käyttöön, alkaen FPP-tekniikasta, jota Cevotec käyttää Saksassa lyhentääkseen CFRP-kääreen aikaa ja kustannuksia konttikupoliin, ja Cygnet Texkimpin Isossa-Britanniassa lanseeraamaan 3D-käämitekniikkaan kuituvaurioiden vähentämiseksi. ja Belgiassa komposiittimateriaalien anturien integrointiin erikoistuneen Com&Sensin lanseeraama in situ -säiliöntunnistustekniikka.
