高壓儲氫有望推動復合材料快速增長——重卡、汽車及鐵路用儲罐需求
多年來,碳纖維增強聚合物(CFRP)復合材料通過使用碳纖維和環氧樹脂包裹的塑料內襯組成的IV型儲罐,為零排放燃料電池汽車提供了壓縮氫氣(H2)的輕質存儲。雖然長期以來。H2被視為一種可持續的清潔能源,但直到近,其相關進展仍然緩慢。在composites world(CW)2020年10月的專題《氫氣壓力容器中的碳纖維》中,人們仍然嚴重懷疑期待已久的氫氣經濟是否會真正實現。
一年后,這種懷疑正在迅速消退。例如,2020 年文章中重點介紹的 Universal Hydrogen(美國加利福尼亞州洛杉磯)已與三家地區航空公司簽署了意向書,以使用H2動力推進系統改造現有的渦輪螺旋槳飛機。同樣值得一提的是,Cimmaron Composites(美國阿拉巴馬州亨茨維爾)現已被韓華解決方案(韓國爾)收購,并宣布在阿拉巴馬州歐佩利卡新建一個 1.3 億美元的生產設施。另一家復合材料罐制造商 NPROXX(荷蘭海爾倫),現在是與康明斯(美國印第安納州哥倫布)的一家50/50 合資企業,康明斯公司年產 1.3 億臺內燃機,現已投資生產氫氣的電解槽、氫氣發動機、燃料電池和儲罐。
根據預測IV型儲罐的市場增長極其巨大。例如,IV型儲罐生產的領導者Hexagon Composites(挪威阿勒松)在一月份剝離了Hexagon Purus,專注于零排放H2和電池電力系統以及存儲。據估計,從2025年到2030年,儲罐收入將增長630%。
然而,IV型儲罐也面臨著嚴重的問題。值得注意的是,碳纖維的成本使這些儲罐非常昂貴。另一個關鍵問題是存儲密度。盡管壓縮H2提供的能量是每質量汽油的三倍,但其每體積能量非常低,需要大型氣缸來容納儲存足夠燃料所需的高壓。對于移動應用,與金屬替代品相比,CFRP IV 型儲罐提供的輕質推動了它們的使用。但在固定應用中,包括加氫站,重量不是主要驅動因素。
實際上,氫氣作為低溫液體在-253°C下儲存時具有更高的密度,當儲存在-230°C和300 bar的低溫壓縮(CCH2)罐中時,其密度高。據報道,與700 bar的IV型罐相比,H2增加了50%。低溫罐通常是金屬的,使用大量復合材料的替代品尚未得到驗證,而具有IV型壓縮氣體罐的性能和疲勞壽命已經得到驗證。Cryomotive(德國格拉斯布倫)由Tobias Brunner博士于2020年創立,目前正在根據他之前在寶馬的工作開發金屬CCH2儲罐。
02 輕型交通、汽車和亞洲市場
03 鐵路和公共汽車系統
一年后,這種懷疑正在迅速消退。例如,2020 年文章中重點介紹的 Universal Hydrogen(美國加利福尼亞州洛杉磯)已與三家地區航空公司簽署了意向書,以使用H2動力推進系統改造現有的渦輪螺旋槳飛機。同樣值得一提的是,Cimmaron Composites(美國阿拉巴馬州亨茨維爾)現已被韓華解決方案(韓國爾)收購,并宣布在阿拉巴馬州歐佩利卡新建一個 1.3 億美元的生產設施。另一家復合材料罐制造商 NPROXX(荷蘭海爾倫),現在是與康明斯(美國印第安納州哥倫布)的一家50/50 合資企業,康明斯公司年產 1.3 億臺內燃機,現已投資生產氫氣的電解槽、氫氣發動機、燃料電池和儲罐。
根據預測IV型儲罐的市場增長極其巨大。例如,IV型儲罐生產的領導者Hexagon Composites(挪威阿勒松)在一月份剝離了Hexagon Purus,專注于零排放H2和電池電力系統以及存儲。據估計,從2025年到2030年,儲罐收入將增長630%。
然而,IV型儲罐也面臨著嚴重的問題。值得注意的是,碳纖維的成本使這些儲罐非常昂貴。另一個關鍵問題是存儲密度。盡管壓縮H2提供的能量是每質量汽油的三倍,但其每體積能量非常低,需要大型氣缸來容納儲存足夠燃料所需的高壓。對于移動應用,與金屬替代品相比,CFRP IV 型儲罐提供的輕質推動了它們的使用。但在固定應用中,包括加氫站,重量不是主要驅動因素。
實際上,氫氣作為低溫液體在-253°C下儲存時具有更高的密度,當儲存在-230°C和300 bar的低溫壓縮(CCH2)罐中時,其密度高。據報道,與700 bar的IV型罐相比,H2增加了50%。低溫罐通常是金屬的,使用大量復合材料的替代品尚未得到驗證,而具有IV型壓縮氣體罐的性能和疲勞壽命已經得到驗證。Cryomotive(德國格拉斯布倫)由Tobias Brunner博士于2020年創立,目前正在根據他之前在寶馬的工作開發金屬CCH2儲罐。
01 重型運輸用氫氣
康明斯正在與長期客戶和卡車制造商Navistar(美國伊利諾伊州里斯爾)合作開發一款燃料電池驅動的Class 8車。該卡車將集成到Werner Enterprises(美國內布拉斯加州奧馬哈市)7700輛的車隊中,在加利福尼亞州豐塔納的當地和地區服務中進行為期一年的試驗??得魉惯€開始測試氫動力內燃機(即直接燃燒氫氣),并將在各種公路上和非公路應用中進行評估。在2021年6月的一次采訪中,康明斯負責新動力工程的副總裁喬納森·伍德表示,到本十年末,這些產品將接近柴油發動機的總擁有成本(TCO)。隨著各國尋求實現零排放目標,未來的重型運輸將由氫、燃料電池或電池供電,而不是柴油。
“在歐洲,有立法規定到2030年,卡車原始設備制造商的生產車隊的二氧化碳排放量必須比2019年平均減少30%,”儲罐制造商NPROXX的常務董事兼銷售主管Michael Himmen說。因此,歐洲卡車生產的一部分將是氫動力驅動,并可能高達5%,未來需求可高達15000-20000輛/年。它將在2026-27年以2000輛/年的速度開始,并穩步增長。每輛車有五到七輛IV型儲罐,重型卡車可以在十年內,每年需要100000個儲罐,大概需要6000噸碳纖維。這將是東麗公司目前在日本、韓國、法國和美國工廠碳纖維總產量的25%,以及韓國Hyosung2028年10條生產線計劃產能的25%。
Hexagon Purus 的銷售和營銷總監 J?rn Helge Dahl 表示:“重型運輸行業的速度正在加快發展。他解釋說,對于大型車輛而言,H2比電池更實用,因為電池的尺寸、重量和充電時間的增加可滿足有效載荷和航程要求,但是不經濟。Hexagon Purus 估計,2025 年和 2030 年 IV 型儲氫罐的收入分別為 11 億美元和 70 億美元,預計重型汽車將占大部分(≈30%)。
02 輕型交通、汽車和亞洲市場
法國汽車一級供應商Faurecia(Nanterre)和Plastic Omnium(Lavallois)是IV型儲罐市場的新進入者,兩者的目標都是占據25-30%的市場份額。他們預測到2030年,氫動力汽車的年產量將達到200萬輛,其中150萬輛為輕型和乘用車(LDV和PV)。Plastic Omnium表示,H2汽車銷量將在2027-2028年開始回升,但Faurecia稱,其與歐洲和北美五家LDV/PV原始設備制造商的合作已經為2022年創造了銷量,并初步生產了80000套氫汽車系統。Faurecia、Hexagon Purus、NPROXX和塑料Omnium都提供完整的氫燃料電池系統,包括燃料電池堆、儲罐和輔助設備。Faurecia聲稱,燃料電池系統價值的40%在H2儲罐,70%在儲罐與閥門和其他部件之間(稱為設備平衡,BOP)。
Plastic Omnium 指出,預計亞洲將在氫燃料電池汽車 (FCV) 銷售方面處于地位,占據 75% 的市場份額,其次是歐洲的 20% 和北美的 5%。事實上,和日本已經宣布了到 2030 年分別實現 100 萬輛和 80 萬輛 FCV 的運行目標,而韓國則表示到 2025 年將所有商用車都轉換為氫燃料,目標是到 2040 年生產 620 萬輛 FCV。值得注意的是,這些都有大量的碳纖維生產。
因此,當Plastic Omnium于2019年成立其Δ-Deltatech(比利時布魯塞爾)燃料電池和氫氣儲存研發中心時,它同時成立了ω-Omegatech(武漢)研發中心,并配備了CFRP纖維纏繞試驗線和燃料系統測試實驗室。武漢已被定為個“氫城市”,擁有30-100個氫燃料加氣站,3-5家的氫企業,以及一個擁有100多家燃料電池汽車制造商及相關企業的氫能產業園。
與此同時,Hexagon Purus于2021年3月宣布與中集Enric(深圳)成立合資企業,該合資企業將先擴大現有的III型壓力容器生產,同時安裝IV型儲罐生產。新的IV型設施生產和建設將于2021年開始,到 2025 年產能將達到 100,000 罐/年。
Iljin Composites因其2021年9月3日在韓國證券交易所KOSPI指數上的公開發行而更名為Iljin Hysolus(韓國Bongdong eup),被稱為韓國唯一的復合材料儲罐生產商和現代Nexo汽車的唯一供應商。據報道,Iljin還為韓國警察、地區和公交系統提供儲罐,并擁有兩個生產基地,一個在全北省,一個在萬州。
在其他值得注意的活動中,Toyoda Gosei(日本 Inabi)為 2021 年的 Toyota Mirai生產第三個儲罐,產能為每年 30,000 個儲罐(豐田為Mirai內部生產前兩輛儲罐)。2021 年在法國,Faurecia完成了對的儲罐制造商 CLD的收購,該公司在遼寧的兩家工廠每年可生產 30,000 個儲罐。
根據分析公司 Integral Co. 2020 年 12 月的“儲氫技術概述”,更喜歡 I 型和 III 型儲罐,制造 III 型的公司很少。然而,需求正在增加。報告作者斯蒂芬妮·奧 (Stephanie Ao) 指出,直到近,才實際上禁止了 IV 型坦克??梢岳斫獾氖牵琁II 型儲罐仍然在 H 2車輛市場占據主導地位,尤其是對于需要 35 MPa/350 bar 的應用。但是,她指出 70 MPa/700 bar III 型儲罐正處于測試驗證的終過程中。III型儲罐的頂級供應商包括CLD(現為佛吉亞所有)以及Beijin Chinatank Industry、Furuise和天海工業。
根據分析公司Integral Co.于2020年12月發布的“儲氫技術概述”,選I型和III型儲氫罐,作者Stephanie Ao指出,III型儲罐仍然在H2車輛市場占據主導地位,特別是對于要求35 MPa的應用。然而,70 MPaIII型儲罐處于測試驗證的終過程中。III型儲罐的頂級供應商包括CLD(現為Faurecia所有)以及Beijin Chinatank Industry、Furuise和天海工業
03 鐵路和公共汽車系統
康明斯在2020年與NPROXX成立50/50合資企業之前,于2019年收購了燃料電池開發商Hydrogenics(加拿大安大略省密西沙加市),據報道,Hydrogenics是機車規模燃料電池的先行者??得魉闺S后于2020年宣布在德國Herten建立一家新工廠,為阿爾斯通(法國巴黎)的H2動力Coradia iLinet列車制造燃料電池系統,該列車已在德國投入使用(下薩克森州的14臺機組今年開始運營,萊茵河主要地區的27臺機組將于2022年投入使用)。iLint也正在奧地利和荷蘭進行測試。

iLint 的續航里程為 1,000 公里,高時速為 140 公里/小時,與當前的區域列車性能相匹配。它的兩輛車單元使用 24 個 IV 型儲罐,這些儲罐安裝在每輛車頂部的屋頂隔間中,該隔間內還裝有燃料電池。Hexagon Composites為其原型列車提供了 H2儲罐,該儲罐基于其 416 毫米直徑、3128 毫米長的重型儲罐,在 350 bar下可容納 300 升/9 公斤氫氣。現在iLint配備了來自 NPROXX 的 350 bar、500 毫米直徑、2,200 毫米長的儲罐。
康明斯還與西門子(德國慕尼黑)合作,西門子在2023-2024年期間在德國多條區域線路上測試其兩輛和三輛Mireo Plus H列車。與此同時,Hexagon Purus正在為Talgo(西班牙馬德里)的Vittal One列車提供IV型H2儲罐,該列車計劃于2023年開始測試。Hexagon Purus還將向Stadler Rail(瑞士Bussnang)提供儲罐,用于其在瑞士建造和測試的列FLIRT列車,然后在2024年轉移到加利福尼亞州的圣伯納迪諾投入使用。
在日本,豐田與日立(東京)和東日本鐵路公司(東京)合作開發了一種兩節車廂列車,續航里程為 140 公里,高時速為 100 公里/小時,H2存儲容量為 5 個700-bar,四個儲物格中的每個儲物格中都有 51 升/2 公斤的儲罐,總共有 40 公斤的 H2. 它將于 2022 年在東京郊區服務中進行測試。也在測試用于城市短途服務的燃料電池有軌電車。這條位于廣東省佛山的示范線由南鐵子公司四方(山東青島)與燃料電池供應商巴拉德電力系統(加拿大本那比)合作開發,使用五輛電車,每輛電車由三輛長125公里的長途汽車組成范圍和高時速 70 公里/小時。每輛電車使用六個 350 bar的儲罐來儲存 104 升/4 公斤的壓縮 H 2氣體。
在貨運列車市場,Sierra Northern Railway(美國加利福尼亞州薩克拉門托市)將在西薩克拉門托港用氫燃料電池機車取代柴油機車,該機車配備巴拉德動力系統的燃料電池和225公斤的儲氫罐。該機車將于2023年開始使用,并在荷蘭皇家殼牌公司(荷蘭海牙)建造的新氫站加油。
巴拉德還為加拿大太平洋(卡爾加里,阿爾伯塔?。└难b了一臺現有的柴油電力長途貨運機車,該機車將于2022年投入使用,這是其hydrail項目的步。改裝機車的使用壽命超過50年,被視為專用液壓火車的可行且經濟高效的替代方案。
氫動力鐵路(客運或貨運)的一個顯著優點是不需要對現有軌道進行改造。相比之下,英國傳統電氣列車的軌道(例如,懸鏈線和第三軌)的充電成本從每公里965000美元到130萬美元不等。Caltrain(美國加利福尼亞州Can Carlos)2017年的一份報告指出,舊金山至圣何塞通勤線路的電氣化使用22列燃料電池列車,包括建造氫氣加油站(HRS)將耗資13億美元,而22列采用架空接觸網(OCS)的傳統列車耗資31億美元-節省18億美元。(編譯來源:CW)










































