每年12月初，Composites World雜志均會撰寫系列文章介紹當年復合材料在不同應用領域如航空航天、體育休閑、壓力容器、可再生能源等的應用新進展情況，并對新一年的發展進行展望。本文先概述了2021年復合材料在壓力容器領域的市場并對2022年進行了展望。

　　
高壓氣體儲存容器是先進復合材料，特別是碳纖維纏繞復合材料的大和增長快的市場之一。雖然它們用于自給式呼吸器，并在航空航天器上提供氧氣和氣體儲存，但主要終端市場用于儲存液態丙烷氣（LPG）、壓縮天然氣（CNG）、可再生天然氣（RNG）和氫氣（H2）。盡管液化石油氣罐可用于汽車，但在發展中，烹飪和取暖市場也在不斷擴大。

CNG、RNG和H2燃料系統越來越多地用于乘用車、公共汽車、卡車和其他車輛，或用于大宗運輸，以供應加氣站或工業場地。在車輛中，這些燃料儲罐是減少或零排放動力系統的關鍵部件，可替代汽油、柴油和噴氣燃料的清潔替代品。這些動力系統還提供了電池驅動車輛的無充電替代方案，其加氣基礎設施和加注時間與化石燃料類似。

　　按照結構原料，壓力容器主要分為以下五種類型：

　　I型：全金屬結構，通常為鋼；

　　II型：主要是金屬結構，并在環向包覆一定玻璃纖維復合材料，其中金屬主要是鋼或鋁，而金屬容器和復合材料分擔的結構載荷大致相等。

　　III型：金屬襯里帶有完整的復合材料外包裝，通常是鋁，帶有碳纖維復合材料；其中碳纖維復合材料承受結構載荷。

　　IV型：全復合結構聚合物（通常為高密度聚乙烯或HDPE）襯里，碳纖維或碳/玻璃纖維混合復合材料；復合材料承擔所有結構載荷。

　　V型：無底襯，全復合材料結構。

　　從歷史上看，I型瓶占據了90%以上的市場份額。然而，隨著使用復合材料減輕重量并提高壓縮氣體儲存效率的III型和IV型容器的銷售增加，這種情況開始發生變化。V型瓶仍然是新生事物，主要用于空間應用，但隨著新的空間工業的發展，這是一個值得關注的領域。例如，2020年4月，美國Infinite Composites Technologies（ICT）公司開發了一個球形V型低溫罐，用于在火箭驅動的空間運載火箭上儲存低溫液體推進劑。無襯里碳纖維/環氧樹脂 Cryosphere 是通過纖維纏繞和工業烘箱固化制造的。

　　市場驅動因素和增長

　　壓力容器市場的壓倒性驅動力是越來越多地致力于減少氣候變化的影響，從化石燃料轉向可再生、減排燃料（如CNG、RNG和H2），目標是到2050年實現零排放。據國際能源機構稱：根據新的報告，各國政府迄今為止做出的氣候承諾即使完全實現，也將遠遠低于到2050年使與能源有關的二氧化碳（CO2）排放量降至零的要求，并使有機會將溫升限制在1.5°C。

　　請注意，除上述承諾外，美國康涅狄格州、馬里蘭州、馬薩諸塞州、新澤西州、紐約州、俄勒岡州、羅德島州、佛蒙特州和華盛頓州已承諾到2050年不再有新的化石燃料乘用車，這些州加上加利福尼亞州、科羅拉多州、夏威夷州、緬因州、北卡羅來納州、俄勒岡州、賓夕法尼亞州和Dist哥倫比亞rict將從2050年起禁止新的化石燃料中型和重型汽車銷售。

　　在2021個專題報告了另一個增長的跡象，“氫氣有助于推動復合材料的增長，第1部分”，即康明斯每年生產1億3000萬個內燃機（ICE），其中許多公共汽車、中型卡車和重型卡車都投入了燃料電池8型卡車和氫燃燒發動機的開發。2021年6月，康明斯表示，這些產品將接近總擁有成本（TCO）。未來的重型運輸將由氫、燃料電池或電池供電，而不是柴油。

　　根據 GANDVIEW 2021的研究報告，2020的天然氣汽車（NGV）銷售額比之前預測的要高：2980萬輛，略高于預計的2440萬，它還預測2021的3100萬量，并在2028年增長到3890萬量，CAGR為3.3%。DataIntelo聲稱I型儲罐約占CNG儲罐市場的55%，II、III和IV型儲罐市場份額分別約為25%、15%和5%。

　　在CW的碳纖維2020大會上，AJR咨詢公司的 Tony Roberts和CarbConsult公司的Dan Pichler預測，復合材料壓力容器中的碳纖維需求將從2021年的13100噸增長2026年的20230噸。這是與 2021 年預計的 106,700 噸碳纖維需求總量相比，預計到 2026 年將達到 169,000 噸。Roberts 和 Pichler 估計壓力容器中的大部分碳纖維將用于移動管道應用（到 2026 年為 6,900 噸）以及公共汽車和卡車（到 2026 年為 6,400 噸）

　　根據作者和行業顧問邁克·法瓦羅羅（Mike Favaloro預測，新的氫能汽車公告以及每 700 bar/5.6 公斤儲氣瓶估計需要 62-72 kg碳纖維，在60%纖維含量下，到2030年，僅儲氫罐中的碳纖維需求量就將達到166650噸。這些汽車預測是保守的，如上表所示，預計只有1%的重型卡車、不到10%的公共汽車和不到1%的汽車使用氫氣。

　　
壓力容器用復合材料

　　用于儲存氫氣的IV型復合材料壓力容器由碳纖維和環氧樹脂纏繞在塑料襯里上制成。高度自動化的交鑰匙儲罐生產線由復合材料設備供應商設計和生產，包括荷蘭Autonational composites B.V.，美國Engineering Technology Corp、麥克萊恩·安德森（美國威斯康星州斯科菲爾德）、美國McClean Anderson和德國Roth Composite Machinery，后者聲稱其新的Rothawin技術已將氫罐生產速度提高了5-10倍。MIKROSAM 聲稱其客戶JSC DPO Plastik（俄羅斯捷爾任斯克），已投產上大的CNG和H2儲罐生產線，每年可纏繞60000個儲罐。

　　Cevotec（德國慕尼黑）報告說，通過在壓力容器的圓頂區域使用其纖維貼片放置（FPP）系統，可以節省20%的材料和周期。Cevotec席執行官解釋說，儲罐中高達700bar的工作壓力轉化為≈10公斤的碳纖維可以儲存1公斤的氫氣，這是一個非常高的比率。然而，FPP將碳纖維應用在精確的補丁中，旨在覆蓋在纖維纏繞過程中有時會出現問題的區域。據說一種 FPP 系統能夠從多臺繞線機加固容器。。

　　盡管大多數用于壓縮氣體儲存的IV型壓力容器使用碳纖維作為結構增強材料，外層為玻璃纖維以防損壞，但挪威Umoe Advanced Composites的IV型儲罐僅使用玻璃纖維。UAC的目標不是車輛，而是天然氣運輸市場，UAC提供200-350巴的模塊，并將在2022年擴大到450-500巴的儲罐。正如UAC席執行官?yvind Hamre所解釋的，玻璃纖維增強聚合物（GFRP）儲罐提供與鋼制儲罐相同的資本支出（CAPEX），但重量減少70%。同時，與碳纖維增強塑料圓筒相比，玻璃纖維增強塑料減少了50%的資本支出，但是重量也更高。

 

H2在多個市場出現增長

　　分銷也是Hexagon PurUS（奧勒松，挪威），NPROXX（海爾倫，荷蘭）的一個關鍵市場，后者現在是康明斯和CimMARON復合材料的50/50合資企業，現在已經被韓國韓華解決方案收購，2021在歐佩萊卡宣布了在阿拉巴馬州歐佩萊卡投資 1.3 億美元新建生產設施。

　　儲氫罐的使用不僅在配送應用中不斷增加，在汽車、卡車、鐵路和海運中也在增加。“歐洲卡車生產的一部分將采用氫動力，”儲罐制造商NPROXX的常務董事兼銷售主管Michael Himmen說。歐洲立法規定，與2019年的水平相比，卡車原始設備制造商必須在2030年之前將其生產車的二氧化碳排放量減少30%。Himmen建議，高達5%的歐洲卡車可能用于H2，總計15000-20000輛/年。他相信這將從2026-2027年開始，每年大約2000輛卡車，并穩步增長。由于每輛車有5-7個IV型儲罐，重型卡車在十年內每年可能需要100000個儲罐，總計需要6000噸碳纖維。
在鐵路方面，阿爾斯通（法國巴黎）的H2動力Coradia iLinet列車已經在德國投入使用；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，它的兩個汽車單元使用24個IV型儲罐，這些儲罐位于每輛汽車頂部的屋頂隔間中，也包含燃料電池。Hexagon Composites根據其416毫米直徑、3128毫米長的重型儲罐為原型列車提供H2儲罐，該儲罐在350巴下可容納300升/9千克氫氣。iLint現在由NPROXX提供350巴、500毫米直徑、2200毫米長的儲罐。

　　其他hydrail開發項目包括西門子（德國慕尼黑）的兩節車廂和三節車廂的Mireo Plus H列車，在2023-2024年間在德國的多條區域線路上進行測試。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。

　　對于海洋，Hexagon2021年6月宣布，將建立一個新的子公司，Hexagon Puruas Maritime。Hexagon Purus的銷售和營銷總監J?rn Helge Dahl解釋說：“我們現在看到，海上對氫氣的需求和活動正在迅速增加。我們認為復合材料是海洋應用的理想存儲解決方案，因為海洋環境惡劣如腐蝕。”Dahl認為，在國際海事組織（IMO，倫敦，英國）設定的目標的推動下，隨著 2030 年的臨近，海洋工業將有越來越多的項目投入使用。這包括所有的新版本和現有船舶在2008年的基礎上必須削減CO2排放量，2030年降低40％和2050年降低70％。

　　在航空航天領域，2019冠狀病毒疾病的驅使下，氫的興趣陡然增加，這是由法國政府將空客公司的CVID-19救援計劃與2035的氫燃料商用飛機推向市場的要求所引發的。2020年夏天，空中客車公司啟動了由三種機型組成的ZEROe計劃，其中后三種機型將用于液態氫儲存，而液態氫需要低溫溫度控制。

　　另一種針對支線渦輪螺旋槳飛機的選擇是由 美國Universal Hydrogen開發的使用 CFRP 框架的雙油箱模塊。Universal Hydrogen公司席技術官J.P.克拉克解釋說：“我們將根據需要向現場提供模塊，因此不需要儲氫基礎設施。模塊被簡單地裝入飛機中，就像電池或廚房用品一樣。”該公司在2021宣布與三個地區航空公司簽署意向書，用H2動力推進系統改造現有渦輪螺旋槳飛機。

　　ZooaVias（Hollister，Calif.，美國）于2021年4月宣布，正在開發50兆瓦（MW）氫動力傳動系統，據報道，該公司 2021 年的 2430 萬美元融資將幫助 ZeroAvia 早在 2024 年實現商業化，并在 2026 年開始為商用支線飛機提供服務。

　　
H2存儲挑戰

　　IV型儲罐也面臨著嚴重的問題。值得注意的是，碳纖維的成本使得這些儲罐非常昂貴。另一個關鍵問題是存儲密度。雖然壓縮氫氣提供的能量是每質量汽油的三倍，但其每體積的能量相當低，需要大型氣缸容納足夠的燃油所需的高壓.氫氣作為低溫液體在-253°C下儲存時，其密度實際上更高，而當儲存在低溫壓縮（CCH2）條件下、溫度為-230°C和300 bar時，其密度高，比700 bar的IV型儲罐高50%。低溫儲罐通常為金屬，使用大量復合材料的產品尚未得到證明，其性能和疲勞壽命已在 IV 型壓縮氣體罐中得到證明，后者擁有超過 25 年的性能數據。。

　　另一個問題是，可能無法及時獲得所需的大量碳纖維，以生產滿足燃料電池汽車（FCV）和基礎設施目標所需的數百萬個儲罐。“獲得足夠的碳纖維是我們主要關注的問題之一，”NPRXX公司的Himmen說，從 2020 年到 2021 年，他公司的業務翻了一番，明年還會再翻一番。“我們不是唯一的一家，我認為Hexagon的增長速度是一樣的。我們需要具有一定質量和性能的特定價格范圍內的碳纖維。”對于IV型儲罐的大多數分析采用東麗T700纖維。強度較低的纖維需要更多的纏繞，并且罐會變厚，這是不可接受的。如果你現在不知道明年的纖維來自哪里，你實際上可能不得不停止生產。”

　　IV型儲罐增長面臨的另一個挑戰是碳纖維和碳纖維增強塑料儲罐成本。新的儲罐制造商和法國汽車一級供應商奧姆尼姆（Lavallois）和佛吉亞（Nanterre）已經制定了到2030年將IV型儲罐成本降低30-75%，同時將儲存效率提高到7%以上的目標。正如5月CW技術日氫氣事件中所述，正在開發新技術來幫助這些努力，從Cevotec（德國Unterhaching）的FPP技術來縮短儲罐穹頂的CFRP時間和成本，到Cygnet Texkimp（諾思維奇，英國）3D纏繞減少纖維損傷，復合材料傳感器集成專家COM和SENS（EKE，比利時）也提出了儲罐原位監測。