Globální cíl dosáhnout nulových emisí do roku 2050 je hnacím motorem rychlého růstu kompozitních tlakových nádob.
obrázek
Kompozitní tlakové nádoby
Vysokotlaké zásobníky plynu jsou jedním z největších a nejrychleji rostoucích trhů pro pokročilé kompozity, zejména kompozity z uhlíkových vláken vinutých do vláken. Ačkoli je lze použít v samostatných dýchacích přístrojích a pro zásobování kyslíkem a plynem pro letecké dopravní prostředky, hlavním koncovým trhem je zkapalněný propanový plyn (LPG), stlačený zemní plyn (CNG), obnovitelný zemní plyn (RNG) a vodík. (H2) skladování. Zatímco láhve na LPG se používají v autech, na trzích vaření a topení v rozvojových zemích po nich roste poptávka.
Palivové systémy, jako je stlačený zemní plyn (CNG), obnovitelný zemní plyn (RNG) a vodík (H2), se stále častěji používají v automobilech, autobusech, dodávkách a dalších „zásobovacích čerpacích stanicích nebo přepravě volně loženého materiálu v průmyslových areálech. palivové nádrže jsou důležitou součástí čistých pohonných jednotek s nulovými emisemi, které snižují nebo nahrazují benzín, naftu a tryskové palivo. Tyto pohonné jednotky také poskytují bezplatnou variantu pro vozidla napájená bateriemi, vyžadující infrastrukturu pro doplňování paliva a doby doplňování paliva podobné tankování fosilních paliv. paliva.
Existuje 5 typů tlakových nádob:
Typ I: Celokovová konstrukce, obvykle ocelová konstrukce.
Typ II: Převážně kov s některými navinutými vlákny, obvykle ocelový nebo hliníkový kov a sklolaminátové kompozity, kovový kontejner sdílí zhruba stejné strukturální zatížení jako kompozit.
Typ III: Kovová vložka je zcela obalena kompozitními materiály, obvykle jsou kolem hliníkové vložky ovinuty kompozitní materiály z uhlíkových vláken a kompozitní materiál nese strukturální zatížení.
Typ IV: Celokompozitová konstrukce, obvykle vnitřní nádrž vyrobená z polyamidu (PA) nebo polyethylenu s vysokou hustotou (HDPE), vnitřní nádrž je navinutá uhlíkovými vlákny nebo kompozitním materiálem smíchaným s uhlíkovými vlákny/skelnými vlákny a kompozit materiál snese všechna konstrukční zatížení.
Typ V: Bezvložková, celokompozitní konstrukce.
Typ I tradičně držel více než 90 procent trhu, ale to bylo umožněno zvýšeným prodejem tlakových nádob typu III a typu IV díky úspoře hmotnosti z kompozitních materiálů a zlepšené účinnosti skladování stlačeného plynu Začalo se měnit. Typ V je stále v plenkách a vyhovuje především potřebám vesmírných aplikací. S rozvojem nového kosmického průmyslu je to typ produktu hodný pozornosti. Například v dubnu 2020 vyvinula americká společnost Infinite Composites Technologies (ICT) sférickou kryogenní nádrž ve tvaru písmene V, která se používá ke skladování kryogenních kapalných pohonných hmot na raketách poháněných kosmických nosných raketách. Tato bezvložková epoxidová kryosférická nádrž z uhlíkových vláken se vyrábí navíjením vláken a procesem vytvrzování v průmyslové peci.
Tržní hnací síly a tempa růstu
Hlavním hnacím motorem tohoto trhu je rostoucí globální závazek snížit dopad na klima přechodem z fosilních paliv na obnovitelná paliva snižující emise, jako je CNG, RNG a H2, aby bylo do roku 2050 dosaženo nulových emisí. Podle nové zprávy Mezinárodní energetické agentury „Čisté nulové emise do roku 2050: Plán pro globální energetický sektor“: Závazky v oblasti klimatu, které vlády dosud přijaly, pokud budou plně splněny, zdaleka nedosahují cíle do roku 2050. čisté globální emise CO2 související s energií na nulu místo toho poskytují světu příležitost omezit nárůst globální teploty na 1,5 stupně.
Stojí za zmínku, že kromě výše uvedených závazků se americké státy Connecticut, Maryland, Massachusetts, New Jersey, New York, Oregon, Rhode Island, Vermont a Washington již zavázaly, že mezitím nebudou vyrábět nové osobní automobily na fosilní paliva. , připojit se ke Kalifornii, Coloradu, Havaji, Maine, Severní Karolíně, Oregonu, Pensylvánii a District of Columbia a zakázat prodej nových středních a těžkých vozidel na fosilní paliva.
Dalším znakem růstu je americká společnost Cummins Inc., která vyrábí 130 milionů spalovacích motorů (ICE) ročně, z nichž mnohé se používají v autobusech a středně těžkých a těžkých nákladních vozidlech, a investovala do vývoje třídy Dodávka s 8 palivovými články a motor na vodík. V červnu 2021 Cummins uvedl, že do konce tohoto století se tyto produkty přiblíží celkovým nákladům na vlastnictví (TCO) dieselového motoru a že budoucí těžká doprava bude poháněna vodíkem, palivovými články nebo bateriemi spíše než naftou.
Globální prodeje vozidel na zemní plyn (NGV) v roce 2020 byly vyšší, než se původně předpokládalo: podle Grandview Research Report z roku 2021 se skutečně prodalo 29,8 milionu kusů oproti předpokládaným 24,4 milionu. Zpráva také předpovídá, že prodej v roce 2021 bude přibližně 31 milionů kusů a v roce 2028 se zvýší na 38,9 milionů kusů, čímž dosáhne složené roční míry růstu (CAGR) 3,3 procenta. DataIntelo tvrdí, že na trhu s CNG plavidla představují plavidla typu I přibližně 55 procent trhu, zatímco plavidla typu II, typu III a typu IV představují přibližně 25 procent, 15 procent a 5 procent trhu.
Tony Roberts z AJR Consulting a Dan Pichler z CarbConsult předpověděli, že poptávka po uhlíkových vláknech v kompozitních tlakových nádobách vzroste z 13 100 t v roce 2021 na 20 230 t v roce 2026 a celková poptávka po uhlíkových vláknech v roce 2021 se očekává na 106 700 t. Níže se očekává, že celková poptávka po uhlíkových vláknech dosáhne v roce 2026 169{10}}t. Roberts a Pichler odhadují, že většina uhlíkových vláken používaných v tlakových nádobách půjde do mobilních potrubí (6900 t v roce 2026) a autobusů a dodávky (6400 t v roce 2026).
Kromě toho, podle uvedení nových vozidel na vodíkový pohon po celém světě se odhaduje, že každá 700barová vodíková nádrž obsahující 60 procent vláken a vážící 5,6 kg využije 62-72kg uhlíkových vláken. Do roku 2030 budou uhlíková vlákna potřebovat pouze vodíkové skladovací nádrže. Objem dosáhne 166650t. Projekce pro tato vozidla jsou však konzervativní, přičemž se očekává, že vodík bude používat pouze 1 procento těžkých nákladních vozidel, méně než 10 procent autobusů a méně než 1 procento automobilů.
Použití kompozitních materiálů pro tlakové nádoby
Kompozitní tlakové nádoby typu IV pro skladování vodíku se vyrábějí navinutím uhlíkových vláken kolem plastové vložky a nanesením epoxidové pryskyřice. Dodavatelé vybavení z kompozitních materiálů, kteří navrhují a vyrábějí vysoce automatizované výrobní linky na skladování vodíkových nádrží na klíč, zahrnují: Autonational Composites v Nizozemí, Engineering Technology ve Spojených státech, McClean Anderson ve Spojených státech, MIKROSAM v Makedonii a Roth Composite Machinery v Německu. tvrdí, že výroba zásobníků vodíku může být díky nové technologii Rothawin pětkrát až desetkrát rychlejší. MIKROSAM tvrdí, že jeho zákazník, ruská společnost JSC DPO Plastik, použil největší výrobní linku na světě na výrobu kontejnerů CNG a zásobníků vodíku, které jsou schopné navinout 60000 kontejnerů ročně.
Německá společnost Cevotec říká, že může ušetřit 20 procent materiálu a 20 procent doby cyklu použitím systému FPP Patch Placement (FPP) v oblasti kupole tlakové nádoby. Generální ředitel společnosti Cevotec vysvětlil, že pro uložení 1 kg vodíku je pracovní tlak v nádobě až 700 barů, což znamená, že je potřeba asi 10 kg uhlíkových vláken, což je velmi vysoký poměr. Systém FPP je schopen přesně aplikovat pečlivě navržené záplaty z uhlíkových vláken na oblasti, které někdy představují problémy během procesu navíjení. Říká se, že jediný systém FPP může vyztužit nádoby z více navíjecích strojů.
Zatímco většina tlakových nádob typu IV používaných pro skladování stlačeného plynu používá uhlíková vlákna pro strukturální vyztužení a skleněné vlákno pro vnější vrstvu, aby se zabránilo poškození, norská společnost Umoe Advanced Composites (UAC) používá pro své nádoby typu IV pouze skleněná vlákna. UAC nabízí 200-350 barové lodě pro trh přepravy zemního plynu spíše než pro automobilový trh a v roce 2022 rozšíří své produktové portfolio o 450-500 barové lodě. Jak uvedl generální ředitel UAC Øyvind Hamre, skleněná vlákna -Nádoby z vyztuženého polymeru (GFRP) stojí stejně jako ocelové nádoby, ale jsou o 70 procent lehčí. Ve srovnání s CFRP kontejnery jsou sice GFRP kontejnery těžší, ale snižují náklady o 50 procent.
obrázek
Nádoby typu IV vyrobené z kompozitů vyztužených skelnými vlákny jsou levnější než kompozity z uhlíkových vláken a lehčí než ocelové nádoby (obrázek přes Umoe Advanced Composites)
Zásobníky vodíku na mnoha trzích
Pro Hexagon Purus v Norsku a NPROXX v Nizozemsku (společný podnik Cummins a Cimmaron Composites ve Spojených státech v poměru 50:50 jej získala společnost Hanwha v Jižní Koreji. Společnost v roce 2021 oznámila, že investuje 130 milionů amerických dolarů v Alabě, USA Distribuce je také důležitým trhem pro výstavbu nového výrobního závodu v Opelice, MA.
Aplikace zásobníků vodíku zaznamenala růst nejen na distribučním trhu, ale také v oblasti osobních, nákladních automobilů, železniční a námořní dopravy. „Některé dodávky vyrobené v Evropě budou poháněny vodíkem,“ řekl Michael Himmen, výkonný ředitel a vedoucí prodeje společnosti NPROXX, výrobce nádrží na skladování vodíku. Podle evropských předpisů musí výrobci OEM nákladních vozidel do roku 2030 zajistit snížení emisí CO2 jejich nákladních vozidel v průměru o 30 procent ve srovnání s úrovněmi v roce 2019. Podle Himmenova návrhu může 5 procent evropských nákladních vozidel využívat vodíkovou energii, což znamená, že každý rok bude potřeba celkem 15000 až 20000 nákladních vozidel na vodíkový pohon. Je si jistý, že 2000 dodávky na vodíkový pohon by mohly být vyrobeny za rok počínaje 2026-27 a odtamtud budou postupně růst. Pokud je každé vozidlo vybaveno 5 až 7 zásobníky vodíku typu IV, mohou těžká nákladní vozidla do 10 let potřebovat 100000 zásobníků vodíku a 6000 tun uhlíkových vláken ročně.
Pokud jde o železnice, v Německu byly uvedeny do provozu vlaky Alstom Coradia iLint na vodíkový pohon. 14 vlaků do Dolního Saska začalo jezdit v roce 2021 a 27 vlaků do hlavního regionu Porýní začne v roce 2022. let do provozu. Vlaky iLint se navíc v současnosti testují v Rakousku a Nizozemsku. Dva vozy vlaku používají 24 nádrží na vodík typu IV, které jsou umístěny ve střešních oddílech na vrcholu každého vozu, které také obsahují palivové články. Společnost Hexagon Composites dodala vodíkovou zásobní nádrž pro prototyp vlaku na základě své vysokovýkonné zásobní nádrže o průměru 416 mm a délce 3128 mm, která pojme 300 l nebo 9 kg vodíku při tlaku 350 barů. Nyní NPROXX poskytuje pro vlaky iLint zásobníky na vodík o průměru 500 mm, délce 2200 mm a skladovacím tlaku 350 barů.
obrázek
Alstom prodal 41 vlaků Coradia iLint na vodíkový pohon a testuje další (obrázek přes Alstom)
obrázek
Francouzská železniční společnost SNCF objednala 12 regionálních regionálních vlaků Coradia Polyvalent Coradia Polyvalent poháněných vodíkem (obrázek přes Alstom)
obrázek
Alstom spolupracuje s Eversholt Rail ve Spojeném království na přeměně elektrických vlaků na vlaky Breeze s vodíkovým pohonem (obrázek přes Alstom)
Mezi další vývoj související s vlaky na vodíkový pohon patří: vlak Mireo Plus H se 2 a 3 vozy vyvinutý německým Siemensem, který bude testován v několika regionech Německa během 2023-2024. Mezitím Hexagon Purus dodává zásobníky vodíku typu IV pro vlaky Vittal-One, které španělské Talgo začne testovat v roce 2023. Hexagon Purus také dodá zásobníky vodíku společnosti Swiss Stadler Rail pro svůj první vlak FLIRT vyrobený a testovaný ve Švýcarsku, který vstoupí do služby v San Bernardino, Kalifornie, USA v roce 2024.
obrázek
Siemens vyvíjí vlak Mireo Plus H pro testování v 2023-2024 (obrázek od Siemens)
Pokud jde o přepravu, společnost Hexagon Purus v červnu 2021 oznámila, že založí novou dceřinou společnost Hexagon Purus Maritime. „Nyní jsme svědky rychlého nárůstu poptávky a akcí po vodíku na námořním trhu,“ vysvětluje Jørn Helge Dahl, ředitel prodeje a marketingu společnosti Hexagon Purus. Aplikace pro ukládání dat na moři poskytují ideální řešení." Dahl věří, že s blížícím se rokem 2030 bude námořní průmysl do tohoto odvětví investovat stále více projektů, které budou řízeny cíli stanovenými Mezinárodní námořní organizací (IMO, Londýn, Spojené království). : Všechny nové i stávající lodě musí snížit emise CO2 o 40 procent do roku 2030 a o 70 procent do roku 2050 ve srovnání s rokem 2008.
V letectví došlo v roce 2020 k náhlému nárůstu zájmu o vodík, protože francouzská vláda zachránila Airbus kvůli dopadu pandemie COVID-19 a požadovala, aby do roku 2035 uvedl na trh komerční letadla na vodíkový pohon. V létě 2020 Airbus zahájil svůj projekt ZEROe se třemi modely letadel, z nichž zadní 1/3 slouží k ukládání kapalného vodíku a vyžadují kryogenní kontrolu.
Další možností pro regionální turbovrtuly je dvoutankový modul vyvinutý americkou společností Universal Hydrogen, který využívá rám z CFRP. "Moduly poskytujeme na vyžádání, takže není potřeba skladovací zařízení vodíku," vysvětlil JP Clarke, technický ředitel společnosti Universal Hydrogen. "Tyto moduly lze naložit do letadla jednoduchým způsobem, stejně jako baterie nebo kuchyňské zásoby." Společnost byla oznámena v roce 2021 a podepsala prohlášení o záměru se třemi regionálními leteckými společnostmi na modernizaci pohonných systémů na vodíkový pohon pro stávající turbovrtulová letadla.
Americká společnost ZeroAvia v dubnu 2021 oznámila, že vyvíjí 2-sedačku pro 50-místní regionální tryskové letadlo.
MW vodíkových elektrických pohonů. Společnost v roce 2021 dokončila financování ve výši 24,3 milionů USD, což jí pomůže dosáhnout komercializace v roce 2024 a v roce 2026 začít sloužit civilním regionálním letadlům.
Výzvy skladování vodíku
Závažným problémům čelí také kontejnery typu IV. Nejpozoruhodnější je, že náklady na uhlíková vlákna činí tyto nádoby velmi drahými. Dalším klíčovým problémem je hustota úložiště. Zatímco stlačený vodík poskytuje třikrát více energie na hmotnost benzínu, jeho energie na objem je podstatně nižší, což vyžaduje velké nádoby, aby vydržely vysoké tlaky potřebné k uložení dostatečného množství paliva. Vodík ve skutečnosti nabízí vyšší hustotu jako kryogenní kapalina, když je skladován při -253 stupních , zatímco při skladování v kryogenní kompresní nádrži (CCH2) při -230 stupních, 300 barech, má vodík vyšší hustotu než při skladování při tlaku 700 bar o 50 procent vyšším v nádobách typu IV. Kryogenní nádrže jsou obecně kovové a u kryogenních nádrží vyrobených z více kompozitních materiálů nebylo dosud prokázáno, že mají přesně stejný výkon a únavovou životnost jako u nádob na stlačený plyn typu IV, což jsou údaje o výkonnosti shromážděné za 25 let.
Dalším problémem je, že výroba milionů nádrží na skladování vodíku, které jsou nutné pro splnění cílů v oblasti vozidel s palivovými články (FCV) a požadavků na infrastrukturu, nemusí být včas k dispozici pro velké množství požadovaných uhlíkových vláken. "Dostatek uhlíkových vláken je jedním z našich hlavních zájmů." Himmen z NPROXX uvedl, že výkonnost společnosti ve fiskálním roce 2020-2021 se zdvojnásobila a bude se zdvojnásobovat i v příštím fiskálním roce. "Nejsme sami, myslím, že Hexagon roste stejným tempem. Potřebujeme uhlíková vlákna s určitou kvalitou a výkonem za určitou cenu." V současné době většina nádob typu IV používá vlákno Toray T700 (pevnost v tahu 4900 MPa, modul 230 MPa) nebo podobná vlákna. "Vlákno není dostatečně pevné, což znamená, že je potřeba ho ještě párkrát namotat, čímž se nádoba zvětší, což je nepřijatelné. Pokud teď nevíte, odkud se vaše vlákno příští rok vezme, možná budete mít zastavit výrobu."
Další velkou výzvou pro plavidla typu IV jsou náklady na plavidla z uhlíkových vláken a CFRP. Noví výrobci plavidel a francouzští dodavatelé automobilového průmyslu Tier 1 Plastic Omnium a Faurecia si stanovili cíle snížit náklady na nádrže na vodík typu IV do roku 2030 o 30 až 75 procent a zároveň zvýšit efektivitu skladování. nárůst o více než 7 procent . Za tímto účelem jsou neustále zaváděny nové technologie, od technologie FPP, kterou používá Cevotec v Německu ke zkrácení času a nákladů na CFRP balení kopulí kontejnerů, až po technologii 3D navíjení, kterou uvedla společnost Cygnet Texkimp ve Spojeném království ke snížení poškození vláken, Technologie detekce kontejnerů in-situ spuštěná společností Com&Sens, specialistou na integraci senzorů kompozitních materiálů, Belgie.
