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        壓力容器領域用復合材料2022年市場回顧及2023年市場展望
        發布時間:2023-01-12
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        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最大和增長最快的市場之一。它的主要終端市場用于儲存液化丙烷氣(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,但在發展中國家,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,或用于散裝運輸/配送(也稱為移動管道),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,是汽油、柴油和噴氣燃料的清潔替代品。這些動力系統還為電池驅動車輛提供了一種無需充電的替代方案,該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,一般為鋼結構;

        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:無襯里,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型仍處于起步階段,主要用于空間應用,但隨著新空間產業的發展,V型是一個值得關注的領域。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

         

        壓力容器市場的主要驅動力是全球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年使全球與能源有關的二氧化碳(CO2)排放量降至零的要求,并使世界有機會將全球溫升限制在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承諾到2050年不再生產新的化石燃料乘用車,這些州以及加利福尼亞州、科羅拉多州、夏威夷州、緬因州、北卡羅來納州、俄勒岡州、賓夕法尼亞州和哥倫比亞特區將從2050年起禁止新的化石燃料中型和重型汽車銷售。

         

        新興氫經濟

         

        壓力容器市場發展最快的板塊是儲氫。疫情過后,北美、歐洲和中國在減少交通應用中的碳排放方面重新燃起了監管興趣。在美國,大部分脫碳工作都是由加利福尼亞州推動的,該州已制定了相關政策,計劃到2035年禁止銷售燃氣汽車。這一舉措和其他努力導致汽車和卡車制造商公開地推出新的電池電動汽車(BEV)系列。

         

        然而,純電動汽車也面臨著自身的挑戰,即:難以獲得電池所需的一些稀土金屬、電池充電時間長以及缺乏公共基礎設施。后者將在拜登政府的《基礎設施投資和就業法案》(Infrastructure Investment and Jobs Act)中得到部分解決,該法案在未來十年提供1萬億美元的公共基礎設施投資。

         

        電池充電技術正在快速發展,而且只會變得越來越容易和更快,但金屬資源的挑戰并不容易解決。正因為如此,運輸行業的一些部門已經轉向氫燃料電池(HFC)系統,將其作為更可持續的替代方案。

         

        氫氟碳化合物有幾個優點,首先,它們可以在加氫站(HFS)使用,加氫站的泵和噴嘴技術與加油站的非常相似;第二,HFC工藝的唯一排放物是水;第三,最終可以使用最小化碳化的方法生產氫,即“綠色”氫。

         

        雖然綠色氫技術仍在開發中,但其可行性正在幫助氫氟碳化合物經濟的快速發展,特別是在輕型、中型和重型卡車、公共汽車、火車、船舶,以及一些客運車輛;航空航天也有望采用氫氣作為燃燒燃料。

         

        這種市場擴張增加了對氫氣儲存和分配的需求。與汽油一樣,氫氣的儲存主要在車輛上完成,并通過一系列碳纖維/環氧樹脂外包裝的壓力容器實現。車輛越大,需要的壓力容器越多。氫氣的分配主要通過在牽引車拖車上的多個復合壓力容器中運輸來實現。

         

        氫的能量密度,以質量為基礎,幾乎是汽油的三倍。然而,在體積基礎上,情況正好相反,汽油的能量密度是氫氣的四倍。因此,氫氣最好以液體形式儲存,以使其能量密度最大化。但將氫作為液體儲存需要低溫,這并不容易實現,也不便宜。因此,目前,氫氣以氣體的形式儲存是最有效的,通常在350-700巴范圍內壓縮使用。

         

        氫燃料電池汽車(HFCV)的續航里程取決于它能儲存氫氣的總質量,而質量容量則取決于壓力容器的大小和氣體的壓力。例如,2022款豐田Mirai HFCV有三個142升IV型儲罐,每個儲罐的最大壓力額定值為700巴,氫氣質量容量為5.6千克。每輛車的總氫氣容量為16.8千克,續航里程為360英里??ㄜ?、公共汽車和其他大型車輛上的儲氫罐更大,儲罐數量也更大。

         

        壓力容器經濟性

         

        碳纖維/環氧樹脂壓力容器采用濕法或預浸纖維纏繞制造。好消息是,纖維纏繞可以相對容易地實現自動化,因此提高生產能力將是非常容易的。壞消息是,氫壓力容器所需的碳纖維類型相對昂貴,目前還沒有適合需求的批量生產。

         

        氫壓力容器選用的碳纖維是美國東麗復合材料公司((Toray Composite Materials America)的T700S,這是一種標準模量(SM)纖維,所有主要碳纖維制造商都提供類似的碳纖維,包括美國Hexcel、日本三菱Mitsubishi Group、日本帝人Teijin、德國SGL Carbon等。

         

        每個儲罐的碳纖維使用量取決于儲罐的容量和額定壓力,但一個很好的經驗法則是,在700巴的條件下,每儲存1公斤氫氣需要10公斤碳纖維。因此,一個能在700巴壓強下容納5公斤氫氣的儲罐需要50公斤碳纖維。

         

        這個市場的最終挑戰可能是可靠的碳纖維供應。目前有九家主要的碳纖維儲氫壓力容器制造商:Faurecia、Hanwha Cimmaron、Hexagon Composites、Hexagon-Purus、Iljin Hysolus、NPROXX、Plastic Omnium、Toyota和Toyoda Gosei。所有公司都計劃在未來五年內不同程度地擴大儲罐生產。據估計,到2025年,氫氣儲氫總市場可能接近50萬個碳纖維復合材料儲罐,滿足這個市場的需求可能是一個挑戰。

         

        碳纖維制造是資本密集型且極其昂貴的,一條碳纖維生產線需要大約1億美元的投資和兩年的建設時間。正因為如此,碳纖維生產商在沒有令人信服的商業理由的情況下,不愿投資新的產能。在某些情況下,當需求較高時,碳纖維客戶需要作出合同承諾來證明碳纖維生產企業的成本是合理的。

         

        氫氣市場正處于快速成熟的早期階段,因此碳纖維制造商將如何應對儲罐生產商發出的需求信號仍有待觀察。當然,碳纖維制造商還有其他市場需要監控,包括風能、航空航天和汽車,所有這些都在施加自己的需求壓力。(來源:碳纖維及其復合材料技術)

         

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