Mục tiêu toàn cầu đạt được mức phát thải bằng 0 vào năm 2050 đang thúc đẩy sự tăng trưởng nhanh chóng của các bình chịu áp lực composite.
hình ảnh
Bình chịu áp lực tổng hợp
Bình chứa khí áp suất cao là một trong những thị trường lớn nhất và phát triển nhanh nhất đối với vật liệu tổng hợp tiên tiến, đặc biệt là vật liệu tổng hợp sợi carbon quấn dây tóc. Mặc dù chúng có thể được sử dụng trong các thiết bị thở khép kín và để cung cấp khí oxy và khí cho các phương tiện hàng không vũ trụ, nhưng thị trường cuối cùng chính là khí propan hóa lỏng (LPG), khí tự nhiên nén (CNG), khí tự nhiên tái tạo (RNG) và hydro (H2) lưu trữ. Trong khi các bình LPG được sử dụng trong ô tô, thì nhu cầu về chúng ngày càng tăng đối với thị trường nấu ăn và sưởi ấm ở các nước đang phát triển.
Các hệ thống nhiên liệu như khí tự nhiên nén (CNG), khí tự nhiên tái tạo (RNG) và hydro (H2) ngày càng được sử dụng nhiều hơn trong ô tô, xe buýt, xe tải và các "Trạm xăng tiếp tế hoặc vận chuyển số lượng lớn tại các khu công nghiệp. Trong các ứng dụng phương tiện, những hệ thống này thùng chứa nhiên liệu là một phần quan trọng của hệ truyền động sạch, không phát thải giúp giảm hoặc thay thế xăng, dầu diesel và nhiên liệu máy bay. Các hệ truyền động này cũng cung cấp tùy chọn miễn phí cho các phương tiện chạy bằng pin, yêu cầu cơ sở hạ tầng tiếp nhiên liệu và thời gian tiếp nhiên liệu tương tự như tiếp nhiên liệu hóa thạch nhiên liệu.
Có 5 loại bình tích áp:
Loại I: Tất cả các công trình bằng kim loại, thường là thép xây dựng.
Loại II: Chủ yếu là kim loại với một số sợi quấn vòng, thường là thép hoặc kim loại nhôm và vật liệu tổng hợp sợi thủy tinh, hộp kim loại chia sẻ tải trọng kết cấu gần giống như vật liệu composite.
Loại III: Lớp lót kim loại được bọc hoàn toàn bằng vật liệu composite, thường là vật liệu composite sợi carbon được bọc xung quanh lớp lót nhôm và vật liệu composite chịu tải kết cấu.
Loại IV: Cấu trúc hoàn toàn bằng composite, thường là bình chứa bên trong làm bằng polyamit (PA) hoặc polyetylen mật độ cao (HDPE), bình chứa bên trong được quấn bằng sợi carbon hoặc vật liệu composite trộn với sợi carbon/sợi thủy tinh và composite vật liệu chịu tất cả các tải kết cấu.
Loại V: Cấu trúc hoàn toàn bằng composite, không có lớp lót.
Theo truyền thống, Loại I chiếm hơn 90% thị trường, nhưng điều này đã có thể thực hiện được nhờ doanh số bán bình chịu áp lực Loại III và Loại IV tăng lên do tiết kiệm trọng lượng từ vật liệu composite và hiệu quả lưu trữ khí nén được cải thiện Bắt đầu thay đổi. Loại V vẫn còn sơ khai và chủ yếu đáp ứng nhu cầu của các ứng dụng không gian. Với sự phát triển của ngành công nghiệp vũ trụ mới, đây là một loại sản phẩm đáng được quan tâm. Ví dụ: vào tháng 4 năm 2020, công ty Infinite Composites Technologies (ICT) của Hoa Kỳ đã phát triển một bể đông lạnh hình cầu hình chữ V được sử dụng để chứa chất đẩy lỏng đông lạnh trên các phương tiện phóng vào không gian chạy bằng tên lửa. Bể đông lạnh epoxy sợi carbon không có lớp lót này được sản xuất bằng quy trình đóng rắn bằng dây tóc và lò công nghiệp.
Trình điều khiển thị trường và tỷ lệ tăng trưởng
Động lực chính của thị trường này là cam kết toàn cầu ngày càng tăng nhằm giảm tác động đến khí hậu bằng cách chuyển từ nhiên liệu hóa thạch sang nhiên liệu tái tạo, giảm phát thải như CNG, RNG và H2 để đạt được mức phát thải bằng 0 vào năm 2050 . Theo một báo cáo mới của Cơ quan Năng lượng Quốc tế, "Không phát thải ròng vào năm 2050: Lộ trình cho ngành năng lượng toàn cầu": Các cam kết về khí hậu mà các chính phủ đã đưa ra cho đến nay, nếu được thực hiện đầy đủ, sẽ không đạt được mục tiêu đến năm 2050 là giảm Thay vào đó, lượng khí thải CO2 toàn cầu liên quan đến năng lượng ròng giảm xuống mức 0, thay vào đó mang đến cho thế giới cơ hội hạn chế mức tăng nhiệt độ toàn cầu ở mức 1,5 độ .
Điều đáng nói, ngoài các cam kết trên, các bang Connecticut, Maryland, Massachusetts, New Jersey, New York, Oregon, Rhode Island, Vermont và Washington của Hoa Kỳ đã cam kết không sản xuất ô tô chở khách sử dụng nhiên liệu hóa thạch mới, trong khi đó , cùng với California, Colorado, Hawaii, Maine, North Carolina, Oregon, Pennsylvania và District of Columbia cấm bán các loại xe hạng trung và hạng nặng mới chạy bằng nhiên liệu hóa thạch.
Trong một dấu hiệu tăng trưởng khác, Cummins Inc. có trụ sở tại Hoa Kỳ, nơi sản xuất 130 triệu động cơ đốt trong (ICE) mỗi năm, nhiều động cơ trong số đó được sử dụng trên xe buýt và xe tải hạng trung và hạng nặng, đã đầu tư vào việc phát triển một Loại 8 van pin nhiên liệu và động cơ chạy bằng nhiên liệu hydro. Vào tháng 6 năm 2021, Cummins cho biết rằng vào cuối thế kỷ này, những sản phẩm này sẽ đạt tổng chi phí sở hữu (TCO) của động cơ diesel và phương tiện vận chuyển hạng nặng trong tương lai sẽ chạy bằng hydro, pin nhiên liệu hoặc pin thay vì dầu diesel.
Doanh số bán xe chạy bằng khí đốt tự nhiên (NGV) toàn cầu vào năm 2020 cao hơn so với dự báo trước đó: 29,8 triệu chiếc đã thực sự được bán so với 24,4 triệu chiếc dự báo, theo Báo cáo nghiên cứu năm 2021 của Grandview. Báo cáo cũng dự đoán rằng doanh số bán hàng năm 2021 sẽ vào khoảng 31 triệu chiếc và sẽ tăng lên 38,9 triệu chiếc vào năm 2028, đạt tốc độ tăng trưởng kép hàng năm (CAGR) là 3,3%. DataIntelo tuyên bố rằng trong thị trường tàu CNG, tàu Loại I chiếm khoảng 55% thị trường, trong khi tàu Loại II, Loại III và Loại IV lần lượt chiếm khoảng 25%, 15% và 5% thị trường.
Tony Roberts của AJR Consulting và Dan Pichler của CarbConsult dự đoán rằng nhu cầu về sợi carbon trong bình chịu áp lực composite sẽ tăng từ 13.100 tấn vào năm 2021 lên 20.230 tấn vào năm 2026 và tổng nhu cầu về sợi carbon vào năm 2021 dự kiến là 106.700 tấn. Dưới đây, tổng nhu cầu về sợi carbon dự kiến sẽ đạt 169,{10}}t vào năm 2026. Roberts và Pichler ước tính rằng hầu hết sợi carbon được sử dụng trong bình chịu áp lực sẽ được đưa vào đường ống di động (6900 tấn vào năm 2026) và xe buýt và xe tải (6400t vào năm 2026).
Ngoài ra, theo việc phát hành các phương tiện sử dụng nhiên liệu hydro mới trên khắp thế giới, người ta ước tính rằng mỗi thùng chứa hydro 700bar chứa 60% chất xơ và nặng 5,6kg sẽ sử dụng 62-72kg sợi carbon. Đến năm 2030, chỉ những bể chứa hydro mới cần sợi carbon. Khối lượng sẽ đạt 166650t. Tuy nhiên, các dự đoán về những phương tiện này còn khá thận trọng, chỉ có 1% phương tiện chở hàng nặng, dưới 10% xe buýt và dưới 1% ô tô dự kiến sử dụng hydro.
Sử dụng vật liệu composite cho bình chịu áp lực
Bình chịu áp lực hỗn hợp loại IV để lưu trữ hydro được chế tạo bằng cách quấn sợi carbon quanh lớp lót nhựa và bôi nhựa epoxy. Các nhà cung cấp thiết bị vật liệu composite thiết kế và sản xuất dây chuyền sản xuất bể chứa hydro chìa khóa trao tay tự động hóa cao bao gồm: Autonational Composites ở Hà Lan, Engineering Technology ở Hoa Kỳ, McClean Anderson ở Hoa Kỳ, MIKROSAM ở Macedonia và Roth Composite Machinery ở Đức, The after tuyên bố rằng việc sản xuất các bể chứa hydro có thể được thực hiện nhanh hơn từ năm đến mười lần với công nghệ Rothawin mới của mình. MIKROSAM tuyên bố rằng khách hàng của họ, Công ty cổ phần DPO Plastik của Nga, đã sử dụng dây chuyền sản xuất lớn nhất thế giới để sản xuất thùng chứa CNG và bể chứa hydro, có khả năng quấn 60000 thùng chứa mỗi năm.
Công ty Cevotec của Đức cho biết họ có thể tiết kiệm 20% vật liệu và 20% thời gian chu kỳ bằng cách sử dụng hệ thống Đặt miếng vá sợi (FPP) trong khu vực mái vòm của bình chịu áp lực. CEO của Cevotec giải thích rằng để chứa được 1kg hydro, áp suất làm việc trong bình chứa lên tới 700 bar, tức là cần khoảng 10kg sợi carbon, đây là một tỷ lệ rất cao. Hệ thống FPP có thể áp dụng chính xác các miếng vá sợi carbon được thiết kế cẩn thận cho các khu vực đôi khi có vấn đề trong quá trình cuộn dây. Người ta nói rằng một hệ thống FPP duy nhất có thể củng cố các thùng chứa từ nhiều máy cuộn.
Trong khi hầu hết các bình chịu áp lực Loại IV được sử dụng để chứa khí nén sử dụng sợi carbon để gia cố cấu trúc và sợi thủy tinh cho lớp bên ngoài để tránh hư hỏng, Umoe Advanced Composites (UAC) của Na Uy chỉ sử dụng sợi thủy tinh cho các bình Loại IV của mình. UAC cung cấp bình thanh 200-350 cho thị trường vận chuyển khí đốt tự nhiên thay vì thị trường ô tô và sẽ mở rộng danh mục sản phẩm của mình để bao gồm bình thanh 450-500 vào năm 2022. Như Giám đốc điều hành UAC Øyvind Hamre đã tuyên bố, sợi thủy tinh -bình polyme gia cố (GFRP) có giá tương đương bình thép, nhưng nhẹ hơn 70 phần trăm. So với thùng chứa CFRP, mặc dù thùng chứa GFRP nặng hơn nhưng chúng giảm 50% chi phí .
hình ảnh
Tàu loại IV làm bằng composite cốt sợi thủy tinh rẻ hơn composite sợi carbon và nhẹ hơn tàu thép (ảnh qua Umoe Advanced Composites)
Bể chứa hydro ở nhiều thị trường
Đối với Hexagon Purus ở Na Uy và NPROXX ở Hà Lan (một liên doanh 50:50 giữa Cummins và Cimmaron Composites ở Hoa Kỳ, đã được Hanwha ở Hàn Quốc mua lại. Công ty đã công bố vào năm 2021 rằng họ sẽ đầu tư 130 triệu đô la Mỹ ở Alaba, USA Phân phối cũng là một thị trường quan trọng để xây dựng nhà máy sản xuất mới ở Opelika, MA.
Ứng dụng của bể chứa hydro không chỉ tăng trưởng trong thị trường phân phối mà còn trong lĩnh vực ô tô, xe tải, vận tải đường sắt và vận tải biển. Michael Himmen, giám đốc điều hành kiêm trưởng bộ phận kinh doanh của NPROXX, nhà sản xuất bình chứa hydro, cho biết: “Một số xe tải được chế tạo ở châu Âu sẽ chạy bằng hydro. Theo quy định của châu Âu, đến năm 2030, các OEM xe tải phải đảm bảo rằng lượng khí thải CO2 từ xe tải của họ giảm trung bình 30% so với mức của năm 2019. Theo đề xuất của Himmen, 5% xe tải châu Âu có thể sử dụng năng lượng hydro, có nghĩa là sẽ cần tổng cộng 15,000 đến 20,000 xe tải chạy bằng hydro mỗi năm. Anh ấy chắc chắn rằng 2,000 xe tải chạy bằng hydro có thể được chế tạo trong một năm bắt đầu từ 2026-27 và tăng trưởng đều đặn từ đó. Nếu mỗi phương tiện được trang bị từ 5 đến 7 thùng chứa hydro Loại IV, thì trong vòng 10 năm, xe tải hạng nặng có thể cần 100000 thùng chứa hydro và 6000 tấn sợi carbon mỗi năm.
Về đường sắt, đoàn tàu chạy bằng hydro Coradia iLint của Alstom đã được đưa vào sử dụng ở Đức. 14 chuyến tàu đến Lower Saxony đã bắt đầu chạy vào năm 2021 và 27 chuyến tàu đến khu vực chính của sông Rhine sẽ bắt đầu vào năm 2022. năm đưa vào sử dụng. Ngoài ra, các đoàn tàu iLint hiện đang được thử nghiệm ở Áo và Hà Lan. Hai toa của đoàn tàu sử dụng 24 thùng chứa hydro Loại IV, được đặt trong khoang mái trên mỗi toa, thùng này cũng chứa pin nhiên liệu. Hexagon Composites đã cung cấp thùng chứa hydro cho đoàn tàu nguyên mẫu dựa trên thùng chứa hạng nặng có đường kính 416mm và chiều dài 3128mm, có thể chứa 300L hoặc 9kg hydro ở áp suất 350 bar. Giờ đây, NPROXX cung cấp các bồn chứa hydro có đường kính 500mm, dài 2200mm và áp suất chứa 350bar cho các đoàn tàu iLint.
hình ảnh
Alstom đã bán 41 đoàn tàu chạy bằng hydro Coradia iLint và đang thử nghiệm những chiếc khác (ảnh qua Alstom)
hình ảnh
Công ty đường sắt Pháp SNCF đã đặt hàng 12 chuyến tàu khu vực chế độ kép chạy bằng điện và chạy bằng hydro Coradia Polyvalent của Alstom (ảnh qua Alstom)
hình ảnh
Alstom đang hợp tác với Eversholt Rail ở Anh để chuyển đổi tàu điện thành tàu Breeze chạy bằng hydro (ảnh qua Alstom)
Các phát triển khác liên quan đến tàu chạy bằng hydro bao gồm: tàu Mireo Plus H với 2 và 3 toa do Siemens của Đức phát triển, sẽ được thử nghiệm ở một số vùng của Đức trong thời gian 2023-2024. Trong khi đó, Hexagon Purus đang cung cấp các bể chứa hydro Loại IV cho các chuyến tàu Vittal-One mà Talgo của Tây Ban Nha sẽ bắt đầu thử nghiệm vào năm 2023. Hexagon Purus cũng sẽ cung cấp các bể chứa hydro cho Đường sắt Stadler Thụy Sĩ cho chuyến tàu FLIRT đầu tiên được chế tạo và thử nghiệm ở Thụy Sĩ. sẽ đi vào hoạt động tại San Bernardino, California, Hoa Kỳ vào năm 2024.
hình ảnh
Siemens đang phát triển tàu Mireo Plus H để thử nghiệm ở 2023-2024 (ảnh từ Siemens)
Về vận chuyển, Hexagon Purus đã thông báo vào tháng 6 năm 2021 rằng họ sẽ thành lập một công ty con mới, Hexagon Purus Maritime. Jørn Helge Dahl, Giám đốc Bán hàng và Tiếp thị tại Hexagon Purus giải thích: “Chúng tôi hiện đang chứng kiến sự gia tăng nhanh chóng về nhu cầu và hành động đối với hydro trên thị trường hàng hải. Dahl tin rằng ngành hàng hải sẽ chứng kiến ngày càng nhiều dự án được đầu tư vào lĩnh vực này khi đến năm 2030, được thúc đẩy bởi các mục tiêu do Tổ chức Hàng hải Quốc tế (IMO, London, Vương quốc Anh) đặt ra. Các dự án này bao gồm : Tất cả các tàu mới và hiện có phải giảm 40% lượng khí thải CO2 vào năm 2030 và 70% vào năm 2050, so với năm 2008.
Trong lĩnh vực hàng không, năm 2020 chứng kiến sự quan tâm đột ngột đến hydro khi chính phủ Pháp cứu trợ Airbus do hậu quả của đại dịch COVID-19 trong khi yêu cầu hãng này phải đưa máy bay thương mại chạy bằng hydro ra thị trường vào năm 2035 . Vào mùa hè năm 2020, Airbus đã khởi động dự án ZEROe của mình với ba mẫu máy bay, 1/3 phía sau được sử dụng để lưu trữ hydro lỏng và yêu cầu kiểm soát đông lạnh.
Một tùy chọn khác cho động cơ phản lực cánh quạt khu vực là mô-đun hai thùng chứa do công ty Universal Hydrogen của Mỹ phát triển, sử dụng khung CFRP. JP Clarke, CTO của Universal Hydrogen giải thích: “Chúng tôi cung cấp các mô-đun theo yêu cầu, vì vậy không cần cơ sở lưu trữ hydro. "Các mô-đun này có thể được lắp vào máy bay một cách đơn giản, giống như pin hoặc đồ dùng nhà bếp." Công ty Được công bố vào năm 2021, họ đã ký thư bày tỏ ý định với ba hãng hàng không trong khu vực để trang bị thêm hệ thống động cơ đẩy chạy bằng hydro cho máy bay tua-bin cánh quạt hiện có.
Công ty Hoa Kỳ ZeroAvia đã thông báo vào tháng 4 năm 2021 rằng họ đang phát triển 2-chỗ ngồi cho máy bay phản lực khu vực 50-chỗ ngồi.
MW của hệ truyền động hydro-điện. Công ty đã hoàn thành khoản tài trợ 24,3 triệu đô la vào năm 2021, điều này sẽ giúp hãng đạt được thương mại hóa vào năm 2024 và bắt đầu phục vụ máy bay dân dụng trong khu vực vào năm 2026.
Những thách thức của việc lưu trữ hydro
Công-te-nơ loại IV cũng phải đối mặt với các vấn đề nghiêm trọng. Đáng chú ý nhất, chi phí sợi carbon làm cho những thùng chứa này rất đắt. Một vấn đề quan trọng khác là mật độ lưu trữ. Trong khi hydro nén cung cấp năng lượng gấp ba lần trên một khối lượng xăng, thì năng lượng trên một thể tích của nó thấp hơn đáng kể, đòi hỏi các thùng chứa lớn phải chịu được áp suất cao cần thiết để chứa đủ nhiên liệu. Hydro thực sự mang lại mật độ cao hơn dưới dạng chất lỏng đông lạnh khi được lưu trữ ở -253 độ , trong khi khi được lưu trữ trong bể nén đông lạnh (CCH2) ở -230 độ , 300 bar, hydro được cho là có mật độ cao hơn so với khi được bảo quản ở 700 bar cao hơn 50 phần trăm trong các thùng chứa Loại IV. Các bể đông lạnh nói chung là kim loại và các bể đông lạnh làm bằng nhiều vật liệu composite hơn vẫn chưa được chứng minh là có cùng hiệu suất và tuổi thọ mỏi như đã được chứng minh trong các bình chứa khí nén Loại IV, đã được tích lũy dữ liệu về hiệu suất trong hơn 25 năm.
Một vấn đề khác là việc sản xuất hàng triệu bể chứa hydro cần thiết để đáp ứng các mục tiêu về nhu cầu cơ sở hạ tầng và phương tiện chạy pin nhiên liệu (FCV) có thể không có sẵn kịp thời cho số lượng lớn sợi carbon cần thiết. "Nhận đủ sợi carbon là một trong những mối quan tâm chính của chúng tôi." Himmen của NPROXX cho biết hiệu quả hoạt động của công ty trong năm tài chính 2020-2021 đã tăng gấp đôi và sẽ tiếp tục tăng gấp đôi trong năm tài chính tiếp theo. "Chúng tôi không đơn độc, tôi nghĩ Hexagon đang phát triển với tốc độ tương tự. Chúng tôi cần sợi carbon với chất lượng và hiệu suất nhất định ở một mức giá nhất định." Hiện tại, hầu hết các tàu Type IV đều sử dụng sợi T700 của Toray (Độ bền kéo 4900MPa, mô đun 230MPa) hoặc các loại sợi tương tự. "Sợi không đủ chắc, có nghĩa là nó cần được quấn thêm vài lần nữa, khiến hộp đựng dày hơn, điều này là không thể chấp nhận được. Nếu bây giờ bạn không biết sợi của mình sẽ đến từ đâu trong năm tới, bạn có thể thực sự có ngừng sản xuất."
Một thách thức lớn khác đối với tàu Loại IV là giá thành của tàu sợi carbon và CFRP. Các nhà sản xuất tàu mới và nhà cung cấp ô tô cấp 1 của Pháp Plastic Omnium và Faurecia đều đặt mục tiêu giảm chi phí của bể chứa hydro Loại IV từ 30% đến 75% vào năm 2030 đồng thời tăng hiệu quả lưu trữ. tăng hơn 7 phần trăm. Để đạt được mục tiêu này, các công nghệ mới liên tục được giới thiệu, từ công nghệ FPP được Cevotec ở Đức sử dụng để rút ngắn thời gian và chi phí bọc CFRP cho vòm container, đến công nghệ cuộn dây 3D do Cygnet Texkimp ở Anh đưa ra để giảm hư hỏng sợi quang. và Công nghệ phát hiện thùng chứa tại chỗ do Com&Sens, chuyên gia về tích hợp cảm biến vật liệu composite, Bỉ, đưa ra.
