بازار پایانه مواد کامپوزیت: میدان مخزن تحت فشار

هدف جهانی دستیابی به آلایندگی صفر تا سال 2050، رشد سریع مخازن تحت فشار کامپوزیتی است.

تصویر
مخازن تحت فشار کامپوزیت

مخازن ذخیره گاز فشار بالا یکی از بزرگترین و سریع ترین بازارهای رو به رشد برای کامپوزیت های پیشرفته، به ویژه کامپوزیت های فیبر کربنی زخمی رشته ای هستند. اگرچه می‌توان از آنها در دستگاه‌های تنفسی مستقل و برای تامین اکسیژن و ذخیره‌سازی گاز برای وسایل نقلیه هوافضا استفاده کرد، اما بازار نهایی اصلی برای گاز پروپان مایع (LPG)، گاز طبیعی فشرده (CNG)، گاز طبیعی تجدیدپذیر (RNG) و هیدروژن است. (H2) ذخیره سازی. در حالی که سیلندرهای LPG در خودروها استفاده می شود، تقاضای فزاینده ای برای آنها در بازارهای پخت و پز و گرمایش در کشورهای در حال توسعه وجود دارد.

سیستم‌های سوختی مانند گاز طبیعی فشرده (CNG)، گاز طبیعی تجدیدپذیر (RNG) و هیدروژن (H2) به طور فزاینده‌ای در اتومبیل‌ها، اتوبوس‌ها، وانت‌ها و سایر «پمپ‌های بنزین تأمین یا حمل‌ونقل فله در سایت‌های صنعتی» استفاده می‌شوند. مخازن ذخیره سوخت بخش مهمی از پیشرانه های تمیز و بدون آلایندگی هستند که بنزین، گازوئیل و سوخت جت را کاهش می دهند یا جایگزین می کنند. این پیشرانه ها همچنین گزینه ای بدون شارژ برای وسایل نقلیه با باتری ارائه می دهند که نیاز به زیرساخت های سوخت گیری و زمان های سوخت گیری مشابه با سوخت گیری فسیلی دارند. سوخت ها

5 نوع مخازن تحت فشار وجود دارد:

نوع I: تمام سازه های فلزی، معمولاً فولادی.

نوع دوم: عمدتاً فلزی با مقداری الیاف حلقه ای، معمولاً فلز یا آلومینیوم و کامپوزیت های فایبرگلاس، محفظه فلزی تقریباً بارهای ساختاری مشابه کامپوزیت را دارد.

نوع III: آستر فلزی کاملاً با مواد کامپوزیت پیچیده می شود، معمولاً مواد کامپوزیت فیبر کربن به دور آستر آلومینیومی پیچیده می شود و مواد کامپوزیت بار ساختاری را تحمل می کند.

نوع IV: ساختار تمام کامپوزیت، معمولا یک مخزن داخلی ساخته شده از پلی آمید (PA) یا پلی اتیلن با چگالی بالا (HDPE)، مخزن داخلی با فیبر کربن یا یک ماده کامپوزیت مخلوط با فیبر کربن/الیاف شیشه و کامپوزیت پیچیده می شود. مواد تمام بارهای ساختاری را تحمل می کند.

نوع V: ساخت بدون آستر، تمام کامپوزیت.

به طور سنتی، نوع I بیش از 90 درصد بازار را در اختیار داشت، اما این امر با افزایش فروش مخازن تحت فشار نوع III و نوع IV به دلیل صرفه جویی در وزن از مواد کامپوزیت و بهبود راندمان ذخیره سازی گاز فشرده امکان پذیر شده است. نوع V هنوز در مراحل اولیه است و عمدتاً نیازهای کاربردهای فضایی را برآورده می کند. با توسعه صنعت فضایی جدید، این نوع محصول شایسته توجه است. به عنوان مثال، در آوریل 2020، شرکت آمریکایی Infinite Composites Technologies (ICT) یک مخزن برودتی کروی V شکل را توسعه داد که برای ذخیره پیشرانه‌های مایع برودتی در وسایل پرتاب فضایی با موتور موشک استفاده می‌شود. این مخزن کرایوسفر اپوکسی فیبر کربن بدون لاینر با استفاده از سیم پیچی رشته ای و فرآیند پخت اجاق صنعتی ساخته شده است.

محرک های بازار و نرخ های رشد

محرک اصلی این بازار، تعهد جهانی رو به رشد برای کاهش تأثیرات بر اقلیم با تغییر از سوخت‌های فسیلی به سوخت‌های تجدیدپذیر و کاهنده انتشار مانند CNG، RNG و H2 برای دستیابی به انتشار صفر تا سال 2050 است. بر اساس گزارش جدید آژانس بین‌المللی انرژی، "انتشارهای صفر خالص تا سال 2050: نقشه راهی برای بخش انرژی جهانی": تعهدات اقلیمی که دولت‌ها تاکنون انجام داده‌اند، در صورت تحقق کامل، بسیار کمتر از هدف کاهش 2050 است. انتشار خالص CO2 جهانی مرتبط با انرژی به صفر در عوض به جهان فرصتی می دهد تا افزایش دمای جهانی را به 1.5 درجه محدود کند.

شایان ذکر است که علاوه بر تعهدات فوق، ایالت های کانکتیکات، مریلند، ماساچوست، نیوجرسی، نیویورک، اورگان، رود آیلند، ورمونت و واشنگتن قبلاً متعهد شده اند که خودروهای سواری جدید با سوخت فسیلی تولید نکنند. ، به کالیفرنیا، کلرادو، هاوایی، مین، کارولینای شمالی، اورگان، پنسیلوانیا و ناحیه کلمبیا بپیوندید تا فروش خودروهای جدید متوسط ​​و سنگین با سوخت فسیلی را ممنوع کنید.

در نشانه دیگری از رشد، شرکت کامینز مستقر در ایالات متحده، که سالانه 130 میلیون موتور احتراق داخلی (ICE) تولید می کند، که بسیاری از آنها در اتوبوس ها و کامیون های متوسط ​​و سنگین استفاده می شود، در توسعه کلاس سرمایه گذاری کرده است. 8 ون پیل سوختی و یک موتور با سوخت هیدروژنی. در ژوئن 2021، کامینز گفت که تا پایان این قرن، این محصولات به کل هزینه مالکیت (TCO) یک موتور دیزل نزدیک می شوند و حمل و نقل سنگین آینده به جای دیزل، از هیدروژن، سلول های سوختی یا باتری ها تامین می شود.

طبق گزارش تحقیقاتی گراند ویو در سال 2021، فروش جهانی خودروهای گاز طبیعی (NGV) در سال 2020 بیشتر از پیش‌بینی‌های قبلی بود: 29.8 میلیون دستگاه در واقع در مقابل 24.4 میلیون پیش‌بینی شده فروخته شد. این گزارش همچنین پیش‌بینی می‌کند که فروش در سال 2021 تقریباً 31 میلیون دستگاه خواهد بود و در سال 2028 به 38.9 میلیون دستگاه افزایش می‌یابد و به نرخ رشد مرکب سالانه (CAGR) 3.3 درصدی دست می‌یابد. DataIntelo ادعا می کند که در بازار کشتی های CNG، کشتی های نوع I تقریباً 55 درصد بازار را به خود اختصاص می دهند در حالی که کشتی های نوع II، Type III و Type IV به ترتیب تقریباً 25 درصد، 15 درصد و 5 درصد از بازار را به خود اختصاص داده اند.

تونی رابرتز از AJR Consulting و Dan Pichler از CarbConsult پیش‌بینی کردند که تقاضا برای فیبر کربن در مخازن تحت فشار کامپوزیتی از 13100 تن در سال 2021 به 20230 تن در سال 2026 افزایش می‌یابد و انتظار می‌رود کل تقاضا برای فیبر کربن در سال 2021 106،70 تن باشد. در زیر، انتظار می‌رود کل تقاضا برای فیبر کربن در سال 2026 به 169 تن برسد. رابرتز و پیچلر تخمین می‌زنند که بیشتر فیبر کربن مورد استفاده در مخازن تحت فشار به لوله‌های متحرک (6900 تن در سال 2026) و اتوبوس‌ها و وانت (6400 تن در سال 2026).

علاوه بر این، با توجه به عرضه خودروهای جدید سوخت هیدروژنی در سراسر جهان، تخمین زده می شود که هر مخزن ذخیره هیدروژن 700 بار حاوی 60 درصد فیبر و وزن 5.6 کیلوگرم از 62-72 کیلوگرم فیبر کربن استفاده کند. تا سال 2030، تنها مخازن ذخیره هیدروژن به فیبر کربن نیاز خواهند داشت. حجم به 166650 تن خواهد رسید. با این حال، پیش‌بینی‌ها برای این وسایل نقلیه محافظه‌کارانه است، به طوری که انتظار می‌رود تنها 1 درصد خودروهای سنگین، کمتر از 10 درصد اتوبوس‌ها و کمتر از 1 درصد خودروها از هیدروژن استفاده کنند.

استفاده از مواد کامپوزیتی برای مخازن تحت فشار

مخازن تحت فشار کامپوزیت نوع IV برای ذخیره هیدروژن با پیچاندن فیبر کربن به دور یک آستر پلاستیکی و اعمال رزین اپوکسی ساخته می شوند. تامین کنندگان تجهیزات مواد کامپوزیت که خطوط تولید مخازن ذخیره هیدروژن بسیار خودکار را طراحی و تولید می کنند عبارتند از: کامپوزیت های خودکار در هلند، فناوری مهندسی در ایالات متحده، مک کلین اندرسون در ایالات متحده، MIKROSAM در مقدونیه و ماشین آلات کامپوزیت راث در آلمان، دومی. ادعا می کند که تولید مخازن ذخیره هیدروژن را می توان پنج تا ده برابر سریعتر با فناوری جدید Rothawin انجام داد. MIKROSAM ادعا می کند که مشتری آن، روسیه JSC DPO Plastik، از بزرگترین خط تولید جهان برای تولید ظروف CNG و مخازن ذخیره هیدروژن استفاده کرده است که می تواند 60،{1}} کانتینر در سال را بپیچد.

Cevotec آلمان می گوید با استفاده از سیستم فیبر پچ (FPP) خود در ناحیه گنبدی یک مخزن تحت فشار، می تواند 20 درصد در مواد و 20 درصد در زمان چرخه صرفه جویی کند. مدیر عامل Cevotec توضیح داد که برای ذخیره 1 کیلوگرم هیدروژن، فشار کاری در ظرف تا 700 بار است که به این معنی است که حدود 10 کیلوگرم فیبر کربن مورد نیاز است که نسبت بسیار بالایی است. سیستم FPP قادر است به طور دقیق وصله های فیبر کربنی طراحی شده را در مناطقی که گاهی اوقات مشکلاتی را در طول فرآیند سیم پیچی ایجاد می کنند اعمال کند. گفته می شود که یک سیستم FPP واحد می تواند ظروف را از چندین ماشین سیم پیچ تقویت کند.

در حالی که اکثر مخازن تحت فشار نوع IV که برای ذخیره سازی گاز فشرده استفاده می شوند از فیبر کربن برای تقویت ساختار و از الیاف شیشه برای لایه بیرونی برای جلوگیری از آسیب استفاده می کنند، Umoe Advanced Composites (UAC) نروژ فقط از الیاف شیشه برای مخازن نوع IV خود استفاده می کند. UAC به جای بازار خودرو، 200-350 کشتی بار را برای بازار حمل و نقل گاز طبیعی ارائه می‌کند، و سبد محصولات خود را تا سال 2022 تا 450-500 کشتی‌های بار گسترش می‌دهد. همانطور که توسط مدیر عامل UAC Øyvind Hamre، الیاف شیشه اظهار داشت مخازن پلیمری تقویت شده (GFRP) قیمتی برابر با مخازن فولادی دارند، اما 70 درصد سبک تر هستند. در مقایسه با ظروف CFRP، اگرچه ظروف GFRP سنگین تر هستند، اما هزینه را 50 درصد کاهش می دهند.

تصویر
مخازن نوع IV ساخته شده از کامپوزیت های تقویت شده با الیاف شیشه ای ارزان تر از کامپوزیت های فیبر کربنی و سبک تر از مخازن فولادی هستند (تصویر از طریق Umoe Advanced Composites)

مخازن ذخیره هیدروژن در بسیاری از بازارها

برای Hexagon Purus در نروژ و NPROXX در هلند (یک سرمایه گذاری مشترک 50:50 بین Cummins و Cimmaron Composites در ایالات متحده، توسط Hanwha در کره جنوبی خریداری شده است. این شرکت در سال 2021 اعلام کرد که 130 میلیون دلار آمریکا سرمایه گذاری خواهد کرد. در آلابا، ایالات متحده توزیع همچنین یک بازار مهم برای ساخت یک کارخانه تولید جدید در Opelika، MA است.

استفاده از مخازن ذخیره هیدروژن نه تنها در بازار توزیع، بلکه در زمینه های اتومبیل، کامیون، حمل و نقل ریلی و حمل و نقل دریایی نیز رشد یافته است. مایکل هیمن، مدیر عامل و مدیر فروش در NPROXX، تولید کننده مخازن ذخیره هیدروژن، گفت: «برخی از ون های ساخته شده در اروپا با هیدروژن نیرو می گیرند. طبق مقررات اروپا، تا سال 2030، OEM های کامیون باید اطمینان حاصل کنند که انتشار CO2 کامیون هایشان به طور متوسط ​​30 درصد در مقایسه با سطوح 2019 کاهش می یابد. طبق پیشنهاد هیمن، 5 درصد کامیون‌های اروپایی می‌توانند از نیروی هیدروژنی استفاده کنند، به این معنی که در مجموع به 15،000 تا 20،000 کامیون هیدروژنی هر سال نیاز است. او مطمئن است که می‌توان 2{11}} ون هیدروژنی را در سال ساخت که از 2026-27 شروع می‌شود و از آنجا به‌طور پیوسته رشد می‌کند. اگر هر وسیله نقلیه مجهز به 5 تا 7 مخزن ذخیره هیدروژن نوع IV باشد، ظرف 10 سال، کامیون‌های سنگین ممکن است به 100،{19}} مخزن ذخیره هیدروژن و 6،000 تن فیبر کربن در سال نیاز داشته باشند.

از نظر راه آهن، قطارهای هیدروژنی Coradia iLint آلستوم در آلمان به بهره برداری رسیده است. 14 قطار به نیدرزاکسن در سال 2021 شروع به کار کردند و 27 قطار به منطقه اصلی راین در سال 2022 شروع به کار خواهند کرد. علاوه بر این، قطارهای iLint در حال حاضر در اتریش و هلند در حال آزمایش هستند. دو واگن قطار از 24 مخزن ذخیره هیدروژن نوع IV استفاده می کنند که در قسمت های سقفی بالای هر واگن قرار می گیرند که حاوی سلول های سوختی نیز می باشد. هگزاگون کامپوزیت مخزن ذخیره هیدروژن را برای نمونه اولیه قطار بر اساس مخزن ذخیره سازی سنگین آن با قطر 416 میلی متر و طول 3128 میلی متر تامین کرد که می تواند 300 لیتر یا 9 کیلوگرم هیدروژن را با فشار 350 بار در خود نگه دارد. اکنون NPROXX مخازن ذخیره هیدروژن با قطر 500 میلی متر، طول 2200 میلی متر و فشار ذخیره سازی 350 بار را برای قطارهای iLint فراهم می کند.

تصویر
آلستوم 41 قطار هیدروژنی Coradia iLint فروخته است و در حال آزمایش دیگران است (تصویر از طریق Alstom)

تصویر
شرکت راه آهن فرانسه SNCF 12 قطار منطقه ای دو حالته الکتریکی و هیدروژنی Coradia Polyvalent Alstom را سفارش داده است (تصویر از طریق Alstom)

تصویر
آلستوم در حال همکاری با Eversholt Rail در بریتانیا برای تبدیل قطارهای الکتریکی به قطارهای بریز با نیروی هیدروژن است (تصویر از طریق Alstom)

سایر پیشرفت های مربوط به قطارهای هیدروژنی عبارتند از: قطار Mireo Plus H با 2 و 3 واگن توسعه یافته توسط زیمنس آلمان که در طول 2023-2024 در چندین منطقه آلمان آزمایش خواهد شد. در همین حال، Hexagon Purus مخازن ذخیره هیدروژن نوع IV را برای قطارهای Vittal-One که تالگو اسپانیا آزمایش آن را در سال 2023 آغاز خواهد کرد. در سال 2024 در سن برناردینو، کالیفرنیا، ایالات متحده وارد خدمت خواهد شد.

تصویر
زیمنس در حال توسعه قطار Mireo Plus H برای آزمایش در 2023-2024 است (تصویر از زیمنس)

از نظر حمل و نقل، Hexagon Purus در ژوئن 2021 اعلام کرد که یک شرکت تابعه جدید به نام Hexagon Purus Maritime ایجاد خواهد کرد. Jørn Helge Dahl، مدیر فروش و بازاریابی در Hexagon Purus توضیح می دهد: "ما اکنون شاهد افزایش سریع تقاضا و اقدامات برای هیدروژن در بازار دریایی هستیم." برنامه‌های ذخیره‌سازی فراساحلی یک راه‌حل ایده‌آل ارائه می‌کنند." دال معتقد است که با نزدیک شدن به سال 2030، صنعت دریایی پروژه‌های بیشتری را در این بخش سرمایه‌گذاری خواهد کرد که توسط اهداف تعیین‌شده توسط سازمان بین‌المللی دریانوردی (IMO، لندن، بریتانیا) اجرا می‌شود. این پروژه‌ها شامل همه کشتی‌های جدید و موجود باید انتشار CO2 را تا سال 2030 تا 40 درصد و تا سال 2050 70 درصد نسبت به سال 2008 کاهش دهند.

در هوانوردی، در سال 2020 شاهد افزایش ناگهانی علاقه به هیدروژن بودیم زیرا دولت فرانسه به دلیل پیامدهای همه‌گیری کووید{1}} ایرباس را نجات داد و در عین حال مجبور شد هواپیماهای تجاری هیدروژنی را تا سال 2035 به بازار بیاورد. در تابستان 2020، ایرباس پروژه ZEROe خود را با سه مدل هواپیما راه اندازی کرد که 1/3 عقب آن برای ذخیره هیدروژن مایع استفاده می شود و نیاز به کنترل برودتی دارد.

گزینه دیگر برای توربوپراپ های منطقه ای، ماژول دو مخزن است که توسط شرکت آمریکایی یونیورسال هیدروژن ساخته شده است که از یک قاب CFRP استفاده می کند. JP Clarke، مدیر ارشد فناوری یونیورسال هیدروژن توضیح داد: "ما ماژول ها را در صورت تقاضا ارائه می دهیم، بنابراین نیازی به تاسیسات ذخیره هیدروژن نیست." این ماژول‌ها را می‌توان به روشی ساده، درست مانند باتری‌ها یا لوازم آشپزخانه، روی هواپیما قرار داد.» این شرکت که در سال 2021 اعلام کرد، با سه شرکت هواپیمایی منطقه‌ای موافقتنامه‌هایی امضا کرده است تا سیستم‌های پیشرانه هیدروژنی را برای هواپیماهای توربوپراپ موجود بهسازی کنند.

شرکت آمریکایی ZeroAvia در آوریل 2021 اعلام کرد که در حال توسعه یک 2-صندلی برای 50-جت منطقه‌ای صندلی است.

مگاوات نیروگاه های هیدروژن-الکتریکی. این شرکت در سال 2021 سرمایه 24.3 میلیون دلاری را تکمیل کرد که به تجاری سازی آن در سال 2024 و آغاز خدمت به هواپیماهای منطقه ای غیرنظامی در سال 2026 کمک می کند.

چالش های ذخیره سازی هیدروژن

کانتینرهای نوع IV نیز با مشکلات جدی مواجه هستند. مهمتر از همه، هزینه فیبر کربن این ظروف را بسیار گران می کند. یکی دیگر از مسائل کلیدی تراکم ذخیره سازی است. در حالی که هیدروژن فشرده سه برابر انرژی به ازای هر جرم بنزین را فراهم می کند، انرژی در هر حجم آن به میزان قابل توجهی کمتر است و به ظروف بزرگ نیاز دارد تا فشارهای بالایی را که برای ذخیره سوخت کافی لازم است تحمل کنند. هیدروژن در واقع چگالی بالاتری را به عنوان مایع برودتی ارائه می دهد که در -253 درجه ذخیره شود، در حالی که وقتی در مخزن فشرده سازی برودتی (CCH2) در -230 درجه، 300 بار ذخیره می شود، گفته می شود که هیدروژن چگالی بالاتری دارد. نسبت به زمانی که در 700 بار 50 درصد بیشتر در ظروف نوع IV ذخیره می شود. مخازن برودتی عموماً فلزی هستند و مخازن برودتی ساخته شده از مواد کامپوزیتی بیشتر هنوز نشان داده نشده است که دقیقاً همان عملکرد و عمر خستگی نشان داده شده در ظروف گاز فشرده نوع IV را دارند که داده های عملکردی انباشته شده در طی 25 سال است.

مسئله دیگر این است که تولید میلیون‌ها مخزن ذخیره هیدروژن مورد نیاز برای برآورده ساختن وسایل نقلیه پیل سوختی (FCV) و اهداف زیرساختی ممکن است برای مقادیر زیادی فیبر کربن مورد نیاز به موقع در دسترس نباشد. دریافت فیبر کربن کافی یکی از دغدغه های اصلی ما است. Himmen از NPROXX گفت که عملکرد شرکت در سال مالی 2020-2021 دو برابر شده است و در سال مالی آینده نیز دو برابر خواهد شد. ما تنها نیستیم، فکر می‌کنم هگزاگون با همان سرعت رشد می‌کند. در حال حاضر، اکثر کشتی‌های نوع IV از فیبر T700 Toray (استحکام کششی 4900MPa، مدول 230MPa) یا الیاف مشابه استفاده می‌کنند. فیبر به اندازه کافی قوی نیست، به این معنی که باید چند بار دیگر پیچیده شود، که باعث ضخیم‌تر شدن ظرف می‌شود، که قابل قبول نیست. اگر اکنون نمی‌دانید که فیبر شما از کجا می‌آید، ممکن است واقعاً تا تولید متوقف شود.»

یکی دیگر از چالش های بزرگ برای کشتی های نوع IV هزینه کشتی های فیبر کربن و CFRP است. سازندگان کشتی های جدید و تامین کنندگان خودروهای ردیف 1 فرانسوی Plastic Omnium و Faurecia هر دو اهدافی را برای کاهش 30 درصدی تا 75 درصدی هزینه مخازن ذخیره هیدروژن نوع IV تا سال 2030 تعیین کرده اند و در عین حال راندمان ذخیره سازی را افزایش می دهند. بیش از 7 درصد افزایش یابد. برای این منظور، فناوری‌های جدید به طور مداوم معرفی می‌شوند، از فناوری FPP که توسط Cevotec در آلمان برای کاهش زمان و هزینه بسته‌بندی CFRP برای گنبدهای کانتینر استفاده می‌شود، تا فناوری سیم‌پیچ سه بعدی که توسط Cygnet Texkimp در بریتانیا برای کاهش آسیب فیبر راه‌اندازی شد. و به فناوری تشخیص ظرف درجا که توسط Com&Sens، متخصص یکپارچه سازی حسگر مواد کامپوزیت، بلژیک راه اندازی شد.