复合材料终端应用市场之压力容器

高压储气罐是先进复合材料，尤其是碳纤维缠绕复合材料最大和增长最快的市场之一。虽然它们用于自给式呼吸器并在航空航天器上提供氧气和气体储存，但主要的终端市场是储存液体丙烷气（LPG）、压缩天然气（CNG）、可再生天然气（RNG）和氢气（H2）。虽然液化石油气罐可用于车辆，但发展中国家的烹饪和取暖市场也在不断增长。

CNG、RNG和H2燃料系统越来越多地用于乘用车、公共汽车、卡车和其他车辆，或用于大宗运输（也称之为移动管道）以供应加油站或工业场所。在车辆中，这些燃料储存罐是减少或零排放动力系统的关键组成部分，可替代汽油、柴油和喷气燃料的清洁替代品。这些动力系统也为电池驱动的车辆提供了一种无需充电的替代方案，其加油基础设施和加油时间与化石燃料相似。

从历史上来看，类型Ⅰ占据了90%以上的市场。然而，随着使用复合材料减重并提高压缩气体存储效率的III型和IV型容器的销量增加，这种情况正在发生改变。V型仍处于起步阶段，主要用于太空应用，但随着新太空产业的发展，这是一个值得关注的领域。例如，2020年4月，Infinite Composites Technologies（ICT，美国俄克拉荷马州塔尔萨市）开发了一种球形Ⅴ型低温罐，用于火箭动力太空运载火箭上储存低温液体推进剂。无衬里碳纤维/环氧树脂低温罐是通过长丝缠绕和工业炉固化制造。

市场驱动力和增长

据了解，驱动储罐市场增长的力量，绝大部分来自于通过从化石燃料转向可再生、低排放燃料（例如CNG、RNG和H2）来减少气候变化影响、目标到2050年实现碳零排放的全球承诺。据国际能源署宣称：

"根据最新报告《2050年零排放：全球能源部门路线图》所述，迄今为止各国政府所做出的气候承诺，即使完全实现，也远远达不到在2050年之前将全球与能源相关的二氧化碳（CO2）排放量降至零，同时还会将全球温度上升限制在1.5℃左右。"

美国政府已公布趋于淘汰的内燃机（ICE）乘用车最新销量目标。图片来源：国际清洁运输委员会（ICCT），2020年11月报告 

美国印第安纳州的康明斯，每年生产1.3亿台内燃机（ICE）、且多用于公共汽车、中型和重型卡车。目前已投资开发燃料电池Class 8卡车和氢气燃烧发动机。2021年6月，康明斯表示，这种产品将在若干年后接近柴油发动机的总拥有成本（TCO），未来的重型运输将由氢气、燃料电池或电池电力驱动，而不是柴油。

根据2021年Grandview Research的一份报告表明，2020年全球天然气汽车（NGV）的销量高于其之前的预测：2980万辆，而其预测的是2440万辆。它还预测2021年的销量约为3100万辆，到2028年增长到3890万辆，年复合增长率为3.3%。DataIntelo声称I型储罐约占CNG储气罐市场的55%，II型、III型和IV型储罐市场份额分别约为25%、15%和5%。

AJR咨询公司和CarbConsult预测，复合材料压力容器对碳纤维的需求将从2021年的13,100吨（MT）增长到2026年的20,230吨。预计2021年碳纤维总需求量为106,700吨，预计到2026年将达到169,000吨。Roberts和Pichler估计，压力容器中的大部分碳纤维将进入移动管道应用（到2026年为6900吨）以及公共汽车和卡车（到2026年为6400吨）。

另外，行业顾问，根据全球新氢能汽车的公告，以及每700巴/5.6公斤氢气罐在60%的纤维含量下62-72公斤的碳纤维需求预测，到2030年仅储氢罐的碳纤维需求量将就达到166,650吨。这还是保守估计，因为预计只有1%的重型卡车、不到10%的公共汽车和不到1%的汽车会使用氢气。

压力容器用复合材料

用于储存氢气的IV型复合材料压力容器是通过在塑料衬垫上长丝缠绕碳纤维和环氧树脂制成。高度自动化的交钥匙罐体生产线由复合材料设备供应商设计和生产，包括AutonationalComposites B.V. (荷兰IJlst)、Engineering Technology Corp. (美国犹他州盐湖城)、McClean Anderson (美国威斯康星州斯科菲尔德)、MIKROSAM (马其顿Prilep)和Roth Composite Machinery(德国史迪芬贝格)，后者声称其新的Rothawin技术将氢气罐的生产速度提高了5-10倍。MIKROSAM公司声称其客户JSC DPO Plastik公司（俄罗斯捷尔任斯克）已启用世界上最大的CNG和H2储罐生产线，每年可缠绕6万个储罐。

Cevotec公司（德国慕尼黑）报告说，通过在压力容器的圆顶区域使用其纤维贴片放置（FPP）系统，可以节省20%的材料和周期时间。Cevotec公司的首席执行官解释说，储罐中高达700巴的工作压力可转化为约10公斤的碳纤维用于1公斤氢存储，这是一个非常高的比率。然而，FPP将碳纤维应用于精确的补丁中，旨在覆盖纤维缠绕过程中有时会出现问题的区域。据称，一个FPP系统能够从多台绕线机中加固容器。

尽管大多数用于压缩气体储存的IV型压力容器使用碳纤维作为结构增强材料，并在外层使用玻璃纤维以抵抗损坏，但Umoe AdvancedComposites（UAC，挪威克里斯蒂安桑）仅使用玻璃纤维作为其IV型储罐。UAC的目标不是车辆，而是天然气运输市场，它提供200至350巴的模块，并将在2022年扩大到450和500巴的储罐。正如UAC首席执行官Øyvind Hamre在CW的氢技术日活动中所解释的那样，玻璃纤维增强聚合物（GFRP）储罐的资本支出（CAPEX）与钢制储罐相同，但重量减少70%。同时，GFRP与CFRP气瓶相比，资本支出减少了50%，但重量更高。

左图为IV型玻璃纤维储罐。IV型玻璃纤维复合材料储罐与碳纤维复合材料相比成本更低，但与钢相比重量更轻（右图中的橙色方块）

H2在多个市场上加速发展

分销也是Hexagon Purus（挪威阿勒松）、NPROXX（荷兰海尔伦）的主要市场，后者现在是与Cummins和Cimmaron Composites（美国阿拉巴马州亨茨维尔）的50/50合资企业，现已被Hanwha Solutions（韩国首尔）收购，并于2021年宣布在阿拉巴马州奥佩利卡投资1.3亿美元新建生产设施。

储氢罐的使用不仅在配送应用中增加，而且在汽车、卡车、铁路和海运中也在增加。储气罐制造商NPROXX的董事总经理兼销售主管Michael Himmen说："欧洲生产的部分卡车将以氢气为动力。欧洲有立法规定，卡车OEM（原始设备制造商）必须在2030年前实现其生产的车队的二氧化碳排放量比2019年的水平平均减少30%。"Himmen表示，多达5%的欧洲卡车可能会转用H2，这可能总计15000-20000辆卡车/年。他认为这将从2026-27年开始，年产量约为2000辆卡车，并稳步增长。如果每辆车有5到7个IV型储罐，重型卡车在十年内可能每年需要100,000个储罐，需要6000吨碳纤维。

在铁路方面，Alstom阿尔斯通（法国巴黎）的H2动力Coradia iLint列车已在德国投入使用；今年下萨克森州有14台列车开始运营，到2022年将有27台列车在莱茵-美茵地区投入使用。iLint也正在奥地利和荷兰进行测试。它的两辆车使用24个IV型油罐，安装在每辆车顶部的屋顶隔间中，其中还包含燃料电池。Hexagon Composites海克斯康复合材料公司在其直径为416毫米、长3128毫米的重型储罐的基础上，为原型列车提供了H2储罐，这些储罐在350巴时可容纳300升/9公斤的氢气。iLint现在正使用NPROXX公司提供的350巴、500毫米直径、2200毫米长的储罐。

阿尔斯通已售出41辆Coradia iLint H2列车，并正在测试其他列车；法国铁路公司SNCF已订购12辆阿尔斯通Coradia Polyvalent双模式高架动力和H2区域列车；阿尔斯通正与英国Eversholt铁路公司合作，将电动列车转换为H2 Breeze列车；西门子正在开发Mireo Plus H列车，将于2023-24年进行测试

其他氢气动力列车开发项目包括西门子（德国慕尼黑）的两节车和三节Mireo Plus H列车，将于2023-2024年在德国的几条区域线路上进行测试。同时，Hexagon Purus公司正在为Talgo公司（西班牙马德里）的Vittal-One列车提供IV型H2储罐，该列车预计将于2023年开始测试。Hexagon Purus还将向Stadler Rail（瑞士Bussnang）的第一辆FLIRT列车提供罐体，该列车将在瑞士建造和测试，然后转移到加利福尼亚州的圣伯纳迪诺，于2024年投入使用。

在海运方面，Hexagon Purus海克斯康普瑞斯公司于2021年6月宣布将成立一个新的子公司——Hexagon PurusMaritime海克斯康普瑞斯海运公司。"我们现在看到，海上对氢气的需求正在迅速增加，"HexagonPurus的销售和市场总监Jørn Helge Dahl解释说，"我们认为，由于环境恶劣的影响，比如海水腐蚀，复合材料是海上应用的理想储存解决方案"。Dahl认为，在国际海事组织（IMO，英国伦敦）制定的目标推动下，随着2030年的到来，海运业将看到越来越多的项目投入使用。其中包括，与2008年基线相比，所有新建船舶和现有船舶的二氧化碳排放量必须在2030年和2050年分别减少40%和70%。

在航空航天领域，由于法国政府将Airbus空客的COVID-19救济与到2035年将氢动力商用飞机推向市场的需求相结合，引发了对氢的兴趣在2020年突然飙升。到2020年夏天，Airbus空客公司启动其ZEROe计划，包括三个飞机型号，其中后三分之一将被保留用于液态氢存储，这需要低温控制。

另一种针对区域性涡轮螺旋桨飞机的选择是Universal Hydrogen环球氢能公司（美国加州洛杉矶）开发的双罐模块，它使用了CFRP框架。环球氢能公司首席技术官J.P. Clarke解释说："我们将根据需要向现场提供模块，因此不需要储氢基础设施。这些模块只需像电池或厨房用品一样简单装载到飞机上"。该公司在2021年宣布，已与三家地区航空公司签署了意向书，用氢动力推进系统改造现有涡轮螺旋桨飞机。

ZeroAvia（美国加州霍利斯特）于2021年4月宣布，它正在为50座支线飞机开发一种两兆瓦（MW）的氢电动力系统。据报道，该公司2021年的2430万美元融资将帮助ZeroAvia公司最早在2024年实现商业化，并在2026年开始为商用支线飞机提供服务。

H2存储挑战

IV型储罐也面临着严重的问题。最值得注意的是，碳纤维的成本使这些储罐非常昂贵。另一个关键问题是存储密度。尽管压缩的H2气提供的能量是每质量汽油的三倍，但其每体积能量相当低，需要大气瓶来容纳储存足够燃料所需的高压。氢气作为低温液体在-253°C下储存时，其实际密度更高，而在-230°C和300巴的低温压缩（CCH2）罐中储存时，密度达到最高——据说与700巴的IV型罐相比，H2多存储出50%。低温储罐通常为金属，使用大量复合材料的产品尚未被证明具有与IV型压缩气体罐相同的性能和疲劳寿命，后者拥有超过25年的性能数据支持。

另一个问题是，可能无法及时提供所需的大量碳纤维来满足燃料电池汽车（FCV）和基础设施所需的数百万个储罐。"获得足够的碳纤维是我们的主要关切点之一，"NPROXX的Himmen说。他的公司的业务从2020年到2021年翻了一番，明年还将如此。"而且我们不是唯一的一家；我认为Hexagon海克斯康也在以同样的速度增长。我们需要具有一定质量和性能的特定价格范围内的碳纤维。"大多数IV型储罐分析使用Toray T700纤维[抗拉强度4900Mpa，模量230Mpa]或等效材料。"强度较低的纤维需要更多的缠绕，罐体变得更厚，这是不可接受的。如果你现在不知道明年的纤维来自哪里，你实际上可能不得不停止生产"。

Ⅳ型储罐增长的另一个挑战是碳纤维和CFRP储罐成本。新的储罐制造商和法国汽车一级供应商Plastic Omnium (Lavallois)和Faurecia (Nanterre)已设定目标，到2030年将Ⅳ型储罐成本降低30-75%，同时将储存效率提高到7%以上。正如在5月举行的CW技术日氢气活动中所介绍的那样，正在开发新的技术来帮助这些工作，从Cevotec（德国Unterhaching）的FPP技术用于减少罐顶的CFRP时间和成本，到Cygnet Texkimp（英国Northwich）的3D缠绕来减少纤维损伤，到复合材料传感器集成专家Com&Sens（比利时Eke）提议进行现场储罐监测。