復合材料終端市場：壓力容器（2023年）
儲氫用碳纖維復合材料壓力容器
H2 的投資正在增加。IV 型儲罐制造商 NPROXX 現在是與（Cummins）康明斯的 50/50 合資企業，康明斯還收購了燃料電池和H2 生產電解槽的關鍵供應商。NPROXX 生產的這些直徑 500 毫米、長 2200 毫米的汽車/重型儲罐在350 巴下儲存H2。圖片來源：NPROXX
高壓儲氣罐是先進復合材料的最大和增長最快的市場之一，尤其是纏繞碳纖維復合材料。主要終端市場是儲存液態丙烷氣（LPG- liquid propane gas ）、壓縮天然氣（CNG- compressed natural gas）、可再生天然氣（RNG- renewable natural gas）和氫氣（H2）。雖然液化石油氣儲罐可以用于車輛，但發展中國家的烹飪和供暖市場也在不斷增長。 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），以供應加油站或工業場地。在汽車中，這些燃料儲罐是汽油、柴油和噴氣燃料的清潔替代品的減少或零排放動力系統的關鍵部件。這些動力系統還為電池驅動的車輛提供了一種無充電的替代方案，其加油基礎設施和加油時間與化石燃料類似。
壓力容器類型
由美國機械工程師協會（ASME）和國際標準化組織（ISO）分類的壓力容器類型和結構。
壓力容器分為五種類型
I型：全金屬結構，一般為鋼結構。
II型：主要是金屬，在環向上有一些纖維外包裝，主要是鋼或鋁，帶有玻璃纖維復合材料；金屬容器和復合材料共享大約相等的結構載荷。
III型：金屬內襯，帶全復合材料外包裝，通常為鋁，帶碳纖維復合材料；復合材料承載結構載荷。
IV型：全復合結構，聚合物——通常是聚酰胺（PA）或高密度聚乙烯（HDPE）內襯，帶有碳纖維或碳/玻璃纖維復合材料；復合材料承載所有的結構載荷。
V型：無襯里，全復合結構。
從歷史上看，I 型儲罐占據了 90%以上的市場份額。然而，隨著使用復合材料減輕重量和提高壓縮氣體儲存效率的 III 型和 IV 型容器的銷量增加，這種情況開始發生變化。V 型仍處于萌芽階段，主要用于太空應用，但隨著新太空產業的發展，它是一個值得關注的領域。
市場驅動因素和增長
該市場的主要驅動力是，全球越來越致力于通過從化石燃料轉向可再生、低排放燃料（如 CNG、RNG 和 H2）來減少氣候變化的影響，目標是到 2050 年實現零排放。根據國際能源署的說法：
“根據新的報告《到 2050 年實現凈零排放：全球能源部門路線圖》，各國政府迄今為止的氣候承諾——即使完全實現——也遠遠達不到到到 2050 年將全球能源相關二氧化碳（CO2）排放量降至凈零的要求，并使世界有機會將全球氣溫上升限制在 1.5°C。”
內燃機（ICE- internal combustion engine）全球淘汰地圖
政府公布了從 2020 年 11 月起逐步淘汰內燃機乘用車新銷售的目標。
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已承諾到 2050 年不再生產新的化石燃料乘用車，這些州加上加利福尼亞州、科羅拉多州、夏威夷州、緬因州、北卡羅來納州、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領域是儲氫。疫情過后，北美、歐洲和中國對減少移動應用中的碳排放重新產生了濃厚的監管興趣。在美國，大部分脫碳工作都是由加利福尼亞州推動的，該州制定了到 2035 年禁止銷售燃氣汽車的政策。這一努力和其他努力導致汽車和卡車制造商公開努力推出新的電池電動汽車（BEV- battery-electric vehicles ）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加油基礎設施。拜登政府的《基礎設施投資和就業法案》將在一定程度上解決后者的問題，該法案在未來十年提供 1 萬億美元的公共基礎設施投資。
電池充電技術發展迅速，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，運輸業的一些部門已經轉向氫燃料電池（HFC-hydrogen fuel cell）系統，將其作為一種更可持續的替代方案。
氫氣通常通過多元氣體容器（MEGC-multiple element gas container ）運輸，該容器由多個碳纖維復合材料壓力容器組成，這些壓力容器連接在金屬籠中并裝載到卡車上。最大的MEGC有多達 81 個儲罐。
氫燃料電池（HFC）有幾個優點。首先，它們可以在加氫站（HFS- refueled at hydrogen refueling stations）使用與加油站非常相似的泵和噴嘴技術進行加油。其次，氫燃料電池（HFC）工藝的唯一排放物是水。第三，氫氣最終可以使用被稱為“綠色”氫氣的盡量減少碳化的方法來生產。
盡管綠色氫技術仍在開發中，但其可行性有助于氫燃料電池（HFC）經濟的快速擴張，特別是在輕型、中型和重型卡車中；車隊車輛；公共汽車；列車；船舶；以及一些乘用車。預計航空航天也將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上進行，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，需要的壓力容器就越多。分配主要通過在牽引拖車上的多個復合壓力容器中運輸氫氣來實現。
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，情況發生了逆轉——汽油的能量密度是氫氣的四倍。因此，氫最好以液體形式儲存，以最大限度地提高其能量密度。但是，將氫氣作為液體儲存需要低溫，這并不容易或廉價實現。因此，就目前而言，氫氣作為氣體最有效地儲存，通常在 350-700 巴的范圍內壓縮。
包括加氫站（HRS- hydrogen refueling station）的元件示意圖。IV 型復合壓力容器可用于管式拖車，將H2 輸送至站和/或用于現場緩沖儲存的罐串中。
氫燃料電池汽車（HFCV-hydrogen fuel cell vehicle ）的續航里程取決于它可以儲存的氫氣的總質量，質量容量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 升的 IV 型油箱，每個油箱的最大額定壓力為 700 巴，氫氣質量容量為 5.6 公斤。每輛車的總氫容量為 16.8 公斤，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，儲氫罐的數量也更大。
壓力容器經濟性
碳纖維/環氧樹脂壓力容器采用濕法或絲束預浸纖維纏繞制造。這里的好消息是，細絲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，氫氣壓力容器所需的碳纖維類型相對昂貴，目前生產量不適合需求。
氫壓力容器的碳纖維選擇是Toray Composite Materials America（美國華盛頓州塔科馬市）的 T700S，這是一種標準模量（SM）纖維，具有特別高的平移性能。所有主要的碳纖維制造商都提供類似的碳纖維，包括 Hexcel（美國康涅狄格州斯坦福德市）、三菱集團（日本東京）、帝人（日本東京市）、SGL carbon（德國威斯巴登）等。
每個儲罐的碳纖維使用量取決于儲罐的容量及其額定壓力，但一個好的經驗法則是，在 700 巴下儲存的每 1 公斤氫氣需要 10 公斤碳纖維。因此，一個在700 巴下容納 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。目前有九家主要的儲氫碳纖維壓力容器制造商：Faurecia、韓華Cimmaron、Hexagon Composites、HexagonPurus、 Iljin Hysolus、NPROXX、Plastic Omnium、Toyota 和 Toyoda Gosei。所有項目都在未來五年內進行不同程度的儲罐生產擴張。據估計，到 2025 年，儲氫市場的總市場可能接近 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昂貴的，一條碳纖維生產線需要投資約 1 億美元，建設時間為兩年。正因為如此，碳纖維生產商不愿在沒有令人信服的商業理由的情況下投資新產能。在某些情況下，在需求高的情況下，碳纖維客戶需要做出合同承諾，以證明碳纖維生產企業的成本合理。
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還有待觀察。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。
注：原文見《 Composites end markets: Pressure vessels (2023) 》2023.1.11.
楊超凡 2023.8.30
