氫有望促進復材發展(Ⅱ)
康明斯與NPROXX合資H2的投資正在增加。IV 型儲罐制造商NPROXX現在是與康明斯的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。
本系列的第1部分探討了需要IV型復合材料罐以 壓縮氣體形式儲存氫氣（H2）的氫動力汽車的顯著增長。H2可以直接燃燒或在燃料電池中用于發電，水和 熱量是唯一的排放物。隨著世界加速向零排放交通和 工業轉型，H2是一個關鍵的推動者。然而，生產這些工作所需的數百萬個儲罐所需的大量碳纖維可能無法及時滿足燃料電池汽車（FCV）和基礎設施的目標。
IV型儲罐增長的其他可能障礙包括碳纖維和復合材料儲罐成本，以及與主要為金屬的低溫儲罐相比更低的儲存密度。新的儲罐制造商和法國汽車一級供應商Plastic Omnium（Lavallois）和 Faurecia（Nanterre）制定了到2030年將IV型儲罐成本降低 30-75%的目 標，同時將儲存效率提高到7%以上。正如“CW-復合材料世界”在5月的Tech Days Hydrogen活動中所介紹的那樣，正在開發新技術來幫助這些努力，從Cevotec（德國 Unterhaching）的用于在坦克圓頂中切割復合材料時間和成本的纖維補片放置（FPP-fiber patch placement ）技術，到 Cygnet Tekkip（英國 Northwich） 的用于減少纖維損傷的3D 纏繞，復合傳感器集成專家Com&Sens（比利時?？耍┨岢霈F場儲罐監測。
在第2部分中，討論了氫加油站（HRS-H2 refueling stations）和管道拖車的額外市場，包括IV型儲罐使用玻璃纖維。還探討了成本和儲存效率、儲罐的重新認證、傳感器的使用以及優化生產和健康監測等問題。
加氫站（Hydrogen refueling stations）
H2動力汽車和卡車的雄心勃勃的路線圖將需要建造大量的加氫站。H2 stations.org 2021年2月的一份報告指出，2020年有 107個加氫站投入運營，這是迄今 為止一年內投入運營總數最高的一年。2021年1月又增加了7個，560個加氫站目前在全球運營，并已計劃增加225個站點。氫能委員會2021年2月的“氫能洞察”報告估計，到2030年，實現FCV目標將需要10300加氫站。
復合材料儲罐正在加氫站中使用。例如，Hexagon Composites（挪威Alesund）向Resato（荷蘭Assen） 提供儲罐，用于海牙的一個大型加氫站，而NPROXX則向地區巴士運營商RVK（德國科?。┏鍪哿藘蓚€加氫站的儲罐。
氫氣通過管式拖車、液體罐車或管道供應給加氫站，也可以使用蒸汽甲烷重整器或電解裝置在現場產生（圖 1）。IV型復合材料罐可用于管道拖車中輸送H2，也可用于現場緩沖存儲器中。
在2021年5月的“CW-復合材料世界”技術日活 動中，PowerTap Hydrogen（美國加利福尼亞州歐文市）首席運營官Kelley Owen解釋說，每個 PowerTap加氫站每天將使用蒸汽甲烷重整器（SMR）裝置從天然氣中生產1250公斤H2，以填充配備350巴和700巴儲罐的FCV。PowerTap將與安德雷蒂集團合作，在加州安德雷蒂公司選定的加油站和柴油站安裝加氫站。
圖2. 優質的現場存儲空間
加氫站的粗略設計，使用蒸汽甲烷重整器和1型鋼罐進行緩沖儲存，需要25x35英尺的儲存空間。
這些加氫站裝置必須安裝在當前車站的占地范圍內，該占地范圍已被燃氣和柴油泵、便利店等占用。Owen表示，PowerTap的緩沖罐將包括兩組儲罐：24個中壓（500巴，20英寸直徑，34 英尺長）和30個高壓（900巴，16英寸直徑，35英尺長）軋制鋼管鋼瓶，需要大約25 x 35英尺的儲存空間（圖 2）。Owen 解釋說，之所以選擇 I 型鋼管，是因為IV型復合材料儲罐的成本高出30-35%，使儲罐成本從120萬美元增加到160萬美元，這將消耗每個加氫站300萬美元預算的一半以上。林肯 Hexagon Composites 負責研發的高級副總裁 Rick Rashila表示：“毫無疑問，鋼制儲罐的價格遠低于復合材料儲罐。” ，內布拉斯加州。“但在某些應用中，復合材料罐是一個很好的解決方案。例如，我們在歐洲的一些客戶已經將這種罐安裝在氫站屋頂、 壓縮機或其他設備的頂部，以減少整體占地面積。這是可能的，因為IV型罐非常輕。金屬罐雖然成本較低，但通常需要地面安裝，而且你只能由于它們的重量，將它們堆得很高，而復合材料罐可以堆得更高， 這減少了存儲空間。” 但是，與鋼制儲罐相比，復合材料儲罐的直徑或壓力是否受到限制？“任何壓力容器的壁厚都必須隨著壓力和尺寸的增加而增加， ”內布拉斯加州林肯市Hexagon復合材料研發公司的首席工程師Brian Yeggy解釋道。“但復合材料技術沒有限制，無法在700巴的壓力下制造更大直徑的儲罐。”目前，Hexagon最大的儲罐直徑為580毫米/22.8 英寸，長3.3米/10.8英尺，可在500巴的壓力下固定儲存。它還有一個1000巴、直徑20英寸的固定式儲物筒。Yeggy說：“這不是我們技術的限制，而是我們客戶的需求。” “我 們已經將復合材料罐的直徑擴大到42 英寸，長51英尺，可在250巴的壓力下儲存。”
“壓力越高， ”他繼續說道， “復合材料看起來就越有吸引力，但由于所需的壁厚越高，無論材料如何， 整個系統的成本都會越高。”復合材料罐在每天最多 10 次加壓循環的情況下滿足加氫站15年使用壽命需求的能力如何？Yeggy 說：“這相當于最多55000次循環。” “我們的大多數產品已經通過了15至30年的認證，標準為45000次循環，驗證填充至150%，無故障。我們還測試了幾個直徑為27英寸、379巴的儲罐，測試周期為110000次，無故障[圖3]，我們有一 個直徑14英寸、380巴的圓柱體，已經測試了100萬次循環，每個循環的工作壓力為其工作壓力的 150%。因此，我不擔心 IV 型儲罐能夠滿足加氫站所需的循環范圍。”
圖3. IV型儲罐處理換料循環Hexagon Composites IV型壓縮氣瓶的選定疲勞試驗數據表明，無論儲罐尺寸和工作壓力如何，復合材料都能處理加壓循環的疲勞。
H2 分布和玻璃纖維
管式拖車代表了復合氣瓶的另一個市場，即用于 將氫氣從生產點分配或運輸到加請站或工業現場。這 是韓華Cimarron復合材料（韓國首爾）、Hexagon 和NPROXX（荷蘭海倫）的主要市場。在 Hexagon，該 市場預計將占公司的 40%以上 2021 年收入。Hexagon的 Rashila說：“對于氫氣，我們大多數的分配氣罐都是350巴，并趨向于500巴以上。”“由于需要在加氫站上獲得更多的氫氣，很可能還會有700巴的氣 罐；但到達那里的成本始終是平衡的。” NPROXX公司董事總經理兼銷售主管 Michael Himmen 表示：“一切都從氫開始，從基礎設施開始。”
他解釋說，氫動力汽車的增長需要加氫站，而加氫站 反過來又依賴燃料運輸。“未來兩年，我們可能會在船 舶和集裝箱設計方面提出新的解決方案。”，術語“集裝箱”是指運輸模塊的包裝方式。例如，Hexagon用于在500巴下運輸H2的X-STORE模塊包括一個10、20、30或40英尺長的金屬框架拖車，拖車上有22、52、82或103個IV型氣瓶，總共載有240、565、890或1115公斤H2。NPROXX也有類似的產品。Cimarron Composites 在CW 2020年關于H2壓力容器的專題文章中解釋說，其Neptune 517 bar IV型儲罐直徑為30英寸，長度為19 英尺，能夠將9個容器包裝到一個標準的20英尺容器中，容納 600公斤H2，是40英尺容器中的兩倍。
圖 4. IV 型玻璃纖維儲罐
與碳纖維復合材料相比，玻璃纖維復合材料IV型儲罐的成本更低，但與鋼相比重量更?。ㄉ蠄D中的橙色正方形）。
Umoe Advanced Composites(UAC，Kristiansand， Norway)也致力于H2輸送，但沒有碳纖維。相反，該 公司生產的IV型氣瓶使用行業標準T4塑料內襯制 成，內襯玻璃纖維/環氧樹脂。UAC目前供應200至350巴的模塊，并將在 2022 年擴大到包括450和500巴的儲罐。正如UAC首席執行官 Öyvind Hamre 在CW氫能技術日活動中所解釋的那樣，玻璃纖維復合材料 （GFRP）儲罐提供了與鋼儲罐相同的資本支出（CAPEX-capital expenditure），但重量減輕了70%（圖 4）。同時，與碳纖維圓柱體相比，玻璃纖維可以減少50%的資本支出，盡管重量更高。2021年5月，UAC宣布成立一家合資企業，在中國建造一家新工廠，到2022年，該工廠的產能將從每年1萬個（1700至2000升）擴大到2個。同時，它將把挪威的產能提高到4000個氣罐/年。
成本和存儲效率
正如本系列第 1 部分的介紹中所解釋的，除了成 本之外，IV 型儲罐的另一個關鍵問題是儲存密度—— 也就是說，在給定體積中可以儲存多少H2。這里的關 鍵度量稱為重量、重量或質量比，定義為儲存的H2質量除以儲罐或儲存系統的質量。2019年對儲氫系統的審查將 I、II 和 III 型儲罐的重量密度分別列為 1.7%、2.1%和 4.2%。該度量也可以被稱為存儲密度或效率。對于 IV 型儲罐，豐田（日本豐田市）于2014年為其700巴儲罐制定了5.7%的基準值，這要歸功于通過優 化纖維纏繞模式將使用的CFRP減少了20%。這些通常包括沿著圓柱體的環向繞組、跨過圓柱體和圓頂端 的低角度繞組以及在環向繞組和低角度繞組之間的邊界處的高角度繞組。豐田設計了一種方法來消除高角度螺旋繞組，這種繞組以前占層壓板的≈25%。相反， 襯墊的形狀被壓平，以便能夠通過在邊界區域處的環 向纏繞進行層壓。豐田還將環形繞組集中在應力最高的內層。Faurecia在其復合材料IV型儲罐中聲稱的優勢之一是重量比>7%。
2019 年，NPROXX，現在是與Cummins（美國印 第安納州哥倫布市）50/50 的合資企業，推出了一款儲存密度為 6.4%的 700 巴 IV 型儲罐，而 Iljin Hysolus （韓國豐東市）為現代 Nexo 燃料電池乘用車生產的儲 罐平均占 6.3%。“對我們來說，這一切都取決于你如何處理碳纖維，以及在纏繞過程中對纖維造成多大損 傷， ”NPROXX 的Himmen指出。“這實際上決定了 你在儲罐中使用了多少碳纖維。”
Yeggy 說，由Hexagon Composites制造的H2儲罐，現在被分拆為 Hexagon Purus，儲存效率在5%到7%之間。他指出：“我們一直在進行研究，以提高儲存效率，但儲罐越輕，就必須越精確，損失的損傷容 限也就越大。” “成本是一個很大的因素。如果不考慮成本，那么我可以在紙上進行設計，提高10%的存儲效率。但要實現這一點，它的成本將超過它所在 的車輛。”
盡管20多年來，降低儲罐成本一直是美國能源部 （DOE）眾多項目追求的目標，但 Faurecia 聲稱，到2030年，它將使儲氫系統成本降低 75%，從每公斤儲 存的氫氣1300歐元降至315歐元。Plastic Omnium 的目標是適度降低30%的成本。NPROXX同意后者的觀 點。Himmen說：“根據到2030 年生產的更大數量的儲罐，我們的分析是，我們可以將成本降低25- 30%。” 。然而，他承認碳纖維占儲罐成本的60%，能 源部的成本模型表明，更高的產量并不能顯著降低纖維價格。Hexagon Composites的Rashila 表示，Hexagon已與美國能源部合作開展了各種儲罐和碳纖維成本降低項目，并指出了在不久的將來增加項目的潛力。
再認證和監測儲罐
Rashila指出，另一種降低成本的方法是通過Hexagon的數字業務部門，該部門使用模態聲發射（AE-acoustic emission）在儲罐監管壽命結束時對儲罐進行 檢查，分析儲罐的完整性以獲得額外服務。模態聲發射（Modal AE）采用先進的電子設備和傳感器，旨在提高靈敏度和數據。拉希拉說：“延長儲罐的使用壽 命是降低成本和排放的好方法。” 。“消防員用碳纖 維復合材料氣瓶已經證明了這一點。我們還為2010- 2015年使用壽命結束的首批壓縮天然氣儲罐進行了這 一測試。數字測試可以驗證坦克沒有損壞，而且很有可能還有“X”的剩余壽命。”
“我認為這個行業仍然缺乏數據， ”Himmen說。“IV 型容器在使用前10年后才進行檢查。但是，當時 壓力容器的完整性到底發生了什么，你真的有數據可 以了解嗎？我們參與了一項歐盟計劃，以創建這些數據。我們提供了大量儲罐，并為其配備了各種傳感器，以確定其在使用壽命內對儲罐完整性的影響溫 度、壓力循環、激進加油以及對儲罐完整性的壽命影 響。我們的目標是在將傳感器放入復合材料之前獲得更多的知識，因為我首先想知道測量什么以及與什么進行比較，以決定壓力容器是好是壞。”
盡管有未來的努力，NPROXX 目前正在整合傳感器技術的一個領域是其生產過程。
圖 5. 用于優化儲罐生產、監控和設計的光纖傳感器 Com&Sens 使用嵌入復合材料罐內或表面的光纖布拉格光柵（FBG）光纖傳感器來感應燈絲纏繞、測試和操作過程中的應變和溫度。這些傳感器可以驗證有限元模型的應力，提供結構健康監測和儲罐完整性測量，以進行重新認證。
Com&Sens 介紹了嵌入式光纖布拉格光柵（FBG- fiber Bragg grating ）光纖傳感器如何在CW的H2技術日期間用于優化復合材料儲罐生產和現場健康監測。FBG光纖線路可以在H2罐層壓板被細絲纏繞時從線軸共同纏繞。每個光纖的長度可以在 1-100米之間， 并且具有最多20個最小間距為 1 厘米的傳感點。
Com&Sens聯合創始人Eli Voet表示：“每個傳感點都位于光纖內，可以在復合材料層壓板的環形或螺旋層內的任何離散位置進行測量。” “在使用旋轉 接頭纏繞的過程中，或者在使用專利點連接技術的操作過程中，這些點都會被詢問，該技術可以大規模使用‘智能’儲罐。”他解釋說，嵌入層壓板中的 FBG 可以感應材料內部的應力再分配。Voet補充道：“這些傳感器可以用于生產過程優化，從而了解和數字化 以前無法測量的過程參數。” “在固化、疲勞循環和爆裂測試過程中，捕捉全系統的應力、應變和溫度 測量結果將有助于設計師驗證有限元模型，并優化未來設計中的材料使用。但也許最有前景的應用是在儲 罐運行過程中進行生命周期和結構完整性監測，提高對氫氣技術的接受度和信心例如，Voet 提供了生產帶有“數字指紋”的儲罐的能力，然后根據指紋對儲罐進行重新認證，以延長其使用壽命。
真正的改變來得很快
根據氫能委員會2021年的“氫能洞察”報告，75個國家制定了零排放戰略，20多個國家宣布在2035年之前禁止內燃機汽車銷售。除了H2，電池電力、太陽 能和其他替代燃料將是實現這些目標所需解決方案的 一部分。然而，人們越來越關注H2，并增加了政府對H2的支持。到2050年實現凈零排放一直是避免氣候災難的口號，但許多國家正在努力在2040年或更早實現目標。這可能嗎？
Hexagon Purus Maritime 的達爾表示：“你不僅要 重新思考汽車架構，還要重新思考運營的整個商業模式。” “當然，有一種猶豫——誰將是第一個推動者并承擔風險？還需要大量投資。但那些有目標、有勇氣做到這一點的人，將是未來的領導者。”
除了多種零排放解決方案外，H2儲存還將繼續有多種解決方案，并非所有解決方案都依賴于復合材料或碳纖維。復合材料行業將如何應對正在開發的H2動力汽車、火車、船舶和加油站的快速新興市場？新型碳纖維能否使儲罐具有更高的儲存效率和更低的成本？“我們想了很多關于我們想要使用的理想碳纖維， ”Himmen在NPROXX說。“預計會有如此大的產量，顯然碳纖維的消耗量也會高得多，而我認為理想的碳纖維還沒有上市。”但也許會。達爾指出：“你需要打破僵局才能做出真正的改變，2050年即將到來。”
