發展中的復合材料氣壓罐
來自經濟和環境方面的壓力正在驅使復合材料的氣壓罐在個人和公共運輸領域中的廣泛應用,這同時將帶來復合材料制造能力的擴張以及相關技術的不斷改進和提高。
國際燃氣車協會(IANGV)對未來10年NGV產量的增長情況所做的保守預測是:每年18%的增長率。按照這個增長比率,到2020年底,將有大約6500萬輛的NGV汽車行駛在的道路上。雖然目前的可燃氣體多種多樣,但是,只有液化天然氣(LNG)和壓縮天然氣(CNG)可用于汽車的動力系統中。在北美和歐洲,LNG系統已成為許多中、重型汽車的組成部分,但是,在低溫下生成并貯存LNG卻極大地增加了LNG的使用成本,這使得低成本的CNG系統得到了廣泛應用。
正因如此,使得低成本的CNG氣壓罐受到人們的青睞。一般,氣壓罐常見于客運汽車以及80%的中、重型卡車和公共汽車上,這表明市場每年需要上百萬的CNG氣壓罐,其中很大一部分是由增強復合材料制造而成的。
今天,按照氣壓罐的不同構成方式,可將其區分為4種類型:種是以普通的鋼材制成的全金屬結構的氣壓罐;第二種是大部分采用金屬材料,并沿環向纏有纖維絲,以構成復合材料的外殼。這種類型的氣壓罐通常包括鋼(或鋁)制成的金屬罐和玻纖復合材料制成的外殼,它們分別承受同等的結構載荷;第三種是金屬內襯加全復合材料的外殼,通常為鋁內襯和碳纖維增強的復合材料外殼,結構載荷由復合材料外殼承受;第四種則完全采用了復合材料:內層采用的是聚合物(特別是高密度的聚乙烯或HDPE),外部則采用碳纖維或碳/玻璃纖維混合的復合材料。顯然,這種類型氣壓罐的結構載荷完全由復合材料結構來承受。
無論是哪種類型的氣壓罐,各有其優缺點。種氣壓罐的價格低,按容積計算的生產成本大概是$5/L。此外,用于制造此種氣壓罐的金屬加工設備和技術也應用得非常成熟。但其重量也是大的,大約為1.4kg/L。相比之下,第二種氣壓罐的制造成本要高出50%,但重量卻降低了30%-40%。第三種氣壓罐和第四種氣壓罐的重量均明顯低于前兩種,大約為0.3-0.45kg/L。然而,它們的制造成本大約是第二種的2倍和全金屬氣壓罐的3.5倍。

圖 1,2006-2013年復合材料CNG氣壓罐生產情況
受控于價格因素的氣壓罐市場
就NGV市場來看,大的市場是南美洲(49%)和中東地區(26%)。目前,阿根廷、巴西、巴基斯坦、意大利和伊朗是使用NGV多的5個,它們的NGV總數占據了NGV總數的75%。顯然,NGV產業已成為這些的經濟支柱。在這些中,影響人們購買NGV的主要驅動力是成本因素。正因如此,在除意大利以外的其他幾個中,種類型的CNG氣壓罐便成為用量多的品種,但這也限制了這些的復合材料產業的發展。據預測,在今后的幾年中,種類型的氣壓罐在這些中仍將保持93%的市場份額。
復合材料氣壓罐的價值
盡管目前的市場表現對復合材料氣壓罐制造商不會有太大的激勵作用,但根據已經凸現的未來NGV銷售增長的情況分析,第二、第三和第四種類型的氣壓罐的需求增長率將達到7%,這意味著對復合材料、相關的制造裝備和加工技術的需求也將有快速的增長。
目前已有幾個因素預示了這種增長趨勢。先,全部或部分采用復合材料的氣壓罐有助于降低燃料系統和車輛的重量。以一個典型的公共汽車或商用卡車為例,采用第三或第四種類型的氣壓罐能夠使車輛的燃料系統減輕超過454kg的重量;其次,復合材料的氣壓罐放寬了對氣體密封壓力的限制,它可提供良好的能量貯存密封性。對于很多的高壓應用而言,通常要求容器能夠承受350kg/cm2或更大的壓力,而第三及第四種類型的氣壓罐適合此類應用;第三,復合材料極大地提高了氣壓罐的耐腐蝕性和整體安全性;后,對于以碳纖維束作為增強體的復合材料氣壓罐而言,出色的抗疲勞強度提高了此種氣壓罐的使用壽命。一般,以碳纖維增強復合材料制成的第三和第四種氣壓罐能夠使用30年,其壽命是前兩種氣壓罐的2倍。

圖 2,工人正在為轎車安裝復合材料氣壓罐
基于這些優勢,再結合當前居高不下的石油燃料成本,使得包括歐洲及北美在內的其他很多和地區對發展復合材料產業也表現出了越來越大的興趣。在印度、、阿根廷和伊朗,一些公司正在開發除種氣體貯存系統之外的其他產品,這也為高附加值產品帶來了競爭機遇,而這些產品的制造技術目前仍主要被歐洲和北美的制造商所掌握。盡管技術掌控權在一定程度上限制了碳纖維復合材料及相關的制造裝備和加工技術在一些的應用,但卻無法阻止、印度、阿根廷和其他一些的氣壓罐制造商的開發進程。
成長中的市場
按照先前的預測,CNG氣壓罐需求增長強勁的市場將出現在發展中。2008年,已有超過200萬輛的由CNG驅動的汽車被交付使用,其中大約有90%的產品被賣到了除歐洲和北美以外的其他地區,而這90%的產品意味著將要使用大約450萬個種氣壓罐類型,以及少量的第二種氣壓罐類型。
相比之下,在2009~2013年期間,歐洲和北美市場對此類氣壓罐系統的需求量渴望達到200萬,而上其他的總需求量大約是3200萬。
伴隨著經濟化的向前推進,一些具有高技術水平的氣壓罐制造商們會發現,他們正面臨著一個極好的向外擴張的機遇。他們可以在上經濟增長較快的地區建立制造基地,或者擁有全資子公司,或者與當地發展較好的公司成立合資企業。在當前歐洲和美國CNG公共汽車銷售整體下滑的情況下,對于那些想在今后2年內維持或提升業務的、生產第三和第四種氣壓罐的制造商們而言,向外擴張是一個不錯的選擇。
從2009年到2013年期間,人們渴望能有3650萬個氣壓罐被生產出來,其中大約250萬是第二、第三和第四種CNG氣壓罐。目前,這3種類型的氣壓罐的年產量大約是29.5萬個,這意味著310萬kg的復合材料制成品,產值大約是$1.05億。預計在今后5年內,這一數字將以年均19%的速度增長,盡管預期2009年的增長率是5%~8%。到2013年,復合材料氣壓罐的銷售額渴望達到$2.5億。由于這一市場具有極大的增長潛力,因此到下一個10年結束時,這一市場的總銷售額渴望達到$5.6億,每年所消耗的玻璃纖維和碳纖維復合材料將超過9072t。
總之,上述的復合材料氣壓罐的增長情況預示著未來將出現復合材料制造能力的巨大擴張,這也將為許多新的供應商帶來機遇。雖然目前第三和第四種氣壓罐的銷售出現了臨時性的下滑,但此類產品的供應商們卻正在擴張他們的生產能力。
快速增長的市場需求也意味著需要改進各種加工技術。對于那些生產用在轎車、小型公共汽車和大篷車上的小容量氣壓罐的制造商們而言,擴大產量的需求將促使他們投資自動化的生產設備。在此方面,能夠同時生產多個氣壓罐的長絲纏繞系統有助于大幅度削減制造成本和人力成本。此外,對碳纖維制造技術向一些敏感地區轉移的限制仍將繼續,這將有助于進一步改進高強度的玻璃纖維的設計性能,使其優于今天的無堿玻纖產品,如AGY公司新的S-1產品。
除了NGV市場外,人們還在拓展復合材料氣壓罐的一些新的應用領域,特別是用于燃料電池系統的氫氣貯存罐以及一些大容量的氣體貯存和運輸領域中。
第三和第四種氣壓罐可以被大量用于批量運輸系統中。它們能夠被放在卡車拖車上,用來運送天然氣,以滿足沒有鋪設天然氣管道的市場需求。相比之下,用于轎車或公共汽車的CNG氣壓罐的容積普遍在15~150L之間,而運送天然氣的氣壓罐的容積則是它們的2倍或更大。迄今為止,大的全復合材料的氣壓罐長12.2m,重2087kg,它由美國Lincoln Composites公司制造,商品名為“Titan”,該公司是挪威Raufoss Fuel Systems公司的姐妹公司,也是挪威Hexagon Composites公司的一個子公司。在2008年的上半年,加拿大的Dynetek Industries公司生產了2種第三種類型的氣壓罐,額定壓力分別為210kg/cm2和455kg/cm2,它們都獲得了美國運輸部的認可,被用于批量運輸系統中。據估算,到2013年以前,這種批量運輸方式每年將帶來大約726~816t的復合材料氣壓罐的需求量,價值大約是$5000萬。
貯存氫氣是CNG氣壓罐的另一個可擴展的應用領域,但前提是必須滿足極高的性能要求。2008年6月,日本本田汽車公司開始有限制地生產FCX Clarity燃料電池車。該公司計劃在2010年前,每年增加200輛。雖然燃料電池技術正在不斷進步,但是,想在近期內解決燃料電池系統和氣體貯存裝置的高成本問題,從而在今后5年內實現大批量的生產,幾乎是不可能的。特別是對于批量運輸系統中使用的氣壓罐而言,盡管從長遠發展來看,氫貯存應用領域為其提供了巨大的市場擴張機遇,但在短期內,氫貯存應用的市場潛力仍小于批量氣體運輸市場。










































