Pasaulinis tikslas iki 2050 m. pasiekti nulinį išmetamųjų teršalų kiekį skatina spartų sudėtinių slėginių indų augimą.
paveikslėlį
Kompozitiniai slėginiai indai
Aukšto slėgio dujų laikymo indai yra viena didžiausių ir greičiausiai augančių pažangių kompozitų rinkų, ypač suvyniotų anglies pluošto kompozitų. Nors juos galima naudoti autonominiuose kvėpavimo aparatuose ir aprūpinti deguonį bei dujas aviacijos ir erdvėlaiviuose, pagrindinė galutinė rinka yra suskystintųjų propano dujų (SND), suslėgtų gamtinių dujų (SGD), atsinaujinančių gamtinių dujų (RNG) ir vandenilio rinka. (H2) saugykla. Nors SND balionai naudojami automobiliuose, jų paklausa auga besivystančių šalių maisto ruošimo ir šildymo rinkose.
Kuro sistemos, tokios kaip suslėgtos gamtinės dujos (SGD), atsinaujinančios gamtinės dujos (RNG) ir vandenilis (H2), vis dažniau naudojamos automobiliuose, autobusuose, furgonuose ir kituose „Pramoninių objektų tiekimo degalinėse arba birių krovinių transporte. degalų bakai yra svarbi švarių, nulinės emisijos jėgos agregatų, mažinančių arba pakeičiančių benzino, dyzelino ir reaktyvinio kuro, dalis. Šie jėgos agregatai taip pat suteikia galimybę nemokamai naudotis akumuliatoriais varomoms transporto priemonėms, kurioms reikalinga degalų papildymo infrastruktūra ir degalų papildymo laikas, panašus į iškastinio kuro papildymą. kuro.
Yra 5 slėginių indų tipai:
I tipas: visos metalinės konstrukcijos, dažniausiai plieninės.
II tipas: dažniausiai metalas su tam tikrais lankais suvyniotais pluoštais, dažniausiai iš plieno arba aliuminio metalo ir stiklo pluošto kompozitų, metalinė talpa turi maždaug tokias pačias konstrukcines apkrovas kaip ir kompozitas.
III tipas: metalinis įdėklas yra visiškai apvyniotas kompozicinėmis medžiagomis, paprastai anglies pluošto kompozicinės medžiagos yra apvyniotos aplink aliuminio įdėklą, o kompozicinė medžiaga turi konstrukcinę apkrovą.
IV tipas: visa kompozicinė konstrukcija, paprastai vidinis bakas pagamintas iš poliamido (PA) arba didelio tankio polietileno (HDPE), vidinis bakas yra apvyniotas anglies pluoštu arba sudėtine medžiaga, sumaišyta su anglies pluoštu / stiklo pluoštu, o kompozitas medžiaga atlaiko visas konstrukcines apkrovas.
V tipas: be įdėklo, visa kompozicinė konstrukcija.
Tradiciškai I tipas užėmė daugiau nei 90 procentų rinkos, tačiau tai tapo įmanoma dėl padidėjusio III ir IV tipo slėginių indų pardavimų dėl sutaupytų kompozitinių medžiagų svorio ir pagerėjusio suslėgtų dujų laikymo efektyvumo. Pradėjo keistis. V tipas vis dar yra pradiniame etape ir daugiausia atitinka kosmoso poreikius. Plėtojant naujai kosmoso pramonei, tai verta dėmesio produkto rūšis. Pavyzdžiui, 2020 m. balandžio mėn. JAV bendrovė „Infinite Composites Technologies“ (ICT) sukūrė A sferinį V formos kriogeninį baką, skirtą kriogeniniam skystajam raketiniam kurui laikyti raketomis varomuose kosminiuose raketose. Šis be įdėklo anglies pluošto epoksidinis kriosferos bakas pagamintas naudojant gijų apviją ir pramoninį kietėjimo procesą orkaitėje.
Rinkos veiksniai ir augimo tempai
Pagrindinis šios rinkos veiksnys yra augantis pasaulinis įsipareigojimas mažinti poveikį klimatui, pereinant nuo iškastinio kuro prie atsinaujinančių, išmetamų teršalų kiekį mažinančių degalų, tokių kaip CNG, RNG ir H2, kad iki 2050 m. Remiantis nauja Tarptautinės energetikos agentūros ataskaita „Grynoji nulinė emisija iki 2050 m.: Pasaulio energetikos sektoriaus planas“: vyriausybių iki šiol prisiimti klimato įsipareigojimai, jei jie bus visiškai įgyvendinti, gerokai nesiekia 2050 m. su energija susijusių pasaulinių CO2 emisijų sumažinimas iki nulio suteikia pasauliui galimybę apriboti pasaulinės temperatūros kilimą iki 1,5 laipsnio.
Verta paminėti, kad, be minėtų įsipareigojimų, JAV Konektikuto, Merilendo, Masačusetso, Naujojo Džersio, Niujorko, Oregono, Rodo salos, Vermonto ir Vašingtono valstijos jau įsipareigojo negaminti naujų iškastinį kurą naudojančių lengvųjų automobilių. Prisijunkite prie Kalifornijos, Kolorado, Havajų, Meino, Šiaurės Karolinos, Oregono, Pensilvanijos ir Kolumbijos apygardos, kad uždraustumėte naujų iškastiniu kuru varomų vidutinių ir sunkiasvorių transporto priemonių pardavimą.
Dar vienas augimo požymis – JAV įsikūrusi „Cummins Inc.“, per metus pagaminanti 130 mln. vidaus degimo variklių, kurių daugelis naudojami autobusuose ir vidutinės bei didelės apkrovos sunkvežimiuose, investavo į klasės kūrimą. 8 kuro elementų furgonas ir vandeniliu varomas variklis. 2021 m. birželio mėn. „Cummins“ teigė, kad iki šio amžiaus pabaigos šie produktai priartės prie bendrųjų dyzelinio variklio nuosavybės sąnaudų (TCO) ir kad ateityje sunkusis transportas bus varomas vandeniliu, kuro elementais arba akumuliatoriais, o ne dyzelinu.
Gamtinėmis dujomis varomų transporto priemonių (NGV) pardavimas pasauliniu mastu 2020 m. buvo didesnis nei prognozuota anksčiau: iš tikrųjų buvo parduota 29,8 mln. vienetų, palyginti su prognozuotais 24,4 mln., rodo 2021 m. „Grandview“ tyrimų ataskaita. Ataskaitoje taip pat prognozuojama, kad 2021 m. pardavimas bus maždaug 31 mln. vienetų, o 2028 m. padidės iki 38,9 mln. „DataIntelo“ teigia, kad SGD laivų rinkoje I tipo laivai sudaro apie 55 procentus rinkos, o II tipo, III ir IV tipo laivai – atitinkamai apie 25, 15 ir 5 procentus rinkos.
Tony Roberts iš AJR Consulting ir Danas Pichleris iš CarbConsult prognozavo, kad anglies pluošto paklausa kompozitiniuose slėginiuose induose padidės nuo 13 100 t 2021 m. iki 20 230 t 2026 m., o bendra anglies pluošto paklausa 2021 m. turėtų būti 106 700 t. Žemiau numatoma, kad bendra anglies pluošto paklausa 2026 m. pasieks 169,{10}}t. Robertsas ir Pichleris apskaičiavo, kad didžioji dalis anglies pluošto, naudojamo slėginiuose induose, pateks į mobiliuosius vamzdžius (2026 m. – 6900 t) ir autobusus bei furgonų (2026 m. – 6400t).
Be to, atsižvelgiant į naujų vandenilio kuro transporto priemonių išleidimą visame pasaulyje, apskaičiuota, kad kiekviename 700 barų vandenilio rezervuare, kuriame yra 60 procentų pluošto ir kuris sveria 5,6 kg, bus naudojamas 62-72 kg anglies pluošto. Iki 2030 m. anglies pluošto reikės tik vandenilio talpykloms. Tūris sieks 166650t. Tačiau šių transporto priemonių prognozės yra konservatyvios – tikimasi, kad tik 1 procentas sunkiasvorių krovininių transporto priemonių, mažiau nei 10 procentų autobusų ir mažiau nei 1 procentas automobilių naudos vandenilį.
Kompozitinių medžiagų naudojimas slėginiams indams
IV tipo kompozitiniai slėginiai indai, skirti vandenilio saugojimui, gaminami apvyniojus anglies pluoštą aplink plastikinį įdėklą ir užtepus epoksidinę dervą. Kompozicinių medžiagų įrangos tiekėjai, projektuojantys ir gaminantys labai automatizuotas vandenilio rezervuarų gamybos linijas, yra: Autonational Composites Nyderlanduose, Engineering Technology Jungtinėse Amerikos Valstijose, McClean Anderson JAV, MIKROSAM Makedonijoje ir Roth Composite Machinery Vokietijoje, pastaroji. teigia, kad naudojant naują Rothawin technologiją vandenilio talpyklos gali būti pagamintos nuo penkių iki dešimties kartų greičiau. MIKROSAM teigia, kad jos klientas Rusijos UAB „DPO Plastik“ naudojo didžiausią pasaulyje SGD konteinerių ir vandenilio talpyklų gamybos liniją, galinčią per metus apvynioti 60 000 konteinerių.
Vokietijos bendrovė „Cevotec“ teigia, kad slėginio indo kupolo srityje naudodama pluošto pataisų išdėstymo (FPP) sistemą gali sutaupyti 20 procentų medžiagų ir 20 procentų ciklo laiko. „Cevotec“ generalinis direktorius paaiškino, kad norint laikyti 1 kg vandenilio, darbinis slėgis konteineryje yra iki 700 barų, vadinasi, reikia apie 10 kg anglies pluošto, o tai yra labai didelis santykis. FPP sistema gali tiksliai užklijuoti kruopščiai suprojektuotus anglies pluošto pleistrus tose vietose, kuriose kartais kyla problemų vyniojimo proceso metu. Teigiama, kad viena FPP sistema gali sustiprinti konteinerius iš kelių vyniojimo mašinų.
Nors daugumoje IV tipo slėginių indų, naudojamų suslėgtoms dujoms laikyti, struktūriniam sutvirtinimui naudojamas anglies pluoštas, o išoriniam sluoksniui – stiklo pluoštas, kad būtų išvengta pažeidimų, Norvegijos Umoe Advanced Composites (UAC) IV tipo indams naudoja tik stiklo pluoštą. UAC siūlo 200-350 barų indų, skirtų gamtinių dujų transportavimo rinkai, o ne automobilių rinkai, ir 2022 m. išplės savo produktų portfelį, įtraukdamas 450-500 barinius indus. Kaip teigė UAC generalinis direktorius Øyvind Hamre, stiklo pluoštas -Armuoto polimero (GFRP) indai kainuoja tiek pat, kiek ir plieniniai indai, tačiau yra 70 procentų lengvesni. Palyginti su CFRP konteineriais, nors GFRP konteineriai yra sunkesni, jie sumažina kainą 50 procentų.
paveikslėlį
IV tipo indai, pagaminti iš stiklo pluoštu sustiprintų kompozitų, yra pigesni nei anglies pluošto kompozitai ir lengvesni nei plieniniai indai (nuotrauka per Umoe Advanced Composites)
Vandenilio rezervuarai daugelyje rinkų
„Hexagon Purus“ Norvegijoje ir „NPROXX“ Nyderlanduose (50:50 bendra „Cummins“ ir „Cimmaron Composites“ įmonė JAV, ją įsigijo „Hanwha“ Pietų Korėjoje. 2021 m. bendrovė paskelbė, kad investuos 130 mln. Alaboje, JAV Distribucija taip pat yra svarbi rinka naujos gamyklos statybai Opelikoje, MA.
Vandenilio talpyklų taikymas išaugo ne tik platinimo rinkoje, bet ir automobilių, sunkvežimių, geležinkelių ir jūrų transporto srityse. „Kai kurie Europoje gaminami furgonai bus varomi vandeniliu“, – sakė vandenilio talpų gamintojos NPROXX generalinis direktorius ir pardavimų vadovas Michaelas Himmenas. Pagal Europos reglamentus, iki 2030 m. sunkvežimių originalios įrangos gamintojai turi užtikrinti, kad jų sunkvežimių išmetamas CO2 kiekis būtų sumažintas vidutiniškai 30 procentų, palyginti su 2019 m. Remiantis Himmeno pasiūlymu, 5 procentai Europos sunkvežimių gali naudoti vandenilio energiją, o tai reiškia, kad kasmet iš viso reikės nuo 15, 000 iki 20,000 vandeniliu varomų sunkvežimių. Jis įsitikinęs, kad 2,{11}} vandeniliu varomi furgonai galėtų būti pagaminti per metus, pradedant 2026-27 ir toliau nuolat augti. Jei kiekvienoje transporto priemonėje yra nuo 5 iki 7 IV tipo vandenilio talpyklų, per 10 metų sunkiasvoriams sunkvežimiams gali prireikti 100 000 vandenilio talpyklų ir 6,000 tonų anglies pluošto per metus.
Kalbant apie geležinkelius, Vokietijoje pradėti naudoti „Alstom“ vandeniliniai traukiniai „Coradia iLint“. 14 traukinių į Žemutinę Saksoniją pradėjo kursuoti 2021 m., o 27 traukiniai į pagrindinį Reino regioną prasidės 2022 m. Be to, šiuo metu „iLint“ traukiniai bandomi Austrijoje ir Nyderlanduose. Dviejuose traukinio vagonuose naudojami 24 IV tipo vandenilio rezervuarai, kurie yra ant kiekvieno vagono stogo skyriuose, kuriuose taip pat yra kuro elementai. „Hexagon Composites“ tiekė vandenilio rezervuarą traukinio prototipui, kurio pagrindą sudaro 416 mm skersmens ir 3128 mm ilgio talpykla, kuri gali talpinti 300 l arba 9 kg vandenilio esant 350 barų slėgiui. Dabar NPROXX iLint traukiniams siūlo 500 mm skersmens, 2200 mm ilgio ir 350 barų talpos slėgio rezervuarus.
paveikslėlį
„Alstom“ pardavė 41 „Coradia iLint“ vandeniliu varomą traukinį ir bando kitus (nuotrauka per „Alstom“)
paveikslėlį
Prancūzijos geležinkelių bendrovė SNCF užsakė 12 Alstom Coradia Polyvalent elektrinių ir vandeniliu varomų dviejų režimų regioninių traukinių (nuotrauka per Alstom)
paveikslėlį
„Alstom“ bendradarbiauja su „Eversholt Rail“ JK, kad elektrinius traukinius paverstų vandeniliu varomais „Breeze“ traukiniais (nuotrauka per „Alstom“)
Kiti patobulinimai, susiję su vandeniliniais traukiniais, apima: Mireo Plus H traukinį su 2 ir 3 vagonais, kurį sukūrė Vokietijos „Siemens“, kuris bus išbandytas keliuose Vokietijos regionuose per 2023-2024. Tuo tarpu Hexagon Purus tiekia IV tipo vandenilio rezervuarus Vittal-One traukiniams, kuriuos Ispanijos Talgo pradės bandyti 2023 m. Hexagon Purus taip pat tieks vandenilio talpas Šveicarijos Stadler Rail pirmajam FLIRT traukiniui, pastatytam ir išbandytam Šveicarijoje. pradės tarnybą San Bernardino mieste, Kalifornijoje, JAV, 2024 m.
paveikslėlį
„Siemens“ kuria „Mireo Plus H“ traukinį, skirtą išbandyti 2023-2024 (nuotrauka iš „Siemens“)
Kalbant apie gabenimą, 2021 m. birželį „Hexagon Purus“ paskelbė, kad įkurs naują dukterinę įmonę „Hexagon Purus Maritime“. „Dabar pastebime sparčiai didėjančią vandenilio paklausą ir veiksmus jūrų rinkoje“, – aiškina Jørn Helge Dahl, „Hexagon Purus“ pardavimų ir rinkodaros direktorius. Sandėliavimo jūroje programos yra idealus sprendimas." Dahlas mano, kad artėjant 2030 m. jūrų pramonei bus investuojama į sektorių vis daugiau projektų, kuriuos įgyvendins Tarptautinės jūrų organizacijos (IMO, Londonas, JK) nustatyti tikslai. Šie projektai apima : Visi nauji ir esami laivai turi sumažinti CO2 emisiją 40 procentų iki 2030 m. ir 70 procentų iki 2050 m., palyginti su 2008 m.
Aviacijoje 2020 m. staiga išaugo susidomėjimas vandeniliu, nes Prancūzijos vyriausybė gelbėjo „Airbus“ dėl COVID{1}} pandemijos ir reikalavo iki 2035 m. pateikti į rinką vandeniliu varomus komercinius orlaivius. 2020 m. vasarą „Airbus“ pradėjo savo projektą „ZEROe“ su trimis orlaivių modeliais, kurių galinė dalis 1/3 naudojama skystam vandeniliui laikyti ir reikalauja kriogeninės kontrolės.
Kitas regioninių turbosraigtinių sraigtų variantas – JAV kompanijos „Universal Hydrogen“ sukurtas dviejų bakų modulis, kuriame naudojamas CFRP rėmas. „Mes teikiame modulius pagal poreikį, todėl nereikia vandenilio saugyklos“, – paaiškino JP Clarke, „Universal Hydrogen“ technologijų vadovas. „Šiuos modulius į orlaivį galima įkelti paprastai, kaip ir baterijas ar virtuvės reikmenis. Bendrovė, paskelbta 2021 m., pasirašė ketinimų protokolus su trimis regioninėmis oro linijomis dėl esamų turbosraigtinių orlaivių modernizavimo vandeniliu varomų varomųjų sistemų.
JAV įmonė „ZeroAvia“ 2021 m. balandžio mėn. paskelbė, kad kuria 2-sėdimą vietą 50-seat regioniniam reaktyviniam lėktuvui.
MW vandenilio-elektros jėgos pavarų. 2021 m. bendrovė užbaigė 24,3 mln.
Vandenilio saugojimo iššūkiai
IV tipo konteineriai taip pat susiduria su rimtomis problemomis. Visų pirma, dėl anglies pluošto kainos šie konteineriai yra labai brangūs. Kitas svarbus klausimas yra saugojimo tankis. Nors suslėgtas vandenilis suteikia tris kartus daugiau energijos vienai benzino masei, jo energija vienam tūriui yra žymiai mažesnė, todėl reikia, kad dideli konteineriai atlaikytų aukštą slėgį, reikalingą pakankamai degalų kaupimui. Vandenilis, kaip kriogeninis skystis, iš tikrųjų turi didesnį tankį, kai laikomas -253 laipsnio temperatūroje, o kriogeninio suspaudimo (CCH2) bake esant -230 laipsniui, 300 barų, teigiama, kad vandenilio tankis yra didesnis. nei laikant 700 barų 50 procentų aukštesnėje IV tipo taroje. Kriogeninės talpyklos dažniausiai yra metalinės, o iš daugiau sudėtinių medžiagų pagamintų kriogeninių rezervuarų našumas ir eksploatavimo trukmė dar nebuvo įrodyta, kad jų eksploatacinės savybės ir nuovargio laikas būtų toks pat, kaip parodyta IV tipo suslėgtų dujų talpyklose, kurios buvo sukauptos per 25 metus.
Kita problema yra ta, kad pagaminti milijonus vandenilio talpyklų, reikalingų kuro elementų transporto priemonių (FCV) ir infrastruktūros paklausos tikslams patenkinti, gali nepavykti laiku pagaminti daug anglies pluošto. „Vienas iš pagrindinių mūsų rūpesčių yra gauti pakankamai anglies pluošto. NPROXX Himmen teigė, kad įmonės rezultatai 2020-2021 fiskaliniais metais padvigubėjo ir padvigubės kitais finansiniais metais. "Mes nesame vieni, manau, kad "Hexagon" auga tokiu pat greičiu. Mums reikia anglies pluošto, turinčio tam tikrą kokybę ir našumą tam tikra kaina." Šiuo metu daugumoje IV tipo indų naudojamas Toray's T700 pluoštas (tempiamasis stipris 4900 MPa, modulis 230 MPa) arba panašūs pluoštai. "Pluoštas nėra pakankamai tvirtas, vadinasi, jį reikia suvynioti dar kelis kartus, todėl talpa tampa storesnė, o tai yra nepriimtina. Jei dabar nežinote, iš kur ateinančiais metais jūsų pluoštas atsiras, galbūt tikrai turite sustabdyti gamybą“.
Kitas didelis iššūkis IV tipo laivams yra anglies pluošto ir CFRP indų kaina. Nauji laivų gamintojai ir Prancūzijos 1 lygio automobilių tiekėjai „Plastic Omnium“ ir „Faurecia“ užsibrėžė tikslus iki 2030 m. sumažinti IV tipo vandenilio talpyklų kainą 30–75 proc., kartu didinant saugojimo efektyvumą. padidės daugiau nei 7 procentais . Šiuo tikslu nuolat diegiamos naujos technologijos – nuo FPP technologijos, kurią Vokietijoje naudoja Cevotec, kad sutrumpėtų konteinerių kupolų CFRP apvyniojimo laikas ir sąnaudos, iki 3D apvijų technologijos, kurią JK pristatė Cygnet Texkimp, siekiant sumažinti pluošto žalą. ir į In situ konteinerių aptikimo technologiją, kurią pristatė „Com&Sens“, kompozitinių medžiagų jutiklių integravimo specialistas, Belgija.
